RFID读写器天线设计中比较实用的方法

RFID 读写器天线设计中比较实用的方法读写器天线设计中比较实用的方法 射频识别技术 Radio Frequency Identification 缩写 RFID 射频识别技术是 20 世纪 90 年代开始兴起的一种自动识别技术 射频识别技术是一项利用射频 信号通过空间耦 合 交变磁场或电磁场 实现无接触信息传递并通过所传递的 信息达到识别目的的技术 RFID 应用将继续以供应物流领域为主 在这个领域 用 RFID 收发器进 行包括各种各样的可移动货物 产品的记录和跟踪 在 RFID 收发器 信用卡大小的塑料 纸标签 内含芯片 射频部分和天线 上的必要存 储将继续成为主要的 应用 另外的一个可能应用就是将收发器标签贴到纺织品 药品包装或者甚至是单个药盒内 然而 未来 RFID 还将被用在如地方公共交 通 汽车遥控钥匙 传送 轮胎气压以及在移动电话等领域内 本文主要通过实 际工作中对于各种 RFID 读写系统的对比 总结研究 RFID 读写器天线设计中 比较实用的方法 1 实际实际 RFID 天线设计主要考虑物理参量天线设计主要考虑物理参量 1 1 磁场强度磁场强度 磁场强度是线圈安匝数的一个表征量 反映磁场的源强弱 磁感应强度则表示 磁场源在特定环境下的效果 打个不恰当的比方 你用一个固定的力去移动一 个物体 但实际对物体产生的效果并不一样 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 对你来说你用了一个确定的力 而对物体却有 一个实际的感受 你作用的力好比磁场强度 而物体的实际感受好比磁感应强 度 它定义为磁通密度 1 B 除以真空磁导率 0 再减去磁化强度 即 H 为 矢量 这样 在恒定磁场中磁场强度的闭合环路积分仅与环路所链环的传导电 流 Ic 有关而不含束缚分子电流 运动的电荷或者说电流会产生磁场 磁场的大小用磁场强度来表示 RFID 天线 的作用距离 与天线线圈电流所产生的磁场强度紧密相关 圆形线圈的磁场强度 在近场耦合有效的前提下 近场耦合有效与否的判断在 1 3 节 可用式 1 进行计算 式中 H 是磁场强度 I 是电流强度 N 为匝数 R 为天线半径 x 为作用距离 对于边长 ab 的矩形导体回路 在距离为 x 处的磁场强度曲线可用下式计算 结果证实 在与天线线圈距离很小 xR 处呈现出较高的磁场强度 在电感耦合式射 频识别系统的天线设计中 应当考虑这种效应 如图 1 所示 1 2 最佳天线直径最佳天线直径 在与发射天线的距离 x 为常数并简单地假定发射天线线圈中电流 I 不变的情况 下 如果改变发送天线的半径 R 时 就可以根据距离 x 与天线半径 R 之间的关 系得到最 大的磁场强度 H 这意味着 对于每种射频识别系统的阅读器作用距 离都对应有一个最佳的天线半径 R 如果选择的天线半径过大 那么在与发射天 线的距离 x 0 处 磁场强度是很小的 相反 如果天线半径的选择太小 那么 其磁场强度则以 z 的三次方的比例衰减 如图 2 所示 不同的阅读器作用距离 有着不同的天线最佳半径 它对应着磁场强度曲线最 大值 从数学上来说 也即对 R 求导 如式 3 所示 从公式的零点中计算是拐点以及函数的最大值 发射天线的最佳半径对应于最大期望阅读器的 2 孺值 第二个零点的负号表示 导电路的磁场强度在 x 轴的两个方向传播 这里需要指出的是 使用此式的前 提条件 是近场耦合有效 下面简介近场耦合的概念 1 3 近场耦合近场耦合 真正使用前面所提到的公式时 有效的边界条件为 d R 以及 x 2 原因是当超出上述范围时 近场耦合便失去作用了 开始 过渡到远距离的电磁场 一个导体回路上的初始磁场是从天线上开始的 在磁 场的传输过程中 由于感应的增加也形成电场 这样 最原始的纯磁场就连续 不断地转换成了电磁场 当距离大于 2 的时候 电磁场最终摆脱天线 并作 为电磁波进入空间 在作为电磁波进入空间之前的这个范围 就叫做天线的近 场 本文所涉及的 RFID 天线设计 是基于近场耦合的概念 所以距离应当限 定在上 述的范围之内 1 4 调谐调谐 RFID 系统读写器可以等效为一个 R L C 串联电路 其中 R 为绕线线圈的电阻 L 为天线自身的电感 一般调谐过程当中 由于天线线圈本身的电容对于谐振 