基于RFID技术远距离天线设计

基于RFID技术远距离天线设计
发表时间：2020-12-24T13:35:33.713Z 来源：《工程管理前沿》2020年29期作者：焦磊，李晓华，高文斌
[导读] RFID 技术指的是射频识别技术，其主要是利用无线电波进行通信的自动识别技术。

在RFID技
焦磊，李晓华，高文斌
陕西长岭电子科技有限责任公司，陕西宝鸡， 721006
摘要：RFID 技术指的是射频识别技术，其主要是利用无线电波进行通信的自动识别技术。

在RFID技术数据的通讯的过程中，无源的RFID 卡芯需要通过天线来获取足够能量同时天线的形式也决定了RFID卡的读写形式，因此天线设计的好坏将关系到整个系统工作的精准度，针对此本文从RFID 技术原理出发，对其工作原理进行了介绍。

在此基础上对RFID技术远距离天线设计考虑的磁场强度、直径、近场耦合、调谐等物理参数进行了分析，并对RFID技术远距离天线设计中需要重点考虑的因素进行了总结。

通过全文分析可为RFID技术远距离
天线设计提供参考，具有一定的工程意义。

关键词：RFID技术；远距离天线；设计；技术原理；物理参数
Design of long distance antenna based on RFID Technology
Abstract: RFID technology refers to radio frequency identification technology, which mainly uses radio wave to communicate automatically. In the process of RFID technology data communication, the passive RFID card core needs to obtain enough energy through the antenna. At the same time, the form of the antenna also determines the reading and writing form of the RFID card. Therefore, the quality of the antenna design will affect the accuracy of the whole system. In view of this, this paper introduces its working principle from the RFID technology principle. On this basis, the magnetic field strength, diameter, near-field coupling, tuning and other physical parameters considered in the design of RFID technology long-distance antenna are analyzed, and the key factors to be considered in the design of RFID technology long-distance antenna are summarized. The analysis can provide reference for the design of long-distance antenna of RFID technology, and has certain engineering significance.
Key words: RFID technology; long distance antenna; design; technical principle; physical parameters
1、RFID 技术原理
所谓RFID 技术指的是射频识别技术，其工作原理是通过读头以及标签之间的电磁或者电感耦合来进行数据之间的通信，从而实现对物品的自动识别。

从组成上来讲，RFID 的系统组成主要包含两部分，分别为RFID卡与读写器。

RFID 的系统中的RFID卡，其主要是由集成电路芯片以及外接天线组成，是一种无源的应答设备，RFID 的系统的读写器是由控制、通讯以及电线模块组成，用来实现数据的存储以及读写。

其工作原理是，首先RFID 卡进入到读写器的射频场后，其通过天线来获取相应的感应电流，感应电流进行升压后来作为芯片的电源。

同时带信息的感应电流通过射频前端电路来得到检测的数字信号。

检测到的数字信号经过控制电路的运算处理，处理后的回复信息将会发给前端电路，最后通过天线将最终数据传输到读写器。

通过分析可以看出，在数据的通讯的过程中，最为关键的零部件为天线，首先无源的 RFID 卡芯需要通过天线来获取足够能量，其次天线的形式也决定了RFID卡的读写形式。

2 RFID技术远距离天线设计考虑的物理参数
2．1 磁场强度
根据磁场强度的定义，运动的电荷产生磁场，而磁场的强弱往往通过磁场强度来表达，因此，基于RFID技术远距离天线作用距离的长短与天线线圈电流所产生的磁场强度有着密切的关系，通过天线圆形线圈的计算公式如下：
2.2天线直径
假设天线发射的距离X为常数，且天线中电流I不变的前提下，当改变天线的半径时，根据传输距离与半径之间的关系，可计算得到最大的一个磁场强度。

因此，天线系统中的每种射频装置，均有其最佳的半径尺寸。

如果天线尺寸设计的过大，将导致距离为零的地方磁感应
强度较小，同理，如果天线的半径尺寸较小的话，将导致远方的磁感应强度较小。

根据半径与磁感应强度之间的关系绘制如图2所示的曲线。

2.3 近场耦合
通常，当直径小于一定值且距离超过某一值时，天线的近场耦合将失去一定的作用，其将过渡到远距离的磁场之中。

通常来讲，在一个导体回路中，其初始磁场往往是在天线上开始，在传输过程中随着电磁感应的不断增强，将进一步有电场被感应得到。

并且当距离大于λ／2π时，电磁场将摆脱电线，以电磁波的传播形式进入到空间区域之中。

磁场进入空间之间的范围，被称为近场，FID 天线设计，是基于近场耦合的概念。

2.4调谐
RFID技术远距离天线设计中，RFID 系统读写器可等效为R-L-C串联电路，R 为电阻，L电感。

调谐过程中，天线线圈本身的电容对于谐振的影响很小，可以忽略不计，为使得阅读器天线线圈获得最大的电流，需要外加电容 C来完成对天线的调谐。

其计算关系如下：
2.5 电感
电感量值是磁通量与电流强度之比。

RFID 天线调试时，在条件有限的情况下，可以采用估算公式进行估算。

计算公式如下
其中，N 为匝数；R 为半径；d 为内径；μ0为磁导率。

3．基于RFID技术远距离天线设计
基于RFID技术远距离天线设计从分类上可分为两类，其一为电子标签天线设计，其二为读写器天线设计。

根据工作频段的不同，在天线的形式上也存在不同。

并且天线设计的好坏对系统性能影响较大。

在基于RFID技术远距离天线过程中需要考虑如下因素：3.1 天线的输入匹配。

在雷达天线的设计过程中，其设计形式往往采用微带天线的设计结构形式。

并且在设计时，通过采用控制天线的尺寸结构来保证输入阻抗与反馈线阻抗相匹配。

一般来讲，其匹配程度越高，辐射特性越好。

同时在设计过程中，也要考虑成本的影响，电子标签天线与标签芯片相连。

芯片大多为强感弱阻特性，很难获取阻抗特性数据。

因此在天线设计过程中，天线输入阻抗与芯片阻抗匹配是十分重要同时也十分困难。

3.2 天线方向图
基于RFID技术远距离天线设计出的天线，其在功能上能够捕获得到各个方向上读写器的能量。

因此在设计过程中，其设计出的天线要具有覆盖性以及方向性，并且其天线的形式要更具圆极化。

3.3 天线尺寸设计
基于RFID技术远距离天线设计，在设计上要求其天线尺寸应相对较小。

但尺寸较小的同时将导致天线的增益较小，因此在保证增益的前提下，设计出最为合适的天线尺寸成为学者们研究的重点。

4.小结
本文针对RFID 技术原理出发，对其工作原理进行了介绍。

在此基础上对RFID技术远距离天线设计考虑的多个物理参数进行了分析，并对RFID技术远距离天线设计中需要重点考虑的因素进行了总结。

通过全文分析可为RFID技术远距离天线设计提供参考。

从目前的设计形式上来看，在今后的技术发展中，天线的结构设计越简单，制造商更加容易。

参考文献
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