『美好，一直在身边』深入探讨RFID天线工作原理，并设计一种远距离RFID读写天线方案
１前言
射频识别RFID（RadioFrequencyIdentification）是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术 。 它利用射频信号的空间耦合传递非接触信息 ， 并通过所传递的信息识别对象 。 RFID 解决无源（卡中无电源）和免接触两大难题 ， 实现运动目标识别、多目标识别 ， 其突出优点是环境适应性强 ， 能够穿透非金属材质 ， 数据存储量大 ， 抗干扰能力强 。 目前的读写器远远不能满足应用要求 ， 因此 ， 需要一款远距离读写器配合远距离天线 ， 实现远距离水平或垂直方向的读写要求 。 这里给出一种远距离 RFID 读写天线的设计方案 ， 采用射频标签专用读写器 RI-R6C-001A ， 该器件要求天线阻抗为 50Ω ， 频率为 13.56MHz ， 因此采用 _ 亡艺简单、低成本的 PCB 环形天线 。
2RFID 读写天线的设计
2.1RFID 读写天线工作原理
天线是发射和接收射频载波信号的设备 。 在工作频率和带宽确定的条件下 ， 天线发射射频处理模块产生的射频载波 ， 并接收从标签发射或反射的射频载波 ， 其作用是产生磁通量 ， 为标签（无源）提供电源 ， 并在读写器和标签之间传递信息 。 天线性能的优劣对系统整体性能起着非常关键的作用 。 RFID 天线的读写距离取决于诸多因素：天线的尺寸、方向性、天线的位置、所处频段的电气特性及周围环境等 。
2.2RFID 读写天线各性能参数
2.2.1 电子标签的方向性
由于无源电子标签是通过与读写器天线磁场耦合来获得能量 ， 所以标签的方向性直接影响耦合系数 ， 近而影响能量的获取和通信的可靠性 。 当标签的方向性和读写器天线处于最佳耦合时 ， 磁力线与电子标签成直角 。 电子标签能够获得最好的读写效果 。 但是 ， 若将电子标签移动到天线的两侧 ， 这时标签的放置位置和磁力线方向平行 。 此时方向性最差 ， 读写效果也最差 。 图 1 为天线的磁力线分布模拟图 。
本文插图
2.2.2 天线盲区
由于环形天线的电磁场在其临近区域分布不均匀 ， 因此会出现读写盲区 。 如图 2 中黑线勾勒出的范围之外区域一般为单个天线的读写盲区 。 经反复实验证明将电子标签摆放位置转到与最佳位置成 40°角区域时 ， 一般可正常读写操作 。
本文插图
【『美好，一直在身边』深入探讨RFID天线工作原理，并设计一种远距离RFID读写天线方案】
2.2.3 天线品质因数 Q
对于电感耦合式射频识别系统的天线 。 在其尺寸不变的情况下 ， Q 值越大意味着天线线圈中的电流强度越大 ， 输出功率越强 ， 读写距离就越远 。 品质因数 Q 的计算公式为：
式中 ， f0 是工作频率（13.56MHz） ， L 是天线的等效电感 ， R 是天线的等效并联电阻 。 通过 p 很容易计算出天线带宽 B：
由式（2）可看出 ， 天线的传输带宽 B 与品质因数 Q 成反比 。 因此 ， 过高的品质因数将导致带宽缩小 ， 降低读写器的调制边带信号幅度 ， 导致读写器无法与标签通信 。 天线 Q 值与 3dB 带宽的关系曲线如图 3 所示 。 由图 3 可看出：环形天线与 50Ω的负载相连时 ， 其 Q 值最好不超过 30 。 为了优化天线的性能 。 读写器匹配电路的驻波比应小于 1：1.2 。
本文插图
天线设计完成后 ， 使用矢量网络分析仪测量天线品质因数及带宽 。 若带宽不符合要求 ， 可加并联电阻调整 。
设天线的谐振电阻为 Rpor ， 理想品质因数为 Qreqtuired ， 则：
假设利用频谱分析仪实测的天线品质因数为 Qreqtuired ， 则相应天线的阻抗为：
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