射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification,縮寫RFID），射頻識別技術(shù)是20世紀(jì)90年代開始興起的一種自動(dòng)識別技術(shù),，射頻識別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù),。RFID應(yīng)用將繼續(xù)以供應(yīng)物流領(lǐng)域?yàn)橹鳎谶@個(gè)領(lǐng)域用RFID收發(fā)器進(jìn)行包括各種各樣的可移動(dòng)貨物/產(chǎn)品的記錄和跟蹤,，在RFID收發(fā)器（信用卡大小的塑料/紙標(biāo)簽,，內(nèi)含芯片、射頻部分和天線）上的必要存儲(chǔ)將繼續(xù)成為主要的應(yīng)用,。另外的一個(gè)可能應(yīng)用就是將收發(fā)器標(biāo)簽貼到紡織品、藥品包裝或者甚至是單個(gè)藥盒內(nèi),。然而,，未來RFID還將被用在如地方公共交通、汽車遙控鑰匙,、傳送輪胎氣壓以及在移動(dòng)電話等領(lǐng)域內(nèi),。本文主要通過實(shí)際工作中對于各種RFID讀寫系統(tǒng)的對比，總結(jié)研究RFID讀寫器天線設(shè)計(jì)中比較實(shí)用的方法,。

　　1 實(shí)際RFID天線設(shè)計(jì)主要考慮物理參量

　　1.1 磁場強(qiáng)度

　　磁場強(qiáng)度是線圈安匝數(shù)的一個(gè)表征量,，反映磁場的源強(qiáng)弱。磁感應(yīng)強(qiáng)度則表示磁場源在特定環(huán)境下的效果,。打個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋确?，你用一個(gè)固定的力去移動(dòng)一個(gè)物體，但實(shí)際對物體產(chǎn)生的效果并不一樣,，比如你是借助于工具的,，也可能你使力的位置不同或方向不同,。對你來說你用了一個(gè)確定的力。而對物體卻有一個(gè)實(shí)際的感受,，你作用的力好比磁場強(qiáng)度,，而物體的實(shí)際感受好比磁感應(yīng)強(qiáng)度。它定義為磁通密度[1]B除以真空磁導(dǎo)率μ0再減去磁化強(qiáng)度μ,，即 -μH為矢量,。這樣，在恒定磁場中磁場強(qiáng)度的閉合環(huán)路積分僅與環(huán)路所鏈環(huán)的傳導(dǎo)電流Ic有關(guān)而不含束縛分子電流,。

　　運(yùn)動(dòng)的電荷或者說電流會(huì)產(chǎn)生磁場,，磁場的大小用磁場強(qiáng)度來表示。RFID天線的作用距離,，與天線線圈電流所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度緊密相關(guān),。

　　圓形線圈的磁場強(qiáng)度（在近場耦合有效的前提下，近場耦合有效與否的判斷在1.3節(jié)）可用式（1）進(jìn)行計(jì)算：

　　式中：H是磁場強(qiáng)度,；I是電流強(qiáng)度,；N為匝數(shù)；R為天線半徑,；x為作用距離,。

　　對于邊長ab的矩形導(dǎo)體回路，在距離為x處的磁場強(qiáng)度曲線可用下式計(jì)算,。

　　結(jié)果證實(shí)：在與天線線圈距離很?。▁R）處呈現(xiàn)出較高的磁場強(qiáng)度,。在電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)中,，應(yīng)當(dāng)考慮這種效應(yīng)，如圖1所示,。

1.2 最佳天線直徑

　　在與發(fā)射天線的距離x為常數(shù)并簡單地假定發(fā)射天線線圈中電流I不變的情況下,，如果改變發(fā)送天線的半徑R時(shí),，就可以根據(jù)距離x與天線半徑R之間的關(guān)系得到最大的磁場強(qiáng)度H.這意味著：對于每種射頻識別系統(tǒng)的閱讀器作用距離都對應(yīng)有一個(gè)最佳的天線半徑R.如果選擇的天線半徑過大,，那么在與發(fā)射天線的距離x=0處，磁場強(qiáng)度是很小的,；相反,，如果天線半徑的選擇太小,，那么其磁場強(qiáng)度則以z的三次方的比例衰減,，如圖2所示。

