基于電感耦合的近場RFID識別系統設計

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識別系統架構;闡述了近場RFID識別系統的基本原理，并推導系統的主要性能參數計算公式，最后，著重給出了近場RFID識別系統閱讀器天線設計的要點，并進行了詳細的分析，為近場RFID識別系統相關應用提供了思路。

關鍵詞：RFID;閱讀器;標簽;系統;識別

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）09-0243-03

1 系統架構設計

基于電感耦合的近場RFID識別系統主要包括標簽天線、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，其系統拓撲圖如圖1所示。

（1）標簽天線模塊。標簽天線一般由微芯片和標簽天線兩個部分組成，其成本低且壽命長，作為系統中電子數據的承載設置，通常需要附著于目標物體表面以便標識或跟蹤。它不僅可以接收閱讀器傳輸的能量，而且可以與閱讀器進行數據傳輸交換。

（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處理，例如，提高信號噪聲比、濾除無用信號等。控制單元主要產生系統所需的調制信號，進行模擬信號和數字信號的轉換、處理接收信號等。接口單元主要連接終端和閱讀器，實現系統通信。

（3）閱讀器天線單元。閱讀器天線主要用來發射和接收識別信號，在該系統中，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，可以調節閱讀器的各項設置，如輸入功率、測試頻段等，獲取閱讀器天線的性能，最終指導閱讀器天線或標簽天線的設計。

2 系統工作原理

該系統工作過程主要包括：首先，閱讀器通過閱讀器天線在天線與標簽之間產生較強磁場發送特性頻率的信號。其次，標簽天線接收到該信號后或者通過與磁場交鏈產生的感應電流驅動標簽芯片工作，激活后的標簽芯片通過改變它的輸入阻抗調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，并解調信號獲取標簽的電子編號，完成標簽的識別。下面著重介紹系統的工作原理：

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

3 近場RFID識別系統閱讀器天線設計

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

（2）工作頻率和帶寬。針對RFID系統，全球在LF和HF頻段已經形成了統一的標準，分別為125/134 KHz和13.56MHz，而隨著UHF頻段應用的興起，很多國家都單獨為RFID系統劃分了對應的應用頻段，如表1所示。另外，為了減小系統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。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（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域。系統要獲得良好識別性能，閱讀器天線要在其近場范圍內在沿著垂直標簽表面（假設標簽表面與xoy面平行）的方向產生足夠強的磁場分布IHzI，即需要滿足IHzI >|Hu|。由于H與標簽和閱讀器天線之間的距離r成反比，當r大于r_._時，IHzI將會一直小于Hth，從而使系統無法識別標簽，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，標簽在該平面內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。平面內磁場IHzI >IHthl的區域我們稱之為識別區域，其他區域則稱之為識別盲區。不同RFID應用場景下，最大識別距離、識別區域等均有不同的要求，如在門禁、閘機等應用場景下RFID系統只需要較小的識別區域和較近的識別距離，而在倉儲管理等應用則需要閱讀器天線能夠識別較遠距離的標簽且產生能夠覆蓋貨架的大面積的識別區域。若RFID系統在應用需求外的區域識別出了標簽，我們稱之為誤讀。在仿真設計過程中，我們通常僅研究某一高度下平行于xoy面的平面內的IHzI分布，從而來判斷所設計的閱讀器天線的近場性能。

（4）系統識別性能優化設計。

一是閱讀器天線產生的磁場強度B應盡可能的大。由式（1）可知，磁場強度與天線的電流，、圈數Ⅳ和半徑α成正比。當天線的圈數和半徑固定時，越大的電流產生磁場的強度越強。當閱讀器得輸入功率一定時，若閱讀器的內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。

二是標簽獲取的功率Pchip。應大于等于其工作的門限功率

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

參考文獻：

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[5]李文靜，一種UHF近場讀寫器天線[D].北京郵電大學，2014.

【通聯編輯：朱寶貴】

基金項目：江蘇省大學生創新創業訓練計劃2019年立項項目（項目名稱：近場RFID識別系統閱讀器天線設計，項目編號：201912805012Y）

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