远距离 RFID 天线设计 作者：刘 欣，杨 晖，嵇正华，隋国荣 时间：2006-10-25 来源: 摘要：采用 TI 的专用读卡器，配合自行设计的天线，将 13.56MHz 的读卡器有效读卡距离拓展到 60cm，实 现了远距离识别，极大地提高了 RFID 的应用性能。 关键词：天线；无线射频识别；读卡器 引言 RFID(Radio Frequency Identification)，中文称为无线射频身份识别是一种非接触式 IC 卡技术。它通 过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。RFID 技术具有很多突出的优点： 防水、防磁、耐高温、无机械磨损、寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存 储信息更改自如等。通常情况下，RFID 阅读器发送的频率称为 RFID 系统的工作频率或载波频率。RFID 载波频率基本上有 3 个范围：低频(30kHz～300kHz)、高频(3MHz～30MHz)和超高频(300MHz～ 3GHz)。常见的工作频率有低频 125kHz 与 134.2kHz、高频 13.56MHz、超高频 433MHz、860MHz～ 930MHz、2.45GHz 等。 一个完整的 RFID 系统由阅读器(Reader)、标签(Tag)和应用程序三部分组成。其工作原理为：由 Reader 发射一个特定频率的无线电波，将能量传送给 Tag，激活 Tag 内部电路，然后 Tag 将其 IDCode 发送出 去，此信号被 Reader 接收后解码，再发送给应用程序做进一步处理应用。 一般来说，工作频率为 13.56MHz 的射频标签被称为高频段标签，但是其识别原理同低频类似，即采用电 磁耦合的方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得能量，标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅 读器天线辐射的近场区内。阅读距离一般情况下小于 1m。 天线设计 在天线的设计时，主要考虑两方面，一是设计尺寸合适的天线，二是搭建天线与阅读器的匹配电路。 天线尺寸 天线线圈是一个谐振电路，在特定频率上，当感应阻抗(XL)等于电容阻抗(XC)时，天线会产生谐振，它们 之间的关系如下式所示： 增加线圈尺寸必然带来电感值的增大，就需要一个比较小的电容。当电感值超过 5μH，电容的匹配就会有 问题，所以我们使用低阻抗的铜管来制作天线，尺寸为 50cm×50cm，铜管直径 15mm，其电感值为 L=2.2μH。 

天线的作用有两个，一个是建立稳定的激励磁场，另一个是接受来自标签的调制信号。标签要在距天线一 定距离的地方获得稳定的工作电源，就必须和天线有较大的互感系数，同时天线的磁通也要尽可能的大。 天线要在与标签保持一定距离的地方获得较强的调制信号，就必须有合适的品质因数。 品质因数(Q) 天线的性能与它的品质因数有关。一般来说，Q 值越高，天线的输出能量越高，不过，Q 值太高，容易干 扰读取器的带通特性，而且无法遵从协议标准。一般来说，Q 值取 20 比较适当。 当品质因数 Q=20 时，系统带通特性较好，带宽也比较大。一般情况下，大多数系统的最佳品质因数为 10～30，最大不能超过 60。 天线的品质因数可以通过频谱分析仪来进行测量，将频谱分析仪的刻度调节为 1dB/div，调节频率直到信 号的最大振幅都能完全显示在屏幕上，通过降低和升高频率，可以在屏幕上找到上下-3dB 的点，并记录其 频率。然后通过下面的公式来计算： 天线的带宽计算公式为 匹配电路 为了增加天线所产生的磁场强度，需要增大天线线圈中的电流。本系统采用变压器匹配的方法增大电流。 如图 1 所示。 图 1 匹配电路 其中，不平衡变压器可以平衡负载，使天线线圈中的电流不干扰接收电路的信号。匹配电压器用来放大天 线线圈中的电流。根据变压器的原理，N1/N2=I2/I1，其 N1/N2 为变压器两个绕组的匝数比，通过控制匝 数比，可以相应的增加天线线圈中的电流。实际电路中的匝数比可以通过下式来计算： 

式中，Rin 为输入电阻，Rpar 为匹配电阻，L 为电感。 为了使天线在 13.56MHz 频段上达到谐振，即满足公式(1)，应当选取适当的电容 Cpar， 在实际设计过程中，我们使用了一个 10～80pF 的可调云母电容和一个 0.8 ～10pF 的气隙可调电容并 联，通过改变可调电容的值来达到电路的谐振。 卷标天线 为了增强读取器与卷标之间的互感，可以增大卷标上的天线。由于卡片尺寸的限制，本系统卷标天线的尺 寸为 3cm×3cm，使用细铜丝绕制。 结束语 本系统经过实际使用表明，天线有效距离增大，单个天线的有效读卡距离达到 60cm，当两个天线并联使 用时，最大有效距离可以达到 120cm，极大的提高了系统的使用价值。