RFID射頻天線選擇技巧解讀

在RF裝置中，工作頻率增加到微波區(qū)域的時(shí)候，天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問(wèn)題變得更加嚴(yán)峻。天線的目標(biāo)是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片。這需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)天線和自由空間以及其相連的標(biāo)簽芯片的匹配。本文考慮的頻帶是435MHz，2.45 GHz 和 5.8 GHz，在零售商品中使用。

格洛博電子公司首席工程師認(rèn)為天線必須：

足夠的小以至于能夠貼到需要的物品上；

有全向或半球覆蓋的方向性；

提供最大可能的信號(hào)給標(biāo)簽的芯片；

無(wú)論物品什么方向，天線的極化都能與讀卡機(jī)的詢(xún)問(wèn)信號(hào)相匹配；

具有魯棒性；

非常便宜。

在選擇天線的時(shí)候的主要考慮是：

天線的類(lèi)型；

天線的阻抗；

在應(yīng)用到物品上的RF的性能；

在有其他的物品圍繞貼標(biāo)簽物品時(shí)的RF性能。

可能的選擇

這里有兩種使用方式：

一）貼標(biāo)簽的物品被放在倉(cāng)庫(kù)中，有一個(gè)便攜裝置，可能是手持式，詢(xún)問(wèn)所有的物品，并且需要它們給予信息反饋信息；

二）在倉(cāng)庫(kù)的門(mén)口安裝讀卡設(shè)配，詢(xún)問(wèn)并記錄進(jìn)出物品。還有一個(gè)主要的選擇是有源標(biāo)簽還是無(wú)源標(biāo)簽。

可選的天線

在435 MHz，2.45 GHz 和 5.8 GHz頻率是用的RFID系統(tǒng)中，可選的天線有幾種，見(jiàn)下表，它們重點(diǎn)考慮了天線的尺寸。這樣的小天線的增益是有限的，增益的大小取決于輻射模式的類(lèi)型，全向的天線具有峰值增益0到2dBi；方向性的天線的增益可以達(dá)到6dBi。增益大小影響天線的作用距離。下表中的前三個(gè)種類(lèi)的天線是線極化的，但是微帶面天線可以使圓極化的，對(duì)數(shù)螺旋天線僅僅是圓極化的。由于RFID標(biāo)簽的方向性是不可控的，所以讀卡機(jī)必須是圓極化的。一個(gè)圓極化的標(biāo)簽天線可以產(chǎn)生3dB 以強(qiáng)的信號(hào)。

阻抗問(wèn)題

為了最大功率傳輸，天線后的芯片的輸入阻抗必須和天線的輸出阻抗匹配。幾十年來(lái)，設(shè)計(jì)天線與50 或70歐姆的阻抗匹配，但是可能設(shè)計(jì)天線具有其他的特性阻抗。例如，一個(gè)縫隙天線可以設(shè)計(jì)具有幾百歐姆的阻抗。一個(gè)折疊偶極子的阻抗可以是一做個(gè)標(biāo)準(zhǔn)半波偶極子阻抗的20倍。印刷貼片天線的引出點(diǎn)能夠提供一個(gè)很寬范圍的阻抗(通常是40 到100歐姆)。選擇天線的類(lèi)型，以至于它的阻抗能夠和標(biāo)簽芯片的輸入阻抗匹配是十分關(guān)鍵的。另一個(gè)問(wèn)題是其他的與天線接近的物體可以降低天線的返回?fù)p耗。對(duì)于全向天線，例如雙偶極子天線，這個(gè)影響是顯著的。改變雙偶極子天線和一聽(tīng)番茄醬的間距做了一些實(shí)際測(cè)量，顯示了一些變化。其他的物體也有相似的影響。此外是物體的介電常數(shù)，而不是金屬，改變了諧振頻率。一塑料瓶子水降低了最小返回?fù)p耗頻率16%。當(dāng)物體與天線的距離小于62.5mm的時(shí)候，返回?fù)p耗將導(dǎo)致一個(gè)3.0 dB的插入損耗，而天線的自由空間插入損耗才0.2dB?？梢栽O(shè)計(jì)天線使它與接近物體的情況相匹配，但是天線的行為對(duì)于不同的物體和不同的物體距離而不同。對(duì)于全向天線是不可行的，所以設(shè)計(jì)方向性強(qiáng)的天線，它們不受這個(gè)問(wèn)題的影響。