　　不同的閱讀器作用距離,，有著不同的天線最佳半徑,，它對應(yīng)著磁場強(qiáng)度曲線最大值。

　　從數(shù)學(xué)上來說,，也即對R求導(dǎo),，如式（3）所示：

從公式的零點(diǎn)中計(jì)算是拐點(diǎn)以及函數(shù)的最大值。

發(fā)射天線的最佳半徑對應(yīng)于最大期望閱讀器的2孺值,。第二個(gè)零點(diǎn)的負(fù)號表示導(dǎo)電路的磁場強(qiáng)度在x軸的兩個(gè)方向傳播,。這里需要指出的是,，使用此式的前提條件,，是近場耦合有效,。下面簡介近場耦合的概念,。

　　1.3 近場耦合

　　真正使用前面所提到的公式時(shí)，有效的邊界條件為：

　　d《R以及x<λ/2π,，原因是當(dāng)超出上述范圍時(shí)，近場耦合便失去作用了,，開始過渡到遠(yuǎn)距離的電磁場,。一個(gè)導(dǎo)體回路上的初始磁場是從天線上開始的。在磁場的傳輸過程中,，由于感應(yīng)的增加也形成電場。這樣,，最原始的純磁場就連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換成了電磁場,。當(dāng)距離大于λ/2π的時(shí)候，電磁場最終擺脫天線,，并作為電磁波進(jìn)入空間,。在作為電磁波進(jìn)入空間之前的這個(gè)范圍，就叫做天線的近場,，本文所涉及的RFID天線設(shè)計(jì),，是基于近場耦合的概念,。所以距離應(yīng)當(dāng)限定在上述的范圍之內(nèi),。
1.4 調(diào)諧

　　RFID系統(tǒng)讀寫器可以等效為一個(gè)R-L-C串聯(lián)電路,，其中R為繞線線圈的電阻，L為天線自身的電感,。一般調(diào)諧過程當(dāng)中,，由于天線線圈本身的電容對于諧振的影響很小，可以忽略不計(jì),，故為了使閱讀器在工作頻率下天線線圈獲得最大的電流,，需要外加一個(gè)電容C,完成對天線的調(diào)諧,，達(dá)到這一目的,。而調(diào)諧電容，天線的電感以及工作頻率之間的關(guān)系,，可以通過以下湯姆遜公式求得,，即：

1.5 電感的估算

　　電感器（電感線圈）和變壓器均是用絕緣導(dǎo)線（例如漆包線、紗包線等）繞制而成的電磁感應(yīng)元件,，也是電子電路中常用的元器件之一,，相關(guān)產(chǎn)品如共模濾波器等。線圈中有電流通過時(shí),，線圈的周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場,。當(dāng)線圈中電流發(fā)生變化時(shí)，其周圍的磁場也產(chǎn)生相應(yīng)的變化,，此變化的磁場可使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢（電動(dòng)勢用以表示有源元件理想電源的端電壓）,，這就是自感。兩個(gè)電感線圈相互靠近時(shí),，一個(gè)電感線圈的磁場變化將影響另一個(gè)電感線圈,，這種影響就是互感?；ジ械拇笮∪Q于電感線圈的自感與兩個(gè)電感線圈耦合的程度,，利用此原理制成的元件叫做互感器。

　　電感量值的物理意義是：在電流包圍的總面積中產(chǎn)生的磁通量與導(dǎo)體回路包圍的電流強(qiáng)度之比,。實(shí)際RFID天線調(diào)試的時(shí)候,，讀寫器天線電感量值可以通過阻抗分析儀測出，在條件有限的情況下,，也常采用估算公式進(jìn)行估算,。假定導(dǎo)體的直徑d與導(dǎo)體回路直徑D之比很小（d/D<0.001）,，則導(dǎo)體回路的電感可簡單地近似為：

　　式中：N為繞線天線的匝數(shù),；R為天線線圈的半徑,；d為導(dǎo)體的內(nèi)徑；μ0為自由空間磁導(dǎo)率,。

　　線圈匝數(shù)還有以下的近似公式進(jìn)行估算,，在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)公式可以進(jìn)行對照使用：

式中：L為線圈電感,，單位為nH;A為天線線圈包圍面積,，單位為cm2;D為導(dǎo)線直徑，單位為cm.

