ＵＨＦ頻段無源ＲＦＩＤ標簽閱讀距離影響因素分析
2008-04-12 00:00:00殷少飛熊立志
現(xiàn)代電子技術 2008年1期
摘 要：在物品識別領域，RFID技術應用的快速發(fā)展對RFID標簽的讀出距離不斷提出新的要求。通過對增加UHF 900 MHz頻段無源電子標簽閱讀距離的主要方法的研究，著重從電子標簽設計中的如下幾個要素進行了探討：天線及標簽芯片阻抗匹配、天線及標簽芯片的品質因數以及標簽基底材料的選擇。
關鍵詞：射頻識別；標簽；閱讀距離；阻抗匹配
中圖分類號：TP391 文獻標識碼：B
文章編號：1004373X(2008)0103803
Analysis of Factors in Influencing Read Range of UHF Passive RFID Tag
YIN Shaofei，XIONG Lizhi
(Invengo Information Technology Co.Ltd.，Shenzhen，518057，China)
Abstract：In the field of product identification，read range of RFID tags have to meet new continual requirements as the application of RFID technology developed rapidly.Though investigation on increasing read range of UHF passive tags which are working in the 900MHz frequency band，factors such as impedance matching and the effect of quality factors between the antenna and tag chip，selection of tag substrate were concluded as of crucial importance during RFID tag design.
Keywords：RFID;tag;read range;impedance matching
1 引 言
超高頻無源 RFID 標簽(UHF Passive RFID Tag)是指工作頻率在300 MHz~3 GHz之間的超高頻頻段內，無外接電源供電的RFID標簽。這種超高頻無源RFID標簽由于其工作頻率高，可讀寫距離長，無需外部電源，制造成本低[1-4]。加之目前我國在UHF 900 MHz頻段的RFID標準已經確立，目前已成為了RFID研究的重點方向之一，在不久的將來有可能成為RFID領域的主流產品。
然而，由于標簽設計水平的局限和干擾源的廣泛存在，目前制約900 MHz頻段的UHF RFID標簽應用的問題較多，主要體現(xiàn)在讀出距離不夠和相對較高的誤碼率，而誤碼率往往會隨著標簽與讀出器天線的距離增加呈指數上升，故仍可以歸結為實際有效的讀出距離減小。
本文在RFID系統(tǒng)中讀出器各性能指標確定的情況下討論標簽設計對讀出距離的影響。讀出距離的首要決定因素是標簽芯片的最低工作電壓(也即啟動電壓)，在共軛阻抗匹配的前提下高的品質因數有助于得到高的標簽芯片輸入電壓，但過高的天線品質因數會影響天線對反向散射能量的接收。另外，需要注意標簽的應用環(huán)境，針對不同的應用環(huán)境選擇合適的標簽基底材料，以保證標簽在實際應用中的閱讀距離。
2 天線及標簽芯片阻抗匹配對讀出距離的影響
圖1為典型的UHF頻段無源RFID標簽(也稱應答器)反向散射調制模塊圖解。標簽芯片主要由電源恢復電路、參考電壓產生電路、調制/解調電路、時鐘恢復電路、存儲及數字控制電路構成。
ZIC是隨VIC變化而呈非線性變化的，出于要得到最大讀出距離的目的，后面的討論都集中在標簽芯片在最低工作電壓附近。在這個范圍內，最大讀出距離主要受兩個因素的制約，其一是標簽芯片工作所需的最低工作電壓，其二是在RFID系統(tǒng)中讀寫器靈敏度確定時標簽天線反向散射所能接收到的最小信號能量。
3 品質因數對讀出距離的影響
在圖2所示的等效電路中，當滿足諧振條件：
根據交流電路的頻率諧振特性和諧振電流關系可列方程：
當QIC遠大于該值時，|VIC|近似于隨QIC線性增大，此時相對較低的|VTag.AV|仍可得到較高的標簽芯片輸入電壓，從而增加了閱讀距離，可見互為共軛匹配前提下高品質因數的天線及標簽芯片是提高UHF RFID電子標簽閱讀距離的重要條件。
不過，從另一方面說來，品質因數越大，電路諧振曲線越尖銳，也就是選擇性越強。從RFID系統(tǒng)的角度考慮，在讀出器靈敏度確定的前提下，低的QAnt意味著能夠接收到更多的反向散射能量，因此充分權衡滿足標簽芯片最低工作電壓及保證天線對能量的有效接收才是行之有效的解決辦法。
由于目前市售的多數UHF RFID芯片具有高的Q值，綜合考慮RFID系統(tǒng)信號帶寬、功率傳輸及天線尺寸要求，實際應用的很多UHF RFID電子標簽結構中除了前面提到的天線及標簽芯片外，還需要用于匹配天線與標簽芯片的無損耗阻抗匹配網絡[2]。具體如圖3所示，以保證得到最大的功率傳輸。不過，出于對成本及生產裝配的考慮，還是建議盡量少用匹配網絡，努力通過改進天線的設計，使得ZAnt與ZIC在相應國家或地區(qū)規(guī)定的頻段內，且在變化的VIC范圍內仍能近似保持匹配[5]，最終保證在得到最大讀出距離的同時沒有因匹配問題造成的讀取盲區(qū)[6]。