輻射模式

在一個(gè)無(wú)反射的環(huán)境中測(cè)試了天線的模式，包括了各種需要貼標(biāo)簽的物體，在使用全向天線的時(shí)候性能?chē)?yán)重下降。圓柱金屬聽(tīng)引起的性能下降是最嚴(yán)重的，在它與天線距離50mm的時(shí)候，反回的信號(hào)下降大于20dB。天線與物體的中心距離分開(kāi)到100--150mm的時(shí)候，反回信號(hào)下降約10 到12dB。在與天線距離100mm的時(shí)候，測(cè)量了幾瓶水（塑料和玻璃），反回信號(hào)降低大于10dB。在蠟紙盒的液體，甚至蘋(píng)果上做試驗(yàn)得到了類(lèi)似的結(jié)果。

局部結(jié)構(gòu)的影響

在使用手持的儀器的時(shí)候，大量的其他臨近物體的使讀卡機(jī)天線和標(biāo)簽天線的輻射模式嚴(yán)重失真。這可以對(duì)于2.45GHz的工作頻率計(jì)算，假設(shè)一個(gè)代表性的幾何形狀，和自由空間相比，顯示返回信號(hào)降低了10dB，在雙天線同時(shí)使用的時(shí)候，比預(yù)料的模式下降的更多。在倉(cāng)庫(kù)的使用環(huán)境下，一個(gè)物品盒子具有一個(gè)標(biāo)簽會(huì)有問(wèn)題，幾個(gè)標(biāo)簽貼在一個(gè)盒子上以確保所有時(shí)候都有一個(gè)標(biāo)簽是可以看見(jiàn)的。便攜系統(tǒng)的使用有幾個(gè)天線的問(wèn)題。每個(gè)盒子兩個(gè)天線足夠適合門(mén)禁裝置探測(cè)，這樣局部結(jié)構(gòu)的影響變得不再重要，因?yàn)殚T(mén)禁裝置的讀卡機(jī)天線被固定在倉(cāng)庫(kù)的出入，并且直接指向貼標(biāo)簽的物體。

距 離

RFID天線的增益和是否使用有源的標(biāo)簽芯片將影響系統(tǒng)的使用距離。樂(lè)觀的考慮，在電磁場(chǎng)的輻射強(qiáng)度符合UK的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，2.45GHz 的無(wú)源情況下，全波整流，驅(qū)動(dòng)電壓不大于3伏，優(yōu)化的RFID天線阻抗環(huán)境(阻抗 200 或300歐姆)，使用距離大約是1米。如果使用WHO限制則更適合于全球范圍的使用，但是作用距離下降了一半。這些限制了讀卡機(jī)到標(biāo)簽的電磁場(chǎng)功率。作用距離隨著頻率升高而下降。如果使用有源芯片作用距離可以達(dá)到5到10米。

總 結(jié)

全向天線應(yīng)該避免在標(biāo)簽中使用，然而是可以使用方向性天線，它具有更少的輻射模式和返回?fù)p耗的干擾。天線類(lèi)型的選擇必須使它的阻抗與自由空間和ASIC匹配。在一個(gè)倉(cāng)庫(kù)中使用天線好像是不可行的，除非使用有源標(biāo)簽，但是在任何情況下，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的天線輻射模式將嚴(yán)重失真。一個(gè)門(mén)禁系統(tǒng)的使用將是好的選擇，可以使用短作用距離的無(wú)源標(biāo)簽。當(dāng)然門(mén)禁系統(tǒng)比手持的儀器昂貴，但是手持儀器工作人員需要使用它到倉(cāng)庫(kù)搜尋物品，人員費(fèi)用同樣昂貴。在門(mén)禁系統(tǒng)中，每一個(gè)物品盒子，僅需要2個(gè)而不是4個(gè)或6個(gè)RFID標(biāo)簽。