針對多角度方向標簽檢測的球形RFID天線

馮星皓

（四川大學電子信息學院，成都 610065）

0 引言

射頻識別信息技術（radio frequency identification，RFID）是自動識別信息技術的一部分，運用無線射頻技術方法實現非接觸式雙向進行數據通信，對目標對象加以識別并提取相應數據。閱讀器和電子標簽是RFID 射頻識別系統的核心組成部分，閱讀器和電子標簽通常距離間隔在幾厘米到幾米之間，當使用無源電子標簽時，閱讀器發出無線射頻信號產生交變磁場，電子標簽在閱讀器天線產生的交變磁場中受到激活工作。電子標簽激活后，標簽芯片再通過其自身的天線發射出反射信號，由于天線具有互易性，此時閱讀器天線成為接收天線，從而能夠讀出在電子標簽內存儲的信息內容，進一步確定了電子標簽保存的物品、人或者器具的身份信息。目前RFID 無線射頻技術已經在公交、地鐵、學校、社會保障系統等國內外各種領域中廣泛應用開來。然而，基于閱讀器和標簽天線之間的磁互耦的射頻鏈路（通常是環形天線）的改進仍然是系統的一個復雜挑戰。檢測范圍和面積是RFID 系統性能的重要評估因素。當標簽線圈產生足夠的電力供應時候，RFID 標簽芯片才能正常工作，所以發射天線產生的磁場與標簽線圈的耦合程度極為重要。

RFID 天線系統包括閱讀器天線系統和標簽天線系統。在LF/HF 的RFID 體系中，電子標簽和識讀器之間通過電感耦合方法實現電能傳輸和交流。但是基于電感耦合的功率傳輸效率較低，并且隨著距離的增加而呈指數下降。這是由于線圈之間沒有共同的磁芯來限制和引導大部分磁通量。因此，WPT 的線圈通常是松耦合的。為進一步提高功率傳遞效率和傳播范圍，在發射器與接收機的線圈在相同頻率相互諧振的情形下，通過使用不同的線圈的幾何形式，閱讀器的天線線圈產生各種不同形式的高頻磁場分布，優秀的磁場分布可以使得穿過電子標簽線圈的磁通量大大增加，使得處在閱讀器天線產生的磁場中的電子標簽線圈上形成更大的感應電流，提高初級線圈和次級線圈之間的功率傳輸效率。

1 近場感應耦合RFID天線工作原理

LF/HF 頻段RFID 系統發射天線與標簽線圈天線之間采用磁感應耦合，原理如圖1所示。

圖1 閱讀器和應答器之間的感應耦合

RFID 射頻識別閱讀器天線的主要作用是發射閱讀器中前端射頻模塊產生的射頻能量,并接收來自電子標簽的返回信號。在LF（通常為125 KHZ）和HF（通常為13.56 MHZ）的固定頻段下，由閱讀器天線系統發出前端射頻模塊所形成的射頻信息。在采用無源電子標簽技術時，由于閱讀器天線系統和電子標簽天線系統在同一發射時段內，相當于變壓器的原邊和副邊，根據法拉第電磁感應定律，閱讀器天線系統形成交變磁場，并采用磁耦合的方法，在無源電子標簽的天線系統中形成感應電動勢，并以此為電子標簽的芯片供給工作電源。天線系統性能的優劣，就直接決定了整個RFID 系統的性能表現。在一定的工作頻率與帶寬下，天線的主要功能是通過形成磁場，在電子標簽天線中形成磁通量，無源電子標簽線圈產生感應電動勢，該感應電動勢為標簽芯片供給工作電源，從而在閱讀器與電子標簽之間傳送信息。因此天線的性能是整個系統性能的重要決定因素。而閱讀器天線和電子標簽天線之間相互耦合的程度，取決于以下一系列因素：天線的形狀以及物理尺寸、磁場強度、磁力線分布方向和密度、電子標簽線圈和閱讀器天線之間的相對位置（相對位置不同，閱讀器天線穿過電子標簽線圈磁通量的大小不同）、天線的電感、值、調諧程度及周圍環境等。

2 近場感應耦合RFID天線設計理論依據

2.1 磁場強度,磁感應強度及互感

RFID 閱讀器天線線圈形成的磁場分布、強度和密度，直接決定著閱讀器和無源電子標簽之間的通信距離。在自由空間的近場耦合中，普通環形天線線圈產生的磁場強度為:

