無線電子標簽讀寫器天線的研究

牛國柱,梁海燕,孫 罡

（南京理工大學，江蘇 南京 210094）

0 引 言

射頻識別技術（radio frequency identification，RFID）是20世紀80年代興起的一種自動識別技術，是一種利用射頻信號通過空間耦合實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。RFID系統主要由應答器（電子標簽）和讀寫器組成。隨著RFID技術的發展，讀寫器的需求也越來越大。在短距離條件下，低頻的RFID系統由于它的信號衰減小、穿透力強、可精確控制工作距離、避免對其他電子產品產生電磁干擾、低功耗等優點，從而被廣泛應用[1]。

在RFID應用系統中，讀寫器天線的設計尤其重要，讀寫器天線的結構會對RFID系統的讀寫距離產生影響，反過來，天線的工作頻率也決定了天線的尺寸大小等。因此，RFID天線設計的好壞關系到整個RFID系統設計的成功與否，另外將應答器及讀寫器置于金屬環境中也會對RFID系統的讀寫距離產生影響。該文主要討論工作在低頻段，典型值為125kHz的讀寫器天線的設計，對讀寫器天線參數以及金屬環境對天線性能的影響進行了分析[2-3]。

1 天線原理

天線是一種以電磁波形式把前端射頻信號功率接收或輻射出去的裝置，是電路與空間的界面器件，用來實現導行波與自由空間波能量的轉換。根據天線在系統中的不同功能和作用，RFID中的天線可分為標簽天線（tag antenna）和讀寫器天線（reader antenna）。讀寫器天線用于產生磁通量Φ，而磁通量用于向應答器提供電源并在閱讀器和應答器之間傳送信息。因此，對讀寫器天線的構造就有了3個基本要求[1]：

（1）使天線線圈的電流I最大，用于產生最大的磁通量Φ。

（2）功率匹配，以最大程度地利用產生磁通量的可用能量。

（3）足夠的帶寬，以無失真地傳送用數據調制的載波信號。

2 天線的基本理論

2.1 磁場強度

運動的電荷或電流會產生磁場，磁場的大小用磁場強度H來表示，RFID天線的工作距離與天線線圈電流產生的磁場強度緊密相關。圓形線圈的磁場強度可用式（1）來決定：

式中：N——線圈匝數；

R——天線半徑；

x——沿x方向與線圈中心的距離；

I——電流強度。

式（1）的有效邊界條件為 d＜＜R 而 x＜λ/2π，其中d為使用的導體的直徑，λ為電磁波的波長。

圖1給出了3種不同天線在距離為0～10 m下的場強曲線H（x）。在每種情況下，線圈匝數和天線電流均保持不變，區別僅僅是天線的半徑R不同?？梢钥闯?，在與天線線圈距離很?。▁＜R）的情況下，場強基本保持不變，較小的天線在其中心（距離為0）處呈現出較高的場強，而較大的天線在較遠的距離（x＞R）處的場強明顯較高。

圖2給出了在3個不同的距離下（x=10，20，30cm）磁場強度隨線圈半徑的變化曲線。由圖可以看出，當x＜R時，場強H急劇上升；當x=R時，場強H達到最大值；當x＞R時，場強成比例下降[4]。

圖1 磁場強度隨距離變化曲線

圖2 磁場強度隨天線半徑變化曲線

2.2 諧振理論

對于系統工作在天線近場的頻率為125kHz的天線，標簽所需的能量是通過電感耦合方式由讀寫器的耦合線圈輻射近場獲得。由于在近場不涉及電磁波傳播的問題，天線設計比較簡單，一般采用工藝簡單的線圈型天線。

式中：L——天線自身的電感值；

C——調諧電容。

可以通過選擇適當的線圈和電容，使得諧振頻率與閱讀器的工作頻率相同[5]。

3 天線參數對天線性能的影響

3.1 天線尺寸

讀寫器天線的尺寸大小是根據讀寫距離x確定的。天線是用銅制漆包線繞制而成的，天線線圈的直徑遠大于漆包線的直徑，所以天線的電感值可估算為

式中：A——天線線圈內徑；

D——漆包線的直徑；

N——繞制線圈的匝數。

通過改變線圈的匝數可以調節天線的電感值[6]。

現在選用電感值為735μH的天線，通過改變天線的內部直徑，測試天線的讀寫距離，其中繞制的銅線半徑為0.236 mm，結果如表1所示。對表1中數據進行分析可以發現，天線的讀寫距離大約為天線內部直徑的2倍。