　　1.6 天線的品質(zhì)因數(shù)

　　天線的性能還與它的品質(zhì)因數(shù)有關(guān),。Q既影響能量的傳輸效率,，也影響頻率的選擇性。過高的Q值雖然能使天線的輸出能量增大,，但是同時(shí),，讀寫器的通帶特性也會(huì)受到影響。所以在實(shí)際調(diào)節(jié)Q值的時(shí)候,，要進(jìn)行折中的考慮。調(diào)節(jié)Q值,，是通過在R-L-C等效電路上面串接一個(gè)電阻R1實(shí)現(xiàn)的,，具體的公式如下：

　　Q=ωL/（R+R1） （8）

　　2 實(shí)際調(diào)試

　　RFID天線的設(shè)計(jì)需要考慮很多因素，上述幾個(gè)是實(shí)際的調(diào)試過程中的重要物理參量,。明確了上述物理參量之后,，在給定期望距離以及工作頻率等RFID系統(tǒng)要求之后，在條件有限的情況下,，就可以根據(jù)需要進(jìn)行簡單的RFID天線設(shè)計(jì)了,。下面給出一個(gè)應(yīng)用于軌道交通的RFID天線設(shè)計(jì)的實(shí)際例子。此處設(shè)計(jì)一個(gè)期望最大作用距離為1 cm,工作頻率在125 kHz的繞線天線,，系統(tǒng)要求閱讀器天線線圈的半徑盡量小,，不超過1 cm.具體步驟如下：

　　首先確定天線的最佳半徑，不宜太大也不宜太小,，理想的最佳天線半徑應(yīng)當(dāng)為期望作用距離的2倍,，在實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)計(jì)需求在設(shè)計(jì)中進(jìn)行折衷的考慮,，在保證系統(tǒng)要求的前提下,，盡可能地接近最佳值。本例中閱讀器天線的最佳半徑應(yīng)當(dāng)為1.4

　　cm,但是考慮到系統(tǒng)對于天線半徑尺寸的要求不超過1 cm,所以實(shí)際中取半徑為0.8

　　cm.在允許的條件下,，為使效果更好，可以加入一個(gè)帶有適量鐵氧體的天線骨架,、天線以及閱讀器板子,，如圖3所示,。

其次，再根據(jù)工作頻率以及系統(tǒng)本身的要求確定電感量的大致范圍,，本系統(tǒng)中取電感量在600~800μH.再者,，用電感量與匝數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式大致估計(jì)繞線的匝數(shù)。本例中,，取電感量在700μH,用直徑為0.27 mm的銅導(dǎo)線進(jìn)行繞制天線,。由公式

　　計(jì)算出匝數(shù)大概在266圈左右，繞完后,，根據(jù)湯姆遜公式

　　選取所用的調(diào)諧電容,。用相關(guān)的儀器（如頻譜儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）測量出諧振頻率，這個(gè)時(shí)候,，由于電感只是估算的,，而且選用的匹配電容也是具有一定標(biāo)稱值的，并不能做到與計(jì)算一致,，所以總是會(huì)存在誤差,。

　　由于調(diào)諧的電容是已知的，而且有固定的標(biāo)稱值,，可以根據(jù)湯姆遜公式由這個(gè)時(shí)候測得的頻率反推出在恰好達(dá)到此頻率的時(shí)候所需要的電感的大小,，即繞線線圈電感?？搭l率的偏移情況,，按電感量估算公式逐步增加或者減少線圈匝數(shù)，直到達(dá)到指定的諧振頻率125 kHz.用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及頻譜儀測諧振頻率的實(shí)際圖片如圖4,圖5所示,。

3 結(jié) 語

　　根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及頻譜分析儀的顯示,，本RFID天線已經(jīng)成功諧振在125 kHz.接下來便可根據(jù)所提到的公式，計(jì)算出調(diào)Q值所用的電阻的大小,，然后根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行進(jìn)一步的聯(lián)調(diào)測試了,。實(shí)際工程中，RFID讀寫器及標(biāo)簽有各種電路結(jié)構(gòu),，但是歸根到底都是等效成R-L-C諧振電路的,，比如說PHILIPS的MIFARE系列讀寫器的天線設(shè)計(jì)，所以本文對于各種RFID系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)具有普遍的指導(dǎo)意義,。