的影响很小 可以忽略不计 故为了使阅读器在工作频率下天线线圈获得最大 的电流 需要外加一个电容 C 完成对天线的调谐 达到这一目的 而调谐电容 天线 的电感以及工作频率之间的关系 可以通过以下汤姆逊公式求得 即 1 5 电感的估算 电感器 电感线圈 和变压器均是用绝缘导线 例如漆包线 纱包线等 绕制 而成的电磁感应元件 也是电子电路中常用的元器件之一 相关产品如共模滤 波器等 线圈中有电流通过时 线圈的周围就会产生磁场 当线圈中电流发生 变化时 其周围的磁场也产生相应的变化 此变化的磁场可使线圈自身产生感 应电动势 电动势 用以表示有源元件理想电源的端电压 这就是自感 两个 电感线圈相互靠近时 一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈 这种 影响就是互感 互感的大小 取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度 利用此原理制成的元件叫做互感器 电感量值的物理意义是 在电流包围的总面积中产生的磁通量与导体回路包围 的电流强度之比 实际 RFID 天线调试的时候 读写器天线电感量值可以通过 阻抗分 析仪测出 在条件有限的情况下 也常采用估算公式进行估算 假定导 体的直径 d 与导体回路直径 D 之比很小 d D 0 001 则导体回路的电感可 简单地近似为 式中 N 为绕线天线的匝数 R 为天线线圈的半径 d 为导体的内径 0 为自 由空间磁导率 线圈匝数还有以下的近似公式进行估算 在实际应用中 两个公式可以进行对 照使用 式中 L 为线圈电感 单位为 nH A 为天线线圈包围面积 单位为 cm2 D 为导 线直径 单位为 cm 1 6 天线的品质因数天线的品质因数 天线的性能还与它的品质因数有关 Q 既影响能量的传输效率 也影响频率的 选择性 过高的 Q 值虽然能使天线的输出能量增大 但是同时 读写器的通带 特性也会 受到影响 所以在实际调节 Q 值的时候 要进行折中的考虑 调节 Q 值 是通过在 R L C 等效电路上面串接一个电阻 R1 实现的 具体的公式如 下 Q L R R1 8 2 实际调试实际调试 RFID 天线的设计需要考虑很多因素 上述几个是实际的调试过程中的重要物理 参量 明确了上述物理参量之后 在给定期望距离以及工作频率等 RFID 系统 要 求之后 在条件有限的情况下 就可以根据需要进行简单的 RFID 天线设计 了 下面给出一个应用于轨道交通的 RFID 天线设计的实际例子 此处设计一 个期望 最大作用距离为 1 cm 工作频率在 125 kHz 的绕线天线 系统要求阅读 器天线线圈的半径尽量小 不超过 1 cm 具体步骤如下 首先确定天线的最佳半径 不宜太大也不宜太小 理想的最佳天线半径应当为 期望作用距离的 2 倍 在实际设计的时候 应当根据设计需求在设计中进行折 衷的考 虑 在保证系统要求的前提下 尽可能地接近最佳值 本例中阅读器天 线的最佳半径应当为 1 4cm 但是考虑到系统对于天线半径尺寸的要求不超过 1 cm 所以实际中取半径为 0 8cm 在允许的条件下 为使效果更好 可以加入一 个带有适量铁氧体的天线骨架 天线以及阅读器板子 如图 3 所示 其次 再根据工作频率以及系统本身的要求确定电感量的大致范围 本系统中 取电感量在 600 800 H 再者 用电感量与匝数关系的经验公式大致估计绕线 的匝数 本例中 取电感量在 700 H 用直径为 0 27 mm 的铜导线进行绕制天 线 由公式 计算出匝数大概在 266 圈左右 绕完后 根据汤姆逊公式 选取所用的调谐电容 用相关的仪器 如频谱仪和矢量网络分析仪 测量出谐 振频率 这个时候 由于电感只是估算的 而且选用的匹配电容也是具有一定 标称值 的 并不能做到与计算一致 所以总是会存在误差 由于调谐的电容是已知的 而且有固定的标称值 可以根据汤姆逊公式由这个 时候测得的频率反推出在恰好达到此频率的时候所需要的电感的大小 即绕线 线圈电 感 看频率的偏移情况 按电感量估算公式逐步增加或者减少线圈匝数 直到达到指定的谐振频率 125 kHz 用矢量网络分析仪以及频谱仪测谐振频率的 实际图片如图 4 图 5 所示 3 结结 语语 根据矢量网络分析仪以及频谱分析仪的显示 本 RFID