RFID與天線設(shè)計(jì)問題探討

1、RFID與天線設(shè)計(jì)問題探討 在RFID的家族中，天線和RFID是同樣重要的成員，RFID和天線相互依存，不可分割。無論是閱讀還是標(biāo)簽，無論是HF還是UHF，都離不開天線。對于到底是先有RFID還是先有天線的問題，做射頻和天線的人馬上會跳出來說當(dāng)然是先有天線了。那么，大家有沒有想過是先有RFID天線還是先有RFID硬件呢?有沒有想過為什么HF的頻率是13.56MHz，而UHF的頻率是840M-960MHz呢?關(guān)于LF、HF、UHF等故事很多，我這里就針對UHF RFID來講一下是先有雞(天線)還是先有蛋(RFID)的故事。UHF RFID由來人們在長期使用條碼之后發(fā)現(xiàn)條碼有很多弊端，比如識別率比

2、較低，容易被污染。這個(gè)時(shí)候就想是不是有一種技術(shù)可以通過電磁波來實(shí)現(xiàn)通訊呢?因?yàn)殡姶挪ㄍㄓ嵅恍枰橘|(zhì)阻擋，不會出現(xiàn)無法識別的問題，加上電磁波的穿透能力可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)物品一起識別。有了這個(gè)想法的科學(xué)家們興奮了，就開始深入研究，發(fā)現(xiàn)條碼的尺寸基本固定一般寬高分別小于3英寸(7.5cm)、5英寸(12.5cm)，總面積小于12平方英寸(75cm*cm)。大家現(xiàn)在通過觀察UHF的標(biāo)簽可以發(fā)現(xiàn)，大部分面積都是天線只有中間的一個(gè)小黑點(diǎn)是芯片，也就是說這個(gè)RFID標(biāo)簽的大小主要是由天線尺寸決定的。既然已經(jīng)知道了天線尺寸那么就要選擇工作頻率了。人們通過一組測試數(shù)據(jù)最終確定了RFID的頻率。測試是這樣的：一個(gè)發(fā)射天

3、線，一個(gè)接收天線(接收天線就是今后的RFID天線)，其中發(fā)射天線的輸出功率一定，接收天線的尺寸一定，看在不同的頻率下接收天線能獲得多少能量，當(dāng)然如果設(shè)定了開啟閾值(今后的標(biāo)簽靈敏度)就相當(dāng)于頻率與距離的關(guān)系，如圖1所示為不同頻率下的工作距離圖。圖1 不同頻率下的工作距離圖從圖中可以看到，在頻率800-1G的情況下工作距離是最遠(yuǎn)的。其實(shí)早期的手機(jī)頻率也是在這個(gè)頻率范圍，就是因?yàn)樵缙诘氖謾C(jī)尺寸(早期的手機(jī)尺寸都很大，天線很長)也是這么大，最終做手機(jī)協(xié)議的科學(xué)家就定下了這個(gè)頻率。隨后的故事大家應(yīng)該都知道了，就是做RFID的科學(xué)家由于是晚于手機(jī)的制定，只好跟著做手機(jī)的科學(xué)家坐下來開了個(gè)會，從人家剩下的

4、頻段中找了一段給自己用。故事講完了，你就要發(fā)問了，為什么天線這么神奇，就只有這個(gè)800M-1GHz的頻率才工作距離遠(yuǎn)呢?我有兩種回答：一種是“這就是天意，是上帝創(chuàng)造出來的”;另外一種就是通過經(jīng)典天線原理或者麥克斯韋方程推算出來。比如通過標(biāo)準(zhǔn)偶極子天線長度與半波長尺寸相比擬，800MHZ-1GHz的半波長為15cm-18cm，有寬度的偶極子長度比半波長尺寸略小，可以認(rèn)為乘以一個(gè)系數(shù)0.8(寬度越大系數(shù)越小)，這樣就發(fā)現(xiàn)與12.5cm非常接近了。我個(gè)人建議大家多使用第一種方式來回答。最后插一句915MHz為無源超高頻最好工作頻段，美國那幫做RFID的科學(xué)家就很聰明選擇了902MHz到928MHz帶

5、寬中心頻率915MHz。也難怪UHF RFID創(chuàng)始在美國，最好的頻點(diǎn)在美國，最寬的帶寬也在美國。咱們中國的RFID科學(xué)家么也要加油，今后也創(chuàng)新出更牛的RFID協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)搶占先機(jī)。標(biāo)簽的工作距離(正向距離)關(guān)于前面的故事可能對大家在項(xiàng)目中關(guān)系不大，后面就給大家講一講大家最關(guān)心的一個(gè)問題：UHF RFID標(biāo)簽?zāi)茏x多遠(yuǎn)的問題。這個(gè)問題一直是令大家糾結(jié)的問題，同樣一個(gè)標(biāo)簽，有的人說能讀10米，有的說能讀3米，到底是怎樣的呢?到底讀取距離跟什么有關(guān)系呢?首先大家回憶一下，咱們討論UHF RFID標(biāo)簽讀取距離的時(shí)候，會考慮到的相關(guān)量：閱讀器的輸出功率范圍5-30，單位dBm;閱讀器的天線增益范圍2-12，