式中：為磁場強度；為電流強度；為匝數；為天線半徑；為作用距離。

損耗介質的磁場強度是=e，根據公式=

考慮到閱讀器和應答器的線圈天線是對齊的，

式中：為電流，為線圈匝數，為天線半徑邊長；z為電子標簽線圈距離閱讀器天線中心的垂直距離；為真空中的磁導率。

閱讀器天線建立的磁場在應答器的線圈天線中感應出一個電壓，電壓值為：

式中為標簽線圈中的感應電壓，為標簽線圈匝數，為發射天線與標簽線圈之間的互感。

根據上式可以看出，互感越大，標簽線圈中產生的感應電壓就越高，因此，互感可以作為衡量發射天線與標簽線圈之間耦合程度的重要指標。

2.2 最佳天線直徑

2.3 天線電感值及Q值

環形天線線圈電感值的物理意義是：在環形天線中產生的磁通量與線圈回路包圍的電流強度之比。環形天線的電感計算方式如下：

環形線圈電阻為= 2π，其中為線圈匝數，為線圈半徑，是用于制造線圈導線的單位長度電阻，則有環形線圈電感為：

式中，為線圈長度。

天線的品質因數也是天線性能的重要決定因素。值越大，天線的輸出能量越高，但過高的值卻會嚴重影響閱讀器的通帶特性。所以在實際情況中要綜合考慮。在實際測量天線線圈值時，同樣可以使用阻抗分析儀。值的計算公式如下。

式中，= 2π，為諧振頻率，為天線電阻，為天線電感。

3 RFID天線電磁仿真

3.1 普通環形RFID天線存在的問題

檢測范圍和面積是RFID 性能的重要指標。當閱讀器發射天線產生的磁場在標簽線圈中大量穿過，產生足夠的磁通量，進而產生足夠大的感應電動勢，電子標簽芯片才能被激活工作，這意味著，當標簽線圈相對于發射天線的有效面積垂直于發射天線產生的磁場時候，耦合才能最大化。但在一些應用場景下，電子標簽的方向往往不能垂直于普通環形天線所產生的磁場。也就是說，普通環形發射天線將存在許多零檢測區域，如圖2所示。

圖2 環形線圈磁場與不同位置角度標簽的耦合

3.2 球形RFID天線建模

針對以上問題，并根據上述天線的設計方法，使用NX10.0 建模軟件對球形天線進行建模，并將其導入ANSYS MAXWELL 建模軟件，如圖3所示。

圖3 4匝雙骨架球形樣式線圈

線圈電感過大的話，難以選擇適當的電容與其諧振匹配。故在13.56 MHZ 頻率下，電感取值在1.6 uH 左右，根據相關公式可得上述線圈面積下匝數最佳值為4。識別距離設定為30 mm，此時根據上述公式，環形線圈最佳半徑>>42 mm，線寬設置為0.8 mm，線圈厚度為0.035 mm，材料設置為銅，輸入電流源激勵1 A。

3.3 球形RFID天線仿真與結果分析

仿真結束后，從兩個平面上觀察設計的球形天線產生的磁場。

圖4 單線圈所在平面的磁場分布

圖5 單線圈所在平面的磁場分布

接下來再查看與線圈垂直平面的磁場分布。

圖6 垂直線圈平面磁場分布

圖7 垂直線圈平面磁場分布

接下來，根據網上某在售的13.56 MHz RFID 電子標簽，建模電子標簽線圈直徑為20 mm，將該標簽分別置于普通環形線圈正上方30 mm 與球形天線正上方30 mm，聯合仿真分析互感M。互感M仿真結果值如表1所示。

表1 互感M仿真結果值

比較上述仿真結果與圖2可知，對于普通環形天線來說，當電子標簽線圈平行于天線時方能獲得磁通量，且越靠近天線邊緣，耦合程度越強，但普通環形天線所產生的磁場對垂直于它的電子標簽線圈卻基本毫無磁通量，從而導致耦合程度為零。而對于本文設計的球形天線來講，其磁場基本做到了空間上的全方向覆蓋，無論電子標簽線圈相對于球形天線是何種位置角度，都能通過天線產生的磁場獲得足夠的磁通量。最后，球形天線與標簽線圈的互感值相比普通環形天線與標簽線圈增大了66%，充分證明球形天線能夠更好與標簽線圈耦合。

4 結語

本文根據LF/HF RFID 系統的工作原理，設計了一種用于RFID 應用的新型閱讀器球形天線。基于磁場分布將該球形天線與傳統環形RFID 閱讀器天線進行了比較。仿真結果表明，球形結構通過改變磁場分布，最大化了多個方向平面上標簽線圈的與發射天線的耦合磁通量，從而激活更多不同角度方向的無源電子標簽，提高了RFID的識別距離和覆蓋面積。