RFID与天线设计问题探讨讲解.doc

RFID与天线设计问题探讨　 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。 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。 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