RFID射頻天線(xiàn)選擇技巧解讀

在RF裝置中，工作頻率增加到微波區域的時(shí)候，天線(xiàn)與標簽芯片之間的匹配問(wèn)題變得更加嚴峻。天線(xiàn)的目標是傳輸最大的能量進(jìn)出標簽芯片。這需要仔細的設計天線(xiàn)和自由空間以及其相連的標簽芯片的匹配。本文考慮的頻帶是435MHz，2.45 GHz 和 5.8 GHz，在零售商品中使用。

格洛博電子公司首席工程師認為天線(xiàn)必須：

足夠的小以至于能夠貼到需要的物品上；

有全向或半球覆蓋的方向性；

提供最大可能的信號給標簽的芯片；

無(wú)論物品什么方向，天線(xiàn)的極化都能與讀卡機的詢(xún)問(wèn)信號相匹配；

具有魯棒性；

非常便宜。

在選擇天線(xiàn)的時(shí)候的主要考慮是：

天線(xiàn)的類(lèi)型；

天線(xiàn)的阻抗；

在應用到物品上的RF的性能；

在有其他的物品圍繞貼標簽物品時(shí)的RF性能。

可能的選擇

這里有兩種使用方式：

一）貼標簽的物品被放在倉庫中，有一個(gè)便攜裝置，可能是手持式，詢(xún)問(wèn)所有的物品，并且需要它們給予信息反饋信息；

二）在倉庫的門(mén)口安裝讀卡設配，詢(xún)問(wèn)并記錄進(jìn)出物品。還有一個(gè)主要的選擇是有源標簽還是無(wú)源標簽。

可選的天線(xiàn)

在435 MHz，2.45 GHz 和 5.8 GHz頻率是用的RFID系統中，可選的天線(xiàn)有幾種，見(jiàn)下表，它們重點(diǎn)考慮了天線(xiàn)的尺寸。這樣的小天線(xiàn)的增益是有限的，增益的大小取決于輻射模式的類(lèi)型，全向的天線(xiàn)具有峰值增益0到2dBi；方向性的天線(xiàn)的增益可以達到6dBi。增益大小影響天線(xiàn)的作用距離。下表中的前三個(gè)種類(lèi)的天線(xiàn)是線(xiàn)極化的，但是微帶面天線(xiàn)可以使圓極化的，對數螺旋天線(xiàn)僅僅是圓極化的。由于RFID標簽的方向性是不可控的，所以讀卡機必須是圓極化的。一個(gè)圓極化的標簽天線(xiàn)可以產(chǎn)生3dB 以強的信號。

阻抗問(wèn)題

為了最大功率傳輸，天線(xiàn)后的芯片的輸入阻抗必須和天線(xiàn)的輸出阻抗匹配。幾十年來(lái)，設計天線(xiàn)與50 或70歐姆的阻抗匹配，但是可能設計天線(xiàn)具有其他的特性阻抗。例如，一個(gè)縫隙天線(xiàn)可以設計具有幾百歐姆的阻抗。一個(gè)折疊偶極子的阻抗可以是一做個(gè)標準半波偶極子阻抗的20倍。印刷貼片天線(xiàn)的引出點(diǎn)能夠提供一個(gè)很寬范圍的阻抗(通常是40 到100歐姆)。選擇天線(xiàn)的類(lèi)型，以至于它的阻抗能夠和標簽芯片的輸入阻抗匹配是十分關(guān)鍵的。另一個(gè)問(wèn)題是其他的與天線(xiàn)接近的物體可以降低天線(xiàn)的返回損耗。對于全向天線(xiàn)，例如雙偶極子天線(xiàn)，這個(gè)影響是顯著(zhù)的。改變雙偶極子天線(xiàn)和一聽(tīng)番茄醬的間距做了一些實(shí)際測量，顯示了一些變化。其他的物體也有相似的影響。此外是物體的介電常數，而不是金屬，改變了諧振頻率。一塑料瓶子水降低了最小返回損耗頻率16%。當物體與天線(xiàn)的距離小于62.5mm的時(shí)候，返回損耗將導致一個(gè)3.0 dB的插入損耗，而天線(xiàn)的自由空間插入損耗才0.2dB?？梢栽O計天線(xiàn)使它與接近物體的情況相匹配，但是天線(xiàn)的行為對于不同的物體和不同的物體距離而不同。對于全向天線(xiàn)是不可行的，所以設計方向性強的天線(xiàn)，它們不受這個(gè)問(wèn)題的影響。

