中心議題：

• RFID讀寫天線的工作原理
• RFID讀寫天線的設計

解決方案：

• RFID讀寫天線各性能參數選擇

1 引言

射頻識別RFID(Radio Frequency IdentificatiON)是一種利用射頻通信實現的非接觸式自動識別技術。它利用射頻信號的空間耦合傳遞非接觸信息

，並通過所傳遞的信息識別對象。 RFID解決無源(卡中無電源)和免接觸兩大難題，實現運動目標識別
、多目標識別，其突出優點是環境適應性強
，能夠穿透非金屬材質，數據存儲量大，抗幹擾能力強。目(mu)前(qian)的(de)讀(du)寫(xie)器(qi)遠(yuan)遠(yuan)不(bu)能(neng)滿(man)足(zu)應(ying)用(yong)要(yao)求(qiu)，因(yin)此(ci)
，需(xu)要(yao)一(yi)款(kuan)遠(yuan)距(ju)離(li)讀(du)寫(xie)器(qi)配(pei)合(he)遠(yuan)距(ju)離(li)天(tian)線(xian)，實(shi)現(xian)遠(yuan)距(ju)離(li)水(shui)平(ping)或(huo)垂(chui)直(zhi)方(fang)向(xiang)的(de)讀(du)寫(xie)要(yao)求(qiu)。這(zhe)裏(li)給(gei)出(chu)一(yi)種(zhong)遠(yuan)距(ju)離(li) RFID讀寫天線的設計方案，采用射頻標簽專用讀寫器RI-R6C-001A，該器件要求天線阻抗為50 Ω
，頻率為13．56 MHz，因此采用_亡藝簡單
、低成本的PCB環形天線。

2 RFID讀寫天線的設計

2．1 RFID讀寫天線工作原理
天(tian)線(xian)是(shi)發(fa)射(she)和(he)接(jie)收(shou)射(she)頻(pin)載(zai)波(bo)信(xin)號(hao)的(de)設(she)備(bei)。在(zai)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)和(he)帶(dai)寬(kuan)確(que)定(ding)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)，天(tian)線(xian)發(fa)射(she)射(she)頻(pin)處(chu)理(li)模(mo)塊(kuai)產(chan)生(sheng)的(de)射(she)頻(pin)載(zai)波(bo)，並(bing)接(jie)收(shou)從(cong)標(biao)簽(qian)發(fa)射(she)或(huo)反(fan)射(she)的(de)射(she)頻(pin)載(zai)波(bo)，其(qi)作(zuo)用(yong)是(shi)產(chan)生(sheng)磁(ci)通(tong)量(liang)，為(wei)標(biao)簽(qian)(無源)提供電源
，並在讀寫器和標簽之間傳遞信息。天線性能的優劣對係統整體性能起著非常關鍵的作用。RFID天線的讀寫距離取決於諸多因素：天線的尺寸、方向性、天線的位置

、所處頻段的電氣特性及周圍環境等。

2．2 RFID讀寫天線各性能參數

2．2．1 電子標簽的方向性
由(you)於(yu)無(wu)源(yuan)電(dian)子(zi)標(biao)簽(qian)是(shi)通(tong)過(guo)與(yu)讀(du)寫(xie)器(qi)天(tian)線(xian)磁(ci)場(chang)耦(ou)合(he)來(lai)獲(huo)得(de)能(neng)量(liang)
，所(suo)以(yi)標(biao)簽(qian)的(de)方(fang)向(xiang)性(xing)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)耦(ou)合(he)係(xi)數(shu)，近(jin)而(er)影(ying)響(xiang)能(neng)量(liang)的(de)獲(huo)取(qu)和(he)通(tong)信(xin)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。當(dang)標(biao)簽(qian)的(de)方(fang)向(xiang)性(xing)和(he)讀(du)寫(xie)器(qi)天(tian)線(xian)處(chu)於(yu)最(zui)佳(jia)耦(ou)合(he)時(shi)
，磁(ci)力(li)線(xian)與(yu)電(dian)子(zi)標(biao)簽(qian)成(cheng)直(zhi)角(jiao)。電(dian)子(zi)標(biao)簽(qian)能(neng)夠(gou)獲(huo)得(de)最(zui)好(hao)的(de)讀(du)寫(xie)效(xiao)果(guo)。但(dan)是(shi)
，若(ruo)將(jiang)電(dian)子(zi)標(biao)簽(qian)移(yi)動(dong)到(dao)天(tian)線(xian)的(de)兩(liang)側(ce)，這(zhe)時(shi)標(biao)簽(qian)的(de)放(fang)置(zhi)位(wei)置(zhi)和(he)磁(ci)力(li)線(xian)方(fang)向(xiang)平(ping)行(xing)。此(ci)時(shi)方(fang)向(xiang)性(xing)最(zui)差(cha)
，讀(du)寫(xie)效(xiao)果(guo)也(ye)最(zui)差(cha)。圖(tu)1為天線的磁力線分布模擬圖。

