一種RFID系統天線(xiàn)的設計和實(shí)現

射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification,縮寫(xiě)RFID)，射頻識別技術(shù)是20世紀90年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識別技術(shù)，射頻識別技術(shù)是一項利用射頻信號通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)。RFID應用將繼續以供應物流領(lǐng)域為主，在這個(gè)領(lǐng)域用RFID收發(fā)器進(jìn)行包括各種各樣的可移動(dòng)貨物/產(chǎn)品的記錄和跟蹤，在RFID收發(fā)器(信用卡大小的塑料/紙標簽，內含芯片、射頻部分和天線(xiàn))上的必要存儲將繼續成為主要的應用。另外的一個(gè)可能應用就是將收發(fā)器標簽貼到紡織品、藥品包裝或者甚至是單個(gè)藥盒內。然而，未來(lái)RFID還將被用在如地方公共交通、汽車(chē)遙控鑰匙、傳送輪胎氣壓以及在移動(dòng)電話(huà)等領(lǐng)域內。本文主要通過(guò)實(shí)際工作中對于各種RFID讀寫(xiě)系統的對比，總結研究RFID讀寫(xiě)器天線(xiàn)設計中比較實(shí)用的方法。

1 實(shí)際RFID天線(xiàn)設計主要考慮物理參量

1.1 磁場(chǎng)強度

磁場(chǎng)強度是線(xiàn)圈安匝數的一個(gè)表征量，反映磁場(chǎng)的源強弱。磁感應強度則表示磁場(chǎng)源在特定環(huán)境下的效果。打個(gè)不恰當的比方，你用一個(gè)固定的力去移動(dòng)一個(gè)物體，但實(shí)際對物體產(chǎn)生的效果并不一樣，比如你是借助于工具的，也可能你使力的位置不同或方向不同。對你來(lái)說(shuō)你用了一個(gè)確定的力。而對物體卻有一個(gè)實(shí)際的感受，你作用的力好比磁場(chǎng)強度，而物體的實(shí)際感受好比磁感應強度。它定義為磁通密度[1]B除以真空磁導率μ0再減去磁化強度μ，即 -μH為矢量。這樣，在恒定磁場(chǎng)中磁場(chǎng)強度的閉合環(huán)路積分僅與環(huán)路所鏈環(huán)的傳導電流Ic有關(guān)而不含束縛分子電流。

運動(dòng)的電荷或者說(shuō)電流會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小用磁場(chǎng)強度來(lái)表示。RFID天線(xiàn)的作用距離，與天線(xiàn)線(xiàn)圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度緊密相關(guān)。

圓形線(xiàn)圈的磁場(chǎng)強度(在近場(chǎng)耦合有效的前提下，近場(chǎng)耦合有效與否的判斷在1.3節)可用式(1)進(jìn)行計算：

式中：H是磁場(chǎng)強度;I是電流強度;N為匝數;R為天線(xiàn)半徑;x為作用距離。

對于邊長(cháng)ab的矩形導體回路，在距離為x處的磁場(chǎng)強度曲線(xiàn)可用下式計算。

結果證實(shí)：在與天線(xiàn)線(xiàn)圈距離很小(x

1.2 最佳天線(xiàn)直徑

在與發(fā)射天線(xiàn)的距離x為常數并簡(jiǎn)單地假定發(fā)射天線(xiàn)線(xiàn)圈中電流I不變的情況下，如果改變發(fā)送天線(xiàn)的半徑R時(shí)，就可以根據距離x與天線(xiàn)半徑R之間的關(guān)系得到最大的磁場(chǎng)強度H.這意味著(zhù)：對于每種射頻識別系統的閱讀器作用距離都對應有一個(gè)最佳的天線(xiàn)半徑R.如果選擇的天線(xiàn)半徑過(guò)大，那么在與發(fā)射天線(xiàn)的距離x=0處，磁場(chǎng)強度是很小的;相反，如果天線(xiàn)半徑的選擇太小，那么其磁場(chǎng)強度則以z的三次方的比例衰減，如圖2所示。

不同的閱讀器作用距離，有著(zhù)不同的天線(xiàn)最佳半徑，它對應著(zhù)磁場(chǎng)強度曲線(xiàn)最大值。

從數學(xué)上來(lái)說(shuō)，也即對R求導，如式(3)所示：

從公式的零點(diǎn)中計算是拐點(diǎn)以及函數的最大值。

發(fā)射天線(xiàn)的最佳半徑對應于最大期望閱讀器的2孺值。第二個(gè)零點(diǎn)的負號表示導電路的磁場(chǎng)強度在x軸的兩個(gè)方向傳播。這里需要指出的是，使用此式的前提條件，是近場(chǎng)耦合有效。下面簡(jiǎn)介近場(chǎng)耦合的概念。

1.3 近場(chǎng)耦合

真正使用前面所提到的公式時(shí)，有效的邊界條件為：

d《R以及xλ/2π，原因是當超出上述范圍時(shí)，近場(chǎng)耦合便失去作用了，開(kāi)始過(guò)渡到遠距離的電磁場(chǎng)。一個(gè)導體回路上的初始磁場(chǎng)是從天線(xiàn)上開(kāi)始的。在磁場(chǎng)的傳輸過(guò)程中，由于感應的增加也形成電場(chǎng)。這樣，最原始的純磁場(chǎng)就連續不斷地轉換成了電磁場(chǎng)。當距離大于λ/2π的時(shí)候，電磁場(chǎng)最終擺脫天線(xiàn)，并作為電磁波進(jìn)入空間。在作為電磁波進(jìn)入空間之前的這個(gè)范圍，就叫做天線(xiàn)的近場(chǎng)，本文所涉及的RFID天線(xiàn)設計，是基于近場(chǎng)耦合的概念。所以距離應當限定在上述的范圍之內。

1.4 調諧

RFID系統讀寫(xiě)器可以等效為一個(gè)R-L-C串聯(lián)電路，其中R為繞線(xiàn)線(xiàn)圈的電阻，L為天線(xiàn)自身的電感。一般調諧過(guò)程當中，由于天線(xiàn)線(xiàn)圈本身的電容對于諧振的影響很小，可以忽略不計，故為了使閱讀器在工作頻率下天線(xiàn)線(xiàn)圈獲得最大的電流，需要外加一個(gè)電容C,完成對天線(xiàn)的調諧，達到這一目的。而調諧電容，天線(xiàn)的電感以及工作頻率之間的關(guān)系，可以通過(guò)以下湯姆遜公式求得，即：

1.5 電感的估算

電感器(電感線(xiàn)圈)和變壓器均是用絕緣導線(xiàn)(例如漆包線(xiàn)、紗包線(xiàn)等)繞制而成的電磁感應元件，也是電子電路中常用的元器件之一，相關(guān)產(chǎn)品如共模濾波器等。線(xiàn)圈中有電流通過(guò)時(shí)，線(xiàn)圈的周?chē)蜁?huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)。當線(xiàn)圈中電流發(fā)生變化時(shí)，其周?chē)拇艌?chǎng)也產(chǎn)生相應的變化，此變化的磁場(chǎng)可使線(xiàn)圈自身產(chǎn)生感應電動(dòng)勢(電動(dòng)勢用以表示有源元件理想電源的端電壓)，這就是自感。兩個(gè)電感線(xiàn)圈相互靠近時(shí)，一個(gè)電感線(xiàn)圈的磁場(chǎng)變化將影響另一個(gè)電感線(xiàn)圈，這種影響就是互感?；ジ械拇笮∪Q于電感線(xiàn)圈的自感與兩個(gè)電感線(xiàn)圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。