RFID与天线设计问题探讨

作者:美国意联公司 甘泉  来源:《物联网世界》

  在RFID的家族中,天线和RFID是同样重要的成员,RFID和天线相互依存,不可分割。无论是阅读还是标签,无论是HF还是UHF,都离不开天线。对于到底是先有RFID还是先有天线的问题,做射频和天线的人马上会跳出来说当然是先有天线了。那么,大家有没有想过是先有RFID天线还是先有RFID硬件呢?有没有想过为什么HF的频率是13.56MHz,而UHF的频率是840M-960MHz呢?关于LF、HF、UHF等故事很多,我这里就针对UHF RFID来讲一下是先有鸡(天线)还是先有蛋(RFID)的故事。

  UHF RFID由来

人们在长期使用条码之后发现条码有很多弊端,比如识别率比较低,容易被污染。这个时候就想是不是有一种技术可以通过电磁波来实现通讯呢?因为电磁波通讯不需要介质阻挡,不会出现无法识别的问题,加上电磁波的穿透能力可以实现多个物品一起识别。

有了这个想法的科学家们兴奋了,就开始深入研究,发现条码的尺寸基本固定一般宽高分别小于3英寸(7.5cm)、5英寸(12.5cm),总面积小于12平方英寸(75cm*cm)。大家现在通过观察UHF的标签可以发现,大部分面积都是天线只有中间的一个小黑点是芯片,也就是说这个RFID标签的大小主要是由天线尺寸决定的。

既然已经知道了天线尺寸那么就要选择工作频率了。人们通过一组测试数据最终确定了RFID的频率。测试是这样的:一个发射天线,一个接收天线(接收天线就是今后的RFID天线),其中发射天线的输出功率一定,接收天线的尺寸一定,看在不同的频率下接收天线能获得多少能量,当然如果设定了开启阈值(今后的标签灵敏度)就相当于频率与距离的关系,如图1所示为不同频率下的工作距离图。

不同频率下的工作距离图

图1 不同频率下的工作距离图

  从图中可以看到,在频率800-1G的情况下工作距离是最远的。其实早期的手机频率也是在这个频率范围,就是因为早期的手机尺寸(早期的手机尺寸都很大,天线很长)也是这么大,最终做手机协议的科学家就定下了这个频率。随后的故事大家应该都知道了,就是做RFID的科学家由于是晚于手机的制定,只好跟着做手机的科学家坐下来开了个会,从人家剩下的频段中找了一段给自己用。

故事讲完了,你就要发问了,为什么天线这么神奇,就只有这个800M-1GHz的频率才工作距离远呢?我有两种回答:一种是“这就是天意,是上帝创造出来的”;另外一种就是通过经典天线原理或者麦克斯韦方程推算出来。比如通过标准偶极子天线长度与半波长尺寸相比拟,800MHZ-1GHz的半波长为15cm-18cm,有宽度的偶极子长度比半波长尺寸略小,可以认为乘以一个系数0.8(宽度越大系数越小),这样就发现与12.5cm非常接近了。我个人建议大家多使用第一种方式来回答。

最后插一句915MHz为无源超高频最好工作频段,美国那帮做RFID的科学家就很聪明选择了902MHz到928MHz带宽中心频率915MHz。也难怪UHF RFID创始在美国,最好的频点在美国,最宽的带宽也在美国。咱们中国的RFID科学家么也要加油,今后也创新出更牛的RFID协议和标准抢占先机。

  标签的工作距离(正向距离)

关于前面的故事可能对大家在项目中关系不大,后面就给大家讲一讲大家最关心的一个问题:UHF RFID标签能读多远的问题。这个问题一直是令大家纠结的问题,同样一个标签,有的人说能读10米,有的说能读3米,到底是怎样的呢?到底读取距离跟什么有关系呢?

首先大家回忆一下,咱们讨论UHF RFID标签读取距离的时候,会考虑到的相关量:

阅读器的输出功率——范围5-30,单位dBm;

阅读器的天线增益——范围2-12,单位dBi。(注意圆极化和线极化,如果圆极化在计算距离的时候按照减去3的线极化计算,8dBi圆极化按照5dBi线极化计算);

标签灵敏度——范围10-20,单位dBm;

标签天线增益——范围10-2.5,单位 dBi;

工作频率(波长)——范围840M-960M,单位Hz。

从经验来看,一般情况下阅读器的输出功率越大、阅读器天线增益越大、标签灵敏度越高、标签天线增益越大,整个系统的工作距离越远。那到底这个关系是如何计算的呢?请看下面的超级复杂但又超级重要的弗林斯(Friis)方程部分。Friis传输理论用于解释并确定无线电通信线路中被无损耗且与负载匹配的天线所接收到的功率。

