基于電感耦合的近場RFID識別系統(tǒng)設(shè)計

李小龍　董進　侯丹寧　丁清晨　王金金　聶雪蓮

摘要：該文主要介紹了基于電感耦合的近場RFID識別系統(tǒng)架構(gòu);闡述了近場RFID識別系統(tǒng)的基本原理，并推導(dǎo)系統(tǒng)的主要性能參數(shù)計算公式，最后，著重給出了近場RFID識別系統(tǒng)閱讀器天線設(shè)計的要點，并進行了詳細(xì)的分析，為近場RFID識別系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)用提供了思路。

關(guān)鍵詞：RFID;閱讀器;標(biāo)簽;系統(tǒng);識別

中圖分類號：TP319 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）09-0243-03

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于電感耦合的近場RFID識別系統(tǒng)主要包括標(biāo)簽天線、閱讀器、閱讀器天線以及含有控制閱讀器配套軟件的終端四大模塊，其系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

（1）標(biāo)簽天線模塊。標(biāo)簽天線一般由微芯片和標(biāo)簽天線兩個部分組成，其成本低且壽命長，作為系統(tǒng)中電子數(shù)據(jù)的承載設(shè)置，通常需要附著于目標(biāo)物體表面以便標(biāo)識或跟蹤。它不僅可以接收閱讀器傳輸?shù)哪芰?，而且可以與閱讀器進行數(shù)據(jù)傳輸交換。

（2）閱讀器模塊。閱讀器包含射頻單元、控制單元和接口單元。其中，射頻單元用于發(fā)射和接收識別信號，通常通過濾波器、混頻器和放大器等將識別信號進行放大，并輸出給閱讀器天線;也可以通過低噪放、濾波器、混頻器等對從閱讀器天線接收來的信號進行預(yù)處理，例如，提高信號噪聲比、濾除無用信號等?？刂茊卧饕a(chǎn)生系統(tǒng)所需的調(diào)制信號，進行模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換、處理接收信號等。接口單元主要連接終端和閱讀器，實現(xiàn)系統(tǒng)通信。

（3）閱讀器天線單元。閱讀器天線主要用來發(fā)射和接收識別信號，在該系統(tǒng)中，一般使用螺旋線圈天線。但在UHF頻段，閱讀器天線的類型十分豐富，不再局限于環(huán)形天線。

（4）含有控制閱讀器配套軟件的終端單元。一般是指計算機PC，其核心是控制軟件。通過該軟件，可以調(diào)節(jié)閱讀器的各項設(shè)置，如輸入功率、測試頻段等，獲取閱讀器天線的性能，最終指導(dǎo)閱讀器天線或標(biāo)簽天線的設(shè)計。

2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)工作過程主要包括：首先，閱讀器通過閱讀器天線在天線與標(biāo)簽之間產(chǎn)生較強磁場發(fā)送特性頻率的信號。其次，標(biāo)簽天線接收到該信號后或者通過與磁場交鏈產(chǎn)生的感應(yīng)電流驅(qū)動標(biāo)簽芯片工作，激活后的標(biāo)簽芯片通過改變它的輸入阻抗調(diào)制反向散射信號并向閱讀器反饋信號。此外，閱讀器通過閱讀器天線接收該信號，并解調(diào)信號獲取標(biāo)簽的電子編號，完成標(biāo)簽的識別。下面著重介紹系統(tǒng)的工作原理：

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，時變的磁場通過閉合回路時會在回路上產(chǎn)生電壓，因此，位于閱讀器天線近場區(qū)域內(nèi)的標(biāo)簽上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢v，，該電動勢的大小可以通過標(biāo)簽形成回路的磁通量的變化求得，對于具有Ntag圈的標(biāo)簽而言：

3 近場RFID識別系統(tǒng)閱讀器天線設(shè)計

（1）輸入阻抗。當(dāng)閱讀器天線的輸入阻抗與閱讀器內(nèi)阻共軛匹配時，閱讀器天線能夠獲得最大電流，從而產(chǎn)生最強的磁場。對于一般的閱讀器來說，其內(nèi)阻Z是隨著頻率的變化而變化的，但是在其工作頻段內(nèi)變化不大且約為50Ω，因此，用于UHF近場RFID系統(tǒng)的閱讀器天線的輸入阻抗應(yīng)匹配到50Q，從而保證系統(tǒng)獲得良好的識別性能。

（2）工作頻率和帶寬。針對RFID系統(tǒng)，全球在LF和HF頻段已經(jīng)形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，分別為125/134 KHz和13.56MHz，而隨著UHF頻段應(yīng)用的興起，很多國家都單獨為RFID系統(tǒng)劃分了對應(yīng)的應(yīng)用頻段，如表1所示。另外，為了減小系統(tǒng)間的輻射干擾和電磁輻射對人體的傷害，表l中也列出了各個國家對UHF RFID系統(tǒng)的最大等效全向輻射功率。