輻射模式

在一個(gè)無(wú)反射的環(huán)境中測試了天線(xiàn)的模式，包括了各種需要貼標簽的物體，在使用全向天線(xiàn)的時(shí)候性能?chē)乐叵陆?。圓柱金屬聽(tīng)引起的性能下降是最嚴重的，在它與天線(xiàn)距離50mm的時(shí)候，反回的信號下降大于20dB。天線(xiàn)與物體的中心距離分開(kāi)到100--150mm的時(shí)候，反回信號下降約10 到12dB。在與天線(xiàn)距離100mm的時(shí)候，測量了幾瓶水（塑料和玻璃），反回信號降低大于10dB。在蠟紙盒的液體，甚至蘋(píng)果上做試驗得到了類(lèi)似的結果。

局部結構的影響

在使用手持的儀器的時(shí)候，大量的其他臨近物體的使讀卡機天線(xiàn)和標簽天線(xiàn)的輻射模式嚴重失真。這可以對于2.45GHz的工作頻率計算，假設一個(gè)代表性的幾何形狀，和自由空間相比，顯示返回信號降低了10dB，在雙天線(xiàn)同時(shí)使用的時(shí)候，比預料的模式下降的更多。在倉庫的使用環(huán)境下，一個(gè)物品盒子具有一個(gè)標簽會(huì )有問(wèn)題，幾個(gè)標簽貼在一個(gè)盒子上以確保所有時(shí)候都有一個(gè)標簽是可以看見(jiàn)的。便攜系統的使用有幾個(gè)天線(xiàn)的問(wèn)題。每個(gè)盒子兩個(gè)天線(xiàn)足夠適合門(mén)禁裝置探測，這樣局部結構的影響變得不再重要，因為門(mén)禁裝置的讀卡機天線(xiàn)被固定在倉庫的出入，并且直接指向貼標簽的物體。

距 離

RFID天線(xiàn)的增益和是否使用有源的標簽芯片將影響系統的使用距離。樂(lè )觀(guān)的考慮，在電磁場(chǎng)的輻射強度符合UK的相關(guān)標準時(shí)，2.45GHz 的無(wú)源情況下，全波整流，驅動(dòng)電壓不大于3伏，優(yōu)化的RFID天線(xiàn)阻抗環(huán)境(阻抗 200 或300歐姆)，使用距離大約是1米。如果使用WHO限制則更適合于全球范圍的使用，但是作用距離下降了一半。這些限制了讀卡機到標簽的電磁場(chǎng)功率。作用距離隨著(zhù)頻率升高而下降。如果使用有源芯片作用距離可以達到5到10米。

總 結

全向天線(xiàn)應該避免在標簽中使用，然而是可以使用方向性天線(xiàn)，它具有更少的輻射模式和返回損耗的干擾。天線(xiàn)類(lèi)型的選擇必須使它的阻抗與自由空間和ASIC匹配。在一個(gè)倉庫中使用天線(xiàn)好像是不可行的，除非使用有源標簽，但是在任何情況下，倉庫內的天線(xiàn)輻射模式將嚴重失真。一個(gè)門(mén)禁系統的使用將是好的選擇，可以使用短作用距離的無(wú)源標簽。當然門(mén)禁系統比手持的儀器昂貴，但是手持儀器工作人員需要使用它到倉庫搜尋物品，人員費用同樣昂貴。在門(mén)禁系統中，每一個(gè)物品盒子，僅需要2個(gè)而不是4個(gè)或6個(gè)RFID標簽。