如图2所示,发射机将发射功率为 的能量馈送给具有增益为 的发射天线,在距离R处有一接收天线,此接收天线的增益为 ,并设接收机由接收天线而接收到的功率为 。

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  图2

在自由空间,无损耗,极化匹配,端口匹配的情况下接收天线所接收到的信号功率为:

  这就是弗林斯传输公式。这个等式关系自由空间路径损耗,天线增益和天线接收和发射功率。

利用Friis自由空间传输公式可知,在任意给定

  R五个量中的任意四个量之后,剩余的一个量必定可求。若标签芯片的开启功率门限值为

  ,最大可读距离

  (阻抗匹配的时候=1)

那么下面我们就针对一组真实的例子来看看这个标签能读多远的问题。假如标签的接收灵敏度

  为-18dBm,阅读器天线发射功率

  为17dBm,标签天线增益

  为2dBi,读写器天线增益

  为8dBi,工作频率为f =915MHz,且假定此时标签芯片与天线完全匹配,其工作距离根据公式可得:

  计算可得不同类型增益的标签天线对标签激活距离的影响随阅读器天线增益变化的曲线如图3所示。无源反向散射RFID系统的标签激活距离既与标签天线增益有关,也与阅读器天线增益有关。

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图3

  天线的工作频率对系统的读取距离也有一定影响。通常,UHF RFID系统的工作频率为842.5MHz、868MHz、915MHz、922.5MHz、953.5MHz等,针对这些频率对应的工作波长分别为0.356m、0.346m、0.328m、0.325m、0.315m。

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图4

  UHF RFID系统的识别距离与其工作波长成正比。通过使用较低的工作频率,即较大的工作波长,可以增大系统的识别距离。天线工作频率对识别距离的影响如图所示,在图4中,假定标签天线增益为2dBi。图中曲线描述了工作频率分别为842.5MHz、915MHz、953.5MHz时系统识别距离随阅读器天线增益变化的情况。

  阅读器的灵敏度与距离(反向距离)

由上面的方程大家就可以清楚的计算出来标签可以工作多远了。但是经常有人问我,为什么这个读写器加大了功率反而工作距离变近了呢?这里就要谈到另外一个指标——阅读器灵敏度。刚刚的这个问题就是因为阅读器灵敏度差引起的。

前面我们提到的Friis方程并总结的公式是针对正向距离的,如图5所示,只是表示标签可以听到阅读器说的话,但是不能说明阅读器能听到标签说的话从而完成对标签的识别工作。

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  图5

  这里要提出一个概念——反向链路。其实任何一个无源系统都是由两部分链路组成的,一部分是阅读器发给标签的命令标签“听到”了,另一部分是标签返回一个命令让阅读器“听到”,这个链路就算完成了,也就是我们常说的读到标签了。那么反向链路也就是阅读器听到的能量是多少呢?请看图6。

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  图6

  这个图很明确地表示出了阅读器也要听到标签“说的话”,由于标签是一个无源设备,返回的能量非常小,对阅读器的灵敏度要求也很高,这就是对阅读器灵敏度的要求了。

这里来举两个例子分别针对正向功率受限和反向阅读器灵敏度受限。图7中的两个图,分别代表高性能大功率阅读器和低性能小功率阅读器读取距离的差异。第一个图(正向受限)标签灵敏度-10dBm阅读器灵敏度-80dBm(两条蓝线),正向能量和反向能量随距离的变化曲线(两条红线)。可以看到标签可以工作6m的距离,阅读器可以工作12m的距离,取最小一个,其工作距离是6m,由正向距离决定。下面第二张图同理可以看出标签的灵敏度是-10dBm,而阅读器灵敏度-30dBm。那么正向距离正向3m,反向距离1.5m,其工作距离为1.5m,是有反向距离决定的(阅读器灵敏度)。

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  图7

  有很多阅读器在输出功率大的时候灵敏度急剧下降,最终导工作距离大幅下降反而没有输出功率低的时候距离远。在使用低性能阅读器的时候,最好的方法不是增大功率而是增大天线,增大天线可以增加工作距离而不影响系统的灵敏度。

天线是一个很神奇的东西,RFID也是一个很神奇的东西,里面的故事很多很多,等待大家一同去探索。在掌握了RFID技术和天线技术之后会有大量的项目等着我们去实现。

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