6、單位dBi。(注意圓極化和線極化，如果圓極化在計(jì)算距離的時(shí)候按照減去3的線極化計(jì)算，8dBi圓極化按照5dBi線極化計(jì)算);標(biāo)簽靈敏度范圍10-20，單位dBm;標(biāo)簽天線增益范圍10-2.5，單位 dBi;工作頻率(波長)范圍840M-960M，單位Hz。從經(jīng)驗(yàn)來看，一般情況下閱讀器的輸出功率越大、閱讀器天線增益越大、標(biāo)簽靈敏度越高、標(biāo)簽天線增益越大，整個(gè)系統(tǒng)的工作距離越遠(yuǎn)。那到底這個(gè)關(guān)系是如何計(jì)算的呢?請看下面的超級復(fù)雜但又超級重要的弗林斯(Friis)方程部分。Friis傳輸理論用于解釋并確定無線電通信線路中被無損耗且與負(fù)載匹配的天線所接收到的功率。如圖2所示，發(fā)射機(jī)將發(fā)射功率為的能量饋送

7、給具有增益為的發(fā)射天線，在距離R處有一接收天線，此接收天線的增益為 ，并設(shè)接收機(jī)由接收天線而接收到的功率為。圖2在自由空間，無損耗，極化匹配，端口匹配的情況下接收天線所接收到的信號功率為：這就是弗林斯傳輸公式。這個(gè)等式關(guān)系自由空間路徑損耗，天線增益和天線接收和發(fā)射功率。利用Friis自由空間傳輸公式可知，在任意給定R五個(gè)量中的任意四個(gè)量之后，剩余的一個(gè)量必定可求。若標(biāo)簽芯片的開啟功率門限值為，最大可讀距離(阻抗匹配的時(shí)候=1)那么下面我們就針對一組真實(shí)的例子來看看這個(gè)標(biāo)簽?zāi)茏x多遠(yuǎn)的問題。假如標(biāo)簽的接收靈敏度為-18dBm，閱讀器天線發(fā)射功率為17dBm，標(biāo)簽天線增益為2dBi，讀寫器天線增益為

8、8dBi，工作頻率為f =915MHz，且假定此時(shí)標(biāo)簽芯片與天線完全匹配，其工作距離根據(jù)公式可得：計(jì)算可得不同類型增益的標(biāo)簽天線對標(biāo)簽激活距離的影響隨閱讀器天線增益變化的曲線如圖3所示。無源反向散射RFID系統(tǒng)的標(biāo)簽激活距離既與標(biāo)簽天線增益有關(guān)，也與閱讀器天線增益有關(guān)。圖3天線的工作頻率對系統(tǒng)的讀取距離也有一定影響。通常，UHF RFID系統(tǒng)的工作頻率為842.5MHz、868MHz、915MHz、922.5MHz、953.5MHz等，針對這些頻率對應(yīng)的工作波長分別為0.356m、0.346m、0.328m、0.325m、0.315m。圖4UHF RFID系統(tǒng)的識別距離與其工作波長成正比。通過

9、使用較低的工作頻率，即較大的工作波長，可以增大系統(tǒng)的識別距離。天線工作頻率對識別距離的影響如圖所示，在圖4中，假定標(biāo)簽天線增益為2dBi。圖中曲線描述了工作頻率分別為842.5MHz、915MHz、953.5MHz時(shí)系統(tǒng)識別距離隨閱讀器天線增益變化的情況。閱讀器的靈敏度與距離(反向距離)由上面的方程大家就可以清楚的計(jì)算出來標(biāo)簽可以工作多遠(yuǎn)了。但是經(jīng)常有人問我，為什么這個(gè)讀寫器加大了功率反而工作距離變近了呢?這里就要談到另外一個(gè)指標(biāo)閱讀器靈敏度。剛剛的這個(gè)問題就是因?yàn)殚喿x器靈敏度差引起的。前面我們提到的Friis方程并總結(jié)的公式是針對正向距離的，如圖5所示，只是表示標(biāo)簽可以聽到閱讀器說的話，但是

10、不能說明閱讀器能聽到標(biāo)簽說的話從而完成對標(biāo)簽的識別工作。圖5這里要提出一個(gè)概念反向鏈路。其實(shí)任何一個(gè)無源系統(tǒng)都是由兩部分鏈路組成的，一部分是閱讀器發(fā)給標(biāo)簽的命令標(biāo)簽“聽到”了，另一部分是標(biāo)簽返回一個(gè)命令讓閱讀器“聽到”，這個(gè)鏈路就算完成了，也就是我們常說的讀到標(biāo)簽了。那么反向鏈路也就是閱讀器聽到的能量是多少呢?請看圖6。圖6這個(gè)圖很明確地表示出了閱讀器也要聽到標(biāo)簽“說的話”，由于標(biāo)簽是一個(gè)無源設(shè)備，返回的能量非常小，對閱讀器的靈敏度要求也很高，這就是對閱讀器靈敏度的要求了。這里來舉兩個(gè)例子分別針對正向功率受限和反向閱讀器靈敏度受限。圖7中的兩個(gè)圖，分別代表高性能大功率閱讀器和低性能小功率閱讀器讀取距離的差異。第一個(gè)圖(正向受限)標(biāo)簽靈敏度-10dBm閱讀器靈敏度-80dBm(兩條藍(lán)線)，正向能量和反向能量隨距離的變化曲線(兩條紅線)?？梢钥吹綐?biāo)簽可以工作6m的距離，閱讀器可以工作12m的距離，取最小一個(gè)，其工作距離是6m，由正向距離決定。下面第二張圖同理可以看出標(biāo)簽的靈敏度是-10dBm，而閱讀器靈敏度-30dBm。那么正向距離正向3m，反向距離1.5m，其工作距離為1.5m，是有反向距離決定的(閱讀器靈敏度)。圖7有很多閱讀器在輸出功率大的時(shí)