目前全球的UHF RFID頻段，他們均包含在860 MHz - 960MHz頻段內(nèi)。為了使閱讀器獲得更好的性能.閱讀器天線需要較高的輻射效率，因此上述的帶寬均是指反射系數(shù)（S11）小于一lOdB的帶寬，從理論上來說，此時天線的輻射效率達到900-/0。對閱讀器天線而言，若其-lOdB的工作帶寬能夠涵蓋860 MHz- 960 MHz頻段，這將會使其更具有普適性。

（3）近場磁場強度和識別區(qū)域。系統(tǒng)要獲得良好識別性能，閱讀器天線要在其近場范圍內(nèi)在沿著垂直標(biāo)簽表面（假設(shè)標(biāo)簽表面與xoy面平行）的方向產(chǎn)生足夠強的磁場分布IHzI，即需要滿足IHzI >|Hu|。由于H與標(biāo)簽和閱讀器天線之間的距離r成反比，當(dāng)r大于r_._時，IHzI將會一直小于Hth，從而使系統(tǒng)無法識別標(biāo)簽，這個距離rmax被稱為最大識別距離。另外，在高度為r且平行于xoy的平面內(nèi)，標(biāo)簽在該平面內(nèi)位置的改變會改變近場磁場與其表面的夾角，從而改變|H.|的大小。平面內(nèi)磁場IHzI >IHthl的區(qū)域我們稱之為識別區(qū)域，其他區(qū)域則稱之為識別盲區(qū)。不同RFID應(yīng)用場景下，最大識別距離、識別區(qū)域等均有不同的要求，如在門禁、閘機等應(yīng)用場景下RFID系統(tǒng)只需要較小的識別區(qū)域和較近的識別距離，而在倉儲管理等應(yīng)用則需要閱讀器天線能夠識別較遠距離的標(biāo)簽且產(chǎn)生能夠覆蓋貨架的大面積的識別區(qū)域。若RFID系統(tǒng)在應(yīng)用需求外的區(qū)域識別出了標(biāo)簽，我們稱之為誤讀。在仿真設(shè)計過程中，我們通常僅研究某一高度下平行于xoy面的平面內(nèi)的IHzI分布，從而來判斷所設(shè)計的閱讀器天線的近場性能。

（4）系統(tǒng)識別性能優(yōu)化設(shè)計。

一是閱讀器天線產(chǎn)生的磁場強度B應(yīng)盡可能的大。由式（1）可知，磁場強度與天線的電流，、圈數(shù)Ⅳ和半徑α成正比。當(dāng)天線的圈數(shù)和半徑固定時，越大的電流產(chǎn)生磁場的強度越強。當(dāng)閱讀器得輸入功率一定時，若閱讀器的內(nèi)阻與閱讀器天線的輸入阻抗共軛匹配（Rt=Rt，Xt=-Xr），電流此時最大為：

另外，值得注意的是磁場強度與距離r的三次方成反比，這意味著隨著標(biāo)簽遠離閱讀器天線表面，磁場強度將會衰減的很快，這將是限制最大識別距離的主要因素。

二是標(biāo)簽獲取的功率Pchip。應(yīng)大于等于其工作的門限功率

其中，Pchip與頻率f的平方、標(biāo)簽圈數(shù)Ntag的平方、標(biāo)簽有效面積Scos（θ）的平方和磁場強度B的平方成正比。當(dāng)θ=0度時，有效面積最大且為S，標(biāo)簽表面與閱讀器天線產(chǎn)生的磁場相互垂直;當(dāng)θ=90度，有效面積僅為為0。由此可以看出，磁場在標(biāo)簽所圍成區(qū)域的法向方向上的分量決定了Pchip的大小。假如標(biāo)簽平行于xoy平面擺放，則僅磁場在Z方向的分量（IHzI）對Pchip有影響。結(jié)合標(biāo)簽的門限功率Pth，最終可以獲得標(biāo)簽所在位置的磁場在垂直于其平面方向上分量的最小值。此外，當(dāng)功率一定時，頻率與標(biāo)簽的圈數(shù)成反比，也就是隨著工作頻率f上升，標(biāo)簽可以制作得更小。

參考文獻：

[1]慈新新，王蘇濱，王碩.無線射頻識別（RFID）系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[2] David M.Pozar.微波工程[M].3版，北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]林昌祿.天線工程手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[4]李文勛.基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的RFID天線設(shè)計技術(shù)[D].北京郵電大學(xué)，2013.

[5]李文靜，一種UHF近場讀寫器天線[D].北京郵電大學(xué)，2014.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】

基金項目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃2019年立項項目（項目名稱：近場RFID識別系統(tǒng)閱讀器天線設(shè)計，項目編號：201912805012Y）

作者簡介：李小龍（1998-），在讀學(xué)生;董進（1989-），江蘇淮安人，助教，主要研究方向為無線通信技術(shù);侯丹寧，在讀學(xué)生;丁清晨，在讀學(xué)生;王金金，在讀學(xué)生;聶雪蓮，在讀學(xué)生。