RFID電子標簽天線設計分析范文
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摘要：本文基于低頻rfid通信電磁感應原理、諧振電路原理、多層線圈的電感計算公式推導出低頻無源RFID電子標簽識讀距離計算公式，提出提高低頻無源電子標簽識讀距離的方法，實驗結果驗證了遠距離低頻標簽天線設計方法的正確性和可行性。
關鍵詞：低頻；射頻識別；應答器；天線；線圈；電感；寄生電容
無源低頻RFID電子標簽的工作頻率為120kHz~135kHz，因為其穿透力很強，可適應于液體、人體組織、建筑物等，標簽識讀性能力不受環(huán)境影響，因此在動物管理中有廣泛應用，但無源低頻RFID電子標簽是通過磁場耦合實現(xiàn)與標簽識讀器之間的通信，磁場在自由空間傳播衰減很快，因此該電子標簽的讀寫距離很短，通常在10cm以內(nèi)，該項缺陷嚴重限制了無源低頻RFID電子標簽的應用。本文提出一種遠距離無源低頻RFID電子標簽的設計，可以使無源低頻RFID電子標簽的讀距離增加到1米以上，使低頻電子標簽可以作為地埋式電子標簽，應用于地下管道管理，擴展無源低頻RFID電子標簽的應用。
1遠距離低頻RFID電子標簽原理
1.1識讀器終端天線的磁場無源低頻RFID電子標簽天線與識讀器天線之間的作用是基于電磁感應原理。當?shù)皖l電子標簽置于低頻標簽識讀器天線的電磁場中，電子標簽天線線圈上感應有電壓。電子標簽線圈上感應電壓的示意圖如圖1所示。如果識讀器線圈的匝數(shù)為N1，標簽天線線圈的匝數(shù)為N2，磁芯的相對導磁率為，線圈都為圓形，線圈的半徑分別為r1和r2，兩個線圈圓心之間的距離為d，兩個線圈平行放置，由法拉利電磁感應定律可以得到電子標簽線圈上感應的電壓為[1]：其中：ψ為穿過標簽天線回路的磁通量；M為識讀器天線和標簽天線兩個線圈之間的互感。1.2電子標簽諧振回路的輸出電壓電子標簽射頻前端采用并聯(lián)諧振電路，其等效電路如圖2所示。其中L1為識讀器天線電感，L2為標簽線圈電感，R2為標簽線圈的內(nèi)阻，C2為標簽的諧振電容，是標簽芯片片內(nèi)、片外諧振電容的總和，RL為標簽諧振回路的等效負載，是標簽芯片實際工作負載和諧振電容寄生的并聯(lián)電阻所產(chǎn)生負載的總和?；ジ蠱在L2上產(chǎn)生的電壓作為L2回路的信號源，等效回路的輸出電壓表達式為[2]：1.3多層圓環(huán)天線圈的電感為了在有限的空間中制作出大的電感，采用多層線圈是一種很有效的方法。圖3示出了多層圓形電感線圈的截面圖。1.4RFID電子標簽的識讀距離識讀范圍就是射頻識別的識讀器與標簽之間的最大通信距離，即標簽的識讀距離。若標簽識讀器天線的電流為I1=I1Msin(ωt)，由式（3）和式（6）、式（7）、式（9）可以得到標簽的識讀距離：其中，I1M為標簽識讀器天線的電流幅值，Vo為標簽芯片的最低工作電壓，RL0為標簽芯片的最低工作電壓時的等效負載，Vo和RL0與標簽芯片的靈敏度相關。式（10）中，第一項多項式為標簽識讀器天線的參數(shù)，每二項為電子標簽天線的參數(shù)，第三項為標簽芯片的參數(shù)，與芯片的靈敏度相關，標簽的讀距離與這些因素密切相關，因此為了提高標簽的識讀距離，需要從識讀器和標簽兩個方向進行改進。可以從識讀器天線的電流、線圈匝數(shù)、以及線圈尺寸方面進行改進，還可以從標簽天線的形狀尺寸方面進行改進，增大線圈半徑并且如果采用帶有鐵氧體磁芯的線圈，將會有更遠的識讀范圍。另外還可以從芯片方面進行改進，增大標簽芯片的諧振電容或在芯片外并聯(lián)一個或多個諧振電容并降低標簽芯片的最低工作電壓（降低標簽芯片的靈敏度），以及采用HDX（半雙工）通信方式有利于提高低頻電子標簽的識讀范圍。1.5線圈的寄生電容電感線圈的匝和匝之間、層和層之間不可避免的存在著分布電容，分布電容的存在將對線圈的其他電學量的有效值造成影響。在近距離的低頻電子標簽天線中，線圈較小，分布電容也較小，分布電容的影響較小，可以忽略不計，但在遠距離的低頻電子標簽天線中，線圈較大，其分布電容不可忽略。同一層的各匝線圈之間的分布電容稱為匝間電容Cc，不同層的各匝線圈之間的分布電容稱之為層間電容Cg，如圖4所示：如果匝數(shù)較多，同一層相鄰兩匝之間的電勢差會比較小，匝間電容儲存電荷會比較少。由圖4可知，從繞組端口A、B看，所有的匝間電容Cc都是串聯(lián)的，由于多個電容串聯(lián)后等效電容很小，因此在分析線圈總的分布電容時可以忽略匝間電容。而層與層間的電容Cg是并聯(lián)的，并聯(lián)后總電容等于各個電容值之和。經(jīng)過以上簡單分析，可以得出層間電容是線圈分布電容的主要部分。對于多層線圈，總的分布電容是多個層間分布電容的串聯(lián)。因此在繞組每層線圈匝數(shù)一定的情況下,繞組層數(shù)越多,等效分布電容就越小。多層繞制時，要使用“Z型”繞組[4]，每繞完一層后都要返回到起點開始繞下一層，旋繞方向相同，走線方向相同。盡可能選用電阻率低的高頻線，導線外層覆蓋有低介電常數(shù)的絕緣層，在線圈尺寸允許的情況下，優(yōu)先選用厚絕緣層的導線。
2實驗結果
基于無源低頻RFID電子標簽芯片，設計了一個遠距離的低頻電子標簽，諧振電容為2250pF，其天線為空心電感線圈，使用的導線為帶有絕緣外層的多股銅線，導線絕緣層的外徑為1mm，天線電感線圈的內(nèi)徑為200mm，采用Z形多層繞制方法。使用某公司的遠距離低頻標簽識讀器（工作頻率為134.2kHz）進行讀距離測試，測試結果為1.1米，相對于傳統(tǒng)低頻電子標簽10cm的讀距離，其識讀范圍有很大的提升。
3結論
提高無源低頻RFID電子標簽的識讀距離，需要從識讀器和標簽兩個方向進行改進。對于識讀器設備在確定條件下運行，標簽的識讀范圍受天線線圈的性能影響很大，長距離的識讀范圍要求大尺寸的天線線圈并適當增加標簽的諧振電容。如果選用帶有磁棒芯的線圈，可以使線圈結構更緊湊，并且使標簽的識讀范圍更遠。天線線圈要盡可能地減小寄生的分布電容。
作者：孔令榮 楊躍勝