RFID读写器天线的研究与设计

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1、RFID读写器天线的研究与设计郑杰，徐晶（华中科技大学电信系，武汉430074）来源：微计算机信息摘要：本文简要介绍了RFID技术的基本工作原理，指出天线设计是RFID系统设计的关键部分。然后介绍了RFID读写器天线的基本工作原理，指明其相应的物理基础，说明了天线设计的基本步骤，并给出了一些优化措施。关键词：RFID；读写器；天线；磁通量1．引言RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识

2、别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。通常情况下，RFID读写器发送的频率称为RFID系统的工作频率或载波频率。对于所设计的工作于高频13.56MHz的RFID读写器，其标签采用的是能量来源于读写器电磁场的无源标签。基本的工作原理是采用电磁耦合的方式使得标签从读写器耦合线圈的辐射近场中获得能量，从而达到与读写器进行数据交换的目的，这一过程如图1-1所示。1图1-1RFID读写器与标签耦合示意图由此可见，在该无源电感耦合式射频识别系统中，读写器的天线起着重

3、要作用。一方面,无源的RFID标签要启动电路工作需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面,天线决定了RFID标签与读写器之间的通讯信道和通讯方式。因此研究该13.56MHzRFID系统的天线设计有着重要的意义，本文旨在对该系统的天线设计做一个综合性的研究与说明。2．天线设计的物理基础对于一个RFID系统，当其所处理的标签进入到读写器的电磁场范围后，标签天线上就会产生感应电压，从而开始对存储电容充电，当充电达到了一定的电荷量以后标签芯片就可以开始工作，这一过程可以通过电感变压器模型来进行模拟，如图2-1

4、所示。图2-1读写器与标签间的等效电路图读写器通过天线将电磁场能量传递给标签。常见的一般都是环形天线，这种天线是边长为a的方形导体回路。假设在离该天线中心垂直距离为x处的磁感应强度为B，那么B的大2小可以通过①式来进行计算：2μ0NIaB=①2aa2222[π++x()x]22−7式中：μ为自由空间的介电常数(μπ=×410/Hm)；N为环形天线的匝数；I为00环形天线中的电流。22我们注意到，当x>>a时，①式可以简化为：2μ0NIaB=3②2πx由此可以得到一个结论，即某一点处的磁感应强度B与该点距环形天线中心的距离x

5、3有关，B反比于x。随着x的增大B会非常迅速的减小，这也就是RFID系统读写距离受限的主要原因。由电磁感应定律可知，标签天线上的感应电压为：dΦVN=−③dt式中：N为标签天线线圈的匝数；Φ为穿过标签天线的磁通量。假设标签天线的面积为S，α为读写器天线产生的磁感应强度B与标签天线的夹角。o显然，当读写器天线与标签天线平行，即α＝90时，Φ全部穿过标签天线，由此得到标签天线上产生的最大感应电压：2μπNN()bdi012V=−④223/22(ax+)dt式中：V为标签天线上的感应电压；N为读写器天线的线圈匝数；N为标签天线的

6、12线圈匝数；a为读写器环形天线的边长；b为标签天线的边长；x为读写器天线与标签天线间的距离；i为流经读写器天线的瞬时电流。由①式和④式可以推得读写器的磁场在标签天线上产生的感应直流电压V：DC3Vf=2sπNSQBinα⑤DC式中：N为标签线圈的线圈匝数；S为标签天线的面积；Q为标签线圈的品质因数。3．天线的设计与优化3.1安培匝数NI最小观察①式，当一个RFID系统正常工作时所需要的磁感应强度B一定时，安培匝数NI由环形天线的边长a与标签与读写器天线的距离x来共同决定。对①式做如下变换：2aa2222[πBx++()x

7、]22NI=2⑥μ0a由⑤式可知，要增加RFID系统的读写距离，可以增加标签天线产生的感应电压，亦即需要增加磁感应强度B的大小；由⑥式知可以通过增加NI来到达增加B的目的。但是在实际运用中增大NI会带来一些负面影响。因此，有必要在使读写器产生的磁感应强度B尽可能大的情况下保持NI尽可能小。下面以环形天线为例来定量的说明天线大小与安培匝数NI的关系。观察⑥式，此为NI关于天线边长a的一个方程。为了求得NI与a的关系，对⑥式右边部分对a求导，并令其为0，可得：22当ax=+(225)⑦时，NI取得最小值。通过⑦式不难理解当读写

8、距离x增大时，要保证NI尽可能小，必然要增加天线的边长，这样就会造成上述所说的负面影响。所以NI和a都要尽可能的小必然会造成矛盾，这样就需要折衷考虑，使得NI和a取一个合适的值而不会给RFID读写器系统的成本和读写距离效率等带来太大的影响。43.2天线的品质因数天线的性能与它的品质因数Q有关。一般而言，