關于如何調整匹配網絡中的參數使得RFID標簽天線與芯片阻抗匹配已有不少相關報道[5，6]，在此就不贅述。
4 通過標簽基底材料的改進增大標簽讀取距離
RFID標簽的工作頻率越高，越容易受到環(huán)境介質的影響。例如工作在1356 MHz的RFID標簽，只有金屬體對標簽天線電感量的影響最明顯。但是，當標簽的工作頻率為UHF頻段如915 MHz，此頻段的標簽天線，不僅金屬體對他的影響十分嚴重，而且在短波段不受影響的玻璃、紙箱、木箱、塑料箱等人們認為的“絕緣”介質也會對UHF標簽天線產生較大影響。如果UHF電子標簽設計是以空氣介質的空間調試的，那么該標簽的用戶就只能將他應用在單純空氣空間的環(huán)境下，才能發(fā)揮該標簽的最佳電氣性能；假如該用戶將此標簽改貼在玻璃箱體上，則此標簽的電氣性能會因此下降，直接表現(xiàn)為讀出距離變近。
但是，有相當部分的UHF頻段的RFID系統(tǒng)應用場合都不可避免地要與金屬體打交道，電子標簽必須在金屬體表面應用的情況越來越多，迫切需要這一問題的解決方案。工作在UHF頻段的標簽天線，粘貼在一般的絕緣介質(如玻璃、塑料箱等)表面，仍然會影響天線的電感量和降低諧振頻點的品質因數；如果UHF天線需要貼在鐵質金屬體表面，天線的電感量會大幅增加，迫使工作頻率離開標準頻點并趨于降低；如果該天線是貼在銅質或鋁質的金屬體表面，相反的會使天線電感量下降，迫使工作頻率離開標準頻點并趨于上升。
目前較為有效的方法有：
(1) 利用泡沫分離技術(Foam Separation)增加標簽與所貼的金屬產品的距離。如果UHF電子標簽在金屬體表面上的使用空間不是要求很嚴格時，我們可以犧牲一點標簽在厚度上的要求，利用泡沫等對UHF波段影響不大的材料作為標簽基底，把標簽在金屬體表面墊高8~10 mm左右，就可明顯減弱金屬體對標簽天線的“加感效應”，在實際應用中，電子標鑒的頻率偏移也就容易控制在允許的頻偏范圍之中，相對讀寫標簽的距離和穩(wěn)定性也就能夠得到保證。
(2) 采用吸波隔離材料如高導磁鐵氧膠體隔離材料(目前價格仍較貴)做標簽基底，避免或衰減反射干擾波的出現(xiàn)。針對標簽所適用的頻率范圍設計相應的吸波材料，將吸波膠片制作在標簽襯底上，粘貼于電子標簽和貨品金屬表面間。
盡管如此，UHF吸波材料仍沒有能力去隔離或阻止金屬體對UHF天線的“加感效應”。目前，解決由此而引起的標簽卡頻率偏移最好的方案就是對應所需用戶封裝出適合他們使用環(huán)境下的UHF電子標簽，采用天線預加載校正，將經過提前預校正電感量的天線與吸波膠片材料一起封裝為“金屬型電子標簽”成品，最終客戶不用再作任何調試。
5 結 語
本文首先從UHF頻段RFID標簽芯片及天線的阻抗匹配入手，逐步深入推導，討論了標簽和芯片天線的品質因數對標簽芯片輸入電壓和天線反向散射能量接收兩個因素的不同影響，闡明了在標簽設計中需要權衡這兩個因素的影響，選擇合適的品質因數，同時，針對UHF頻段RFID標簽在實際應用環(huán)境的不同，給出了選擇合適的基底材料的建議。
參 考 文 獻
［1］Mun Leng Ng，Kin Seong Leong，Peter H Cole.Analysis of Constraints in Small UHF RFID Tag Design[J].2005 IEEE International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications Proceedings，USA，2005，1:507-510.
［2］Jong Wook Lee，Hongil Kwon，Bomson Lee.Design Consideration of UHF RFID Tag for Increased Reading Range[J].IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest，2006:1 588-1 591.
［3］孫旭光，張春，李永明，等.超高頻無源RFID 標簽的一些關鍵電路的設計[J].中國集成電路，2007，1(92):29-35.
［4］高丹.集成天線電子標簽的設計與仿真[D].上海:中國科學院研究生院.2004.
［5］Son W H，Pyo C S.Design of RFID Tag Antennas Using an Inductively Coupled Feed[J].Electronics Letters，2005，41(18):994-996.
［6］Pillai V.Impedance Matching in RFID Tags:to Which Impedance to Matching[J].Antennas and Propagation Society International Symposium，2006:3 505-3 508.
［7］章曉卿，劉中元，彭雁.非接觸式RFID讀寫器系統(tǒng)的研究[J].國外電子元器件，2006(2):15-17.
作者簡介 殷少飛 男，1982年出生，寧夏中寧縣人，工學碩士，畢業(yè)于武漢理工大學，深圳市遠望谷信息技術股份有限公司IC設計工程師。主要從事RFID標簽及標簽芯片研究。
熊立志 男，1976年出生，湖北武漢市人，博士，畢業(yè)于華中科技大學，深圳市遠望谷信息技術股份有限公司IC設計工程師。主要從事RFID標簽芯片研究。
注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”