2．2．2 天線盲區
由於環形天線的電磁場在其臨近區域分布不均勻，因此會出現讀寫盲區。如圖2中黑線勾勒出的範圍之外區域一般為單個天線的讀寫盲區。經反複實驗證明將電子標簽擺放位置轉到與最佳位置成40°角區域時，一般可正常讀寫操作。

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2．2．3 天線品質因數Q
對於電感耦合式射頻識別係統的天線．在其尺寸不變的情況下，Q值越大意味著天線線圈中的電流強度越大，輸出功率越強，讀寫距離就越遠。品質因數Q的計算公式為：

式中
，f0是工作頻率(13．56 MHz)，L是天線的等效電感，R是天線的等效並聯電阻。通過p很容易計算出天線帶寬B：

由式(2)可看出，天線的傳輸帶寬B與品質因數Q成反比。因此

，過高的品質因數將導致帶寬縮小，降低讀寫器的調製邊帶信號幅度，導致讀寫器無法與標簽通信。天線Q值與3 dB帶寬的關係曲線如圖3所示。由圖3可看出：環形天線與50 Ω的負載相連時，其Q值最好不超過30。為了優化天線的性能。讀寫器匹配電路的駐波比應小於1：1．2。

天線設計完成後，使用矢量網絡分析儀測量天線品質因數及帶寬。若帶寬不符合要求
，可加並聯電阻調整。

設天線的諧振電阻為Rpor，理想品質因數為Qreqtuired，則：

假設利用頻譜分析儀實測的天線品質因數為Qreqtuired
，則相應天線的阻抗為：

最終天線需要並聯電阻R：

該設計按以上步驟設計天線品質因數
，其Qrequired=30。

2．2．4 天線尺寸
一般情況下．duxieqishibiejuliyuduxieqidetianxianzhuangzhijicichangqiangduyouguan，tianxianyueda，shuchugonglvyueda，duxiejulijiuyueyuan。dansuizhetianxianchicunzengda，yechuxianleqitawenti：信噪比下降；為符合國內外的電磁兼容標準要求，可能需要實施電磁屏蔽措施；讀寫器天線的磁場回旋盲區將會擴張，在磁場盲區電子標簽無法作出響應：電(dian)子(zi)標(biao)簽(qian)的(de)天(tian)線(xian)與(yu)讀(du)寫(xie)器(qi)的(de)天(tian)線(xian)之(zhi)間(jian)匹(pi)配(pei)問(wen)題(ti)更(geng)難(nan)解(jie)決(jue)。如(ru)果(guo)電(dian)感(gan)太(tai)大(da)，甚(shen)至(zhi)可(ke)能(neng)無(wu)法(fa)解(jie)決(jue)。天(tian)線(xian)的(de)最(zui)大(da)幾(ji)何(he)尺(chi)寸(cun)同(tong)工(gong)作(zuo)波(bo)長(chang)之(zhi)間(jian)有(you)一(yi)個(ge)界(jie)限(xian)，一(yi)般(ban)定(ding)義(yi)為(wei)：

式中，L是天線的最大尺寸
，λ是工作波長。

對於13．6 MHz的射頻識別係統來說，天線的最大尺寸應選用50 cm左右。采用尺寸大小為50 cm×50 cm的單一天線讀寫器，當輻射功率達0．8 W時
，可實現50 cm的有效讀寫距離。若采用雙天線，則可實現超過1 m的有效讀寫距離。
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2．2．5 匹配網絡
本文研究的RFID讀寫器頻率為13．56 MHz，為有效抑製功率反射
、寄生輻射等高頻效應，通常是將讀寫器天線通過同軸電纜連接到讀寫器的高頻模塊，同軸電纜阻抗為50 Ω。因yin此ci
，天tian線xian的de阻zu抗kang匹pi配pei就jiu是shi通tong過guo一yi定ding的de無wu源yuan匹pi配pei電dian路lu來lai改gai變bian讀du寫xie器qi天tian線xian的de輸shu入ru阻zu抗kang，使shi其qi與yu同tong軸zhou電dian纜lan的de阻zu抗kang保bao持chi一yi致zhi
，這zhe樣yang就jiu可ke使shi能neng量liang通tong過guo同tong軸zhou電dian纜lan幾ji乎hu無wu損sun失shi的de從cong讀du寫xie器qi傳chuan送song出chu去qu。圖tu4為采用50 Ω技術的電感耦合式射頻識別係統電路。

3 結論

RFID讀寫器要實現遠距離讀寫功能關鍵在於天線的設計，通過研究RFID天線工作原理及其性能參數
，提出一種有效的天線設計優化方案，從而使讀寫器具有更遠的讀寫距離和更高的能量利用率。經實驗證明：RFID讀寫器配上優化後的遠距離射頻天線可使讀寫距離達到30 cm。