表1 天線讀寫距離隨天線內部直徑的變化

3.2 品質因數

品質因數Q也是天線設計的一個重要參數，它是指電感在某一頻率的交流電壓工作時，所呈現的感抗與其等效損耗電阻值之比。Q值的計算由天線的電感值和電阻決定：

式中：Rdriνer——驅動電阻，值為3.5Ω；

Ra——電流自適應電阻；

Rcopper——天線線圈的阻值；

Rrf——金屬部分邊緣電流損耗引起的阻值。Rcopper+Rrf的值可用萬用表測得約為6Ω，因此可以通過改變Ra的值來改變Q值[7]。

現在保持天線的電感值為735μH，工作頻率為125kHz，通過改變Ra的值來改變Q值，并測試天線的讀寫距離，結果如表2所示。

3.3 天線電感

表3 天線讀寫距離隨天線電感值的變化

對表3中數據進行分析可以發現，天線電感值對天線的讀寫距離影響并不大，因此可以根據已有的調諧電容來選擇合適的天線電感值，一般推薦值為700μH左右。

4 金屬環境對天線性能的影響

天線附近的金屬會給天線性能帶來負面影響，磁場不能穿透金屬等導磁材料，金屬物附近磁力線形狀會發生改變；而且由于磁場能會在金屬表面引起渦流，渦流會產生抵抗激勵的磁通量，導致金屬表面磁通量大大衰減，讀寫器天線發出的能量被金屬吸收，讀寫距離就會大大減小。

通過實驗來具體測試在不同金屬環境下天線的讀寫距離，選用電感值為735μH，內部直徑為1.2cm，工作頻率為125kHz的天線。

（1）測試在讀寫器及天線距離金屬板不同距離下的天線讀寫距離，安裝方式如圖3所示，天線固定在讀寫器的正面，金屬板為不銹鋼金屬[8]，測試結果如表4所示。

（2）將讀寫器及天線分別安裝于不銹鋼金屬和鋁金屬支架上測試天線的讀寫距離，其中墊高距離都為3mm[9]，測試結果如表5所示。

圖3 天線安裝示意圖

表4 在不同墊高距離下天線的讀寫距離

表5 不同金屬材料下天線的讀寫距離

圖4 安裝金屬板不同開孔直徑下天線的讀寫距離

（3）將讀寫器及天線分別安裝于不同開孔大小的不銹鋼金屬板上，墊高距離都為3 mm，測試結果如圖4所示。

由圖4可以看出，金屬板開孔大小對天線讀寫距離的影響并不大。因此，在實際環境中可由其他條件來決定開孔的大小。

（4）應答器的安裝方式也對讀寫器天線的讀寫距離產生影響。一般來說，應答器要安裝在金屬箱上，如果把應答器直接貼在金屬表面，會干涉讀寫器和應答器形成的交變磁場，使得讀寫距離大大減小，因此一般采用開孔的安裝方式[10]。應答器安裝金屬板開孔大小對讀寫器工作距離的影響，測試結果如圖5所示。

圖5 應答器安裝孔不同直徑下天線的讀寫距離

由圖5可以看出，當金屬板開孔直徑達到15mm，天線的讀寫距離不再變化。

5 結束語

介紹了RFID天線的理論基礎，通過對比實驗總結了天線的主要參數（天線的尺寸、品質因數、電感值）以及金屬環境對天線性能的影響，并給出了相應的關系：天線的讀寫距離大約為天線內部直徑的2倍；品質因數的大小最好在13～20之間；最佳電感值為700 μH；讀寫器與金屬板的距離、金屬材料以及應答器安裝孔的大小會對天線的性能產生影響。

可通過以下4種方法來提高天線的性能：

（1）天線讀寫距離大約為天線內部直徑的2倍，在允許的條件下，盡可能選用大尺寸的天線；

（2）選擇合適的Q值，既不能太大也不能過小，一般來說，Q值選擇20；

（3）讀寫器天線應盡可能遠離金屬，如不能避免在金屬環境中，應選擇墊高安裝；

（4）應答器采用內嵌的安裝方式，且金屬板開孔直徑大于15mm。

[1] Finkenzeller K.射頻識別（RFID）技術[M].2版.陳大才,譯.北京：電子工業出版社，2008.

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[3] 張貴艷，張明揚.遠距離RFID讀寫天線的研究[J].電子設計工程，2009，17（10）：18-19.

[4] 姚平，黃健，劉殿金，等.RFID系統天線設計[J].電子技術，2009（21）：164-166.

[5] 劉殿金.自助式機器機柜監控模塊設計[D].南京：南京理工大學，2009.

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[8]Adams D.如何讓RFID在金屬環境下工作[EB/OL].劉艾秋，譯.[2010-06-02].http：∥www.enet.com.cn/article/2006/0901/A20060901179946.shtml.

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[10]宮磊.從RFID的物理特性分析用在金屬上的可行方案[EB/OL].[2010-06-02].http：∥www.newmaker.com/art_12585.html.