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RFID电子标签天线设计分析

2020/02/26 阅读:

摘要:本文基于低频RFID通信电磁感应原理、谐振电路原理、多层线圈的电感计算公式推导出低频无源RFID电子标签识读距离计算公式,提出提高低频无源电子标签识读距离的方法,实验结果验证了远距离低频标签天线设计方法的正确性和可行性。

关键词:低频;射频识别;应答器;天线;线圈;电感;寄生电容

无源低频RFID电子标签的工作频率为120kHz~135kHz,因为其穿透力很强,可适应于液体、人体组织、建筑物等,标签识读性能力不受环境影响,因此在动物管理中有广泛应用,但无源低频RFID电子标签是通过磁场耦合实现与标签识读器之间的通信,磁场在自由空间传播衰减很快,因此该电子标签的读写距离很短,通常在10cm以内,该项缺陷严重限制了无源低频RFID电子标签的应用。本文提出一种远距离无源低频RFID电子标签的设计,可以使无源低频RFID电子标签的读距离增加到1米以上,使低频电子标签可以作为地埋式电子标签,应用于地下管道管理,扩展无源低频RFID电子标签的应用。

1远距离低频RFID电子标签原理

1.1识读器终端天线的磁场无源低频RFID电子标签天线与识读器天线之间的作用是基于电磁感应原理。当低频电子标签置于低频标签识读器天线的电磁场中,电子标签天线线圈上感应有电压。电子标签线圈上感应电压的示意图如图1所示。如果识读器线圈的匝数为N1,标签天线线圈的匝数为N2,磁芯的相对导磁率为,线圈都为圆形,线圈的半径分别为r1和r2,两个线圈圆心之间的距离为d,两个线圈平行放置,由法拉利电磁感应定律可以得到电子标签线圈上感应的电压为[1]:其中:ψ为穿过标签天线回路的磁通量;M为识读器天线和标签天线两个线圈之间的互感。1.2电子标签谐振回路的输出电压电子标签射频前端采用并联谐振电路,其等效电路如图2所示。其中L1为识读器天线电感,L2为标签线圈电感,R2为标签线圈的内阻,C2为标签的谐振电容,是标签芯片片内、片外谐振电容的总和,RL为标签谐振回路的等效负载,是标签芯片实际工作负载和谐振电容寄生的并联电阻所产生负载的总和。互感M在L2上产生的电压作为L2回路的信号源,等效回路的输出电压表达式为[2]:1.3多层圆环天线圈的电感为了在有限的空间中制作出大的电感,采用多层线圈是一种很有效的方法。图3示出了多层圆形电感线圈的截面图。1.4RFID电子标签的识读距离识读范围就是射频识别的识读器与标签之间的最大通信距离,即标签的识读距离。若标签识读器天线的电流为I1=I1Msin(ωt),由式(3)和式(6)、式(7)、式(9)可以得到标签的识读距离:其中,I1M为标签识读器天线的电流幅值,Vo为标签芯片的最低工作电压,RL0为标签芯片的最低工作电压时的等效负载,Vo和RL0与标签芯片的灵敏度相关。式(10)中,第一项多项式为标签识读器天线的参数,每二项为电子标签天线的参数,第三项为标签芯片的参数,与芯片的灵敏度相关,标签的读距离与这些因素密切相关,因此为了提高标签的识读距离,需要从识读器和标签两个方向进行改进。可以从识读器天线的电流、线圈匝数、以及线圈尺寸方面进行改进,还可以从标签天线的形状尺寸方面进行改进,增大线圈半径并且如果采用带有铁氧体磁芯的线圈,将会有更远的识读范围。另外还可以从芯片方面进行改进,增大标签芯片的谐振电容或在芯片外并联一个或多个谐振电容并降低标签芯片的最低工作电压(降低标签芯片的灵敏度),以及采用HDX(半双工)通信方式有利于提高低频电子标签的识读范围。1.5线圈的寄生电容电感线圈的匝和匝之间、层和层之间不可避免的存在着分布电容,分布电容的存在将对线圈的其他电学量的有效值造成影响。在近距离的低频电子标签天线中,线圈较小,分布电容也较小,分布电容的影响较小,可以忽略不计,但在远距离的低频电子标签天线中,线圈较大,其分布电容不可忽略。同一层的各匝线圈之间的分布电容称为匝间电容Cc,不同层的各匝线圈之间的分布电容称之为层间电容Cg,如图4所示:如果匝数较多,同一层相邻两匝之间的电势差会比较小,匝间电容储存电荷会比较少。由图4可知,从绕组端口A、B看,所有的匝间电容Cc都是串联的,由于多个电容串联后等效电容很小,因此在分析线圈总的分布电容时可以忽略匝间电容。而层与层间的电容Cg是并联的,并联后总电容等于各个电容值之和。经过以上简单分析,可以得出层间电容是线圈分布电容的主要部分。对于多层线圈,总的分布电容是多个层间分布电容的串联。因此在绕组每层线圈匝数一定的情况下,绕组层数越多,等效分布电容就越小。多层绕制时,要使用“Z型”绕组[4],每绕完一层后都要返回到起点开始绕下一层,旋绕方向相同,走线方向相同。尽可能选用电阻率低的高频线,导线外层覆盖有低介电常数的绝缘层,在线圈尺寸允许的情况下,优先选用厚绝缘层的导线。

2实验结果

基于无源低频RFID电子标签芯片,设计了一个远距离的低频电子标签,谐振电容为2250pF,其天线为空心电感线圈,使用的导线为带有绝缘外层的多股铜线,导线绝缘层的外径为1mm,天线电感线圈的内径为200mm,采用Z形多层绕制方法。使用某公司的远距离低频标签识读器(工作频率为134.2kHz)进行读距离测试,测试结果为1.1米,相对于传统低频电子标签10cm的读距离,其识读范围有很大的提升。

3结论

提高无源低频RFID电子标签的识读距离,需要从识读器和标签两个方向进行改进。对于识读器设备在确定条件下运行,标签的识读范围受天线线圈的性能影响很大,长距离的识读范围要求大尺寸的天线线圈并适当增加标签的谐振电容。如果选用带有磁棒芯的线圈,可以使线圈结构更紧凑,并且使标签的识读范围更远。天线线圈要尽可能地减小寄生的分布电容。

作者:孔令荣 杨跃胜

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