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在射頻識(shí)別系統(tǒng)中的天線問(wèn)題

文章出處:http://srpd123.com 作者:P R Foster and R A Burberry&nbsp;&nbsp; 人氣: 發(fā)表時(shí)間:2011年10月26日

[文章內(nèi)容簡(jiǎn)介]:在射頻識(shí)別系統(tǒng)中的天線問(wèn)題

在射頻識(shí)別系統(tǒng)中的天線問(wèn)題

 

P R Foster and R A Burberry

 

引言

 

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435 MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz,在零售商品中使用。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[1],[2]。

可選的天線

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型,全向的天線具有峰值增益0到2 dBi;方向性的天線的增益可以達(dá)到6 dBi。增益大小影響天線的作用距離。下表中的前三個(gè)種類的天線是線極化的,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3 dB 以強(qiáng)的信號(hào)。

 

表 可選的幾種天線

天線

模式類型

自由空間帶寬(%)

尺寸

(波長(zhǎng))

阻抗

(歐姆)

圖示見(jiàn)

雙偶極子

全向

10-15

0.5

50-80

1

折疊偶極子

全向

15-20

0.5 0.05

100-300

印刷偶極子

方向性

10-15

0.5 0.5 0.1

50-100

 

微帶面

方向性

2-3

0.5 0.5

30-100

圖3

對(duì)數(shù)螺旋

方向性

100

0.3高 0.25 底直徑

50-100

3

   

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,見(jiàn)圖4和圖5。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62.5 mm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0.2 dB??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)候性能嚴(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20 dB (見(jiàn)圖6)。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12 dB。在與天線距離100mm的時(shí)候,測(cè)量了幾瓶水(塑料和玻璃),見(jiàn)圖7,反回信號(hào)降低大于10 dB。 在蠟紙盒的液體,甚至蘋(píng)果上做試驗(yàn)得到了類似的結(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2.45 GHz的工作頻率計(jì)算,假設(shè)一個(gè)代表性的幾何形狀,見(jiàn)圖8,9,10, 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。圖11和圖12是在一個(gè)天線前的一個(gè)橫截平面的接收信號(hào)等高線圖,顯示了嚴(yán)重的失真。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),2.45 GHz 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[3]。如果使用WHO限制[4]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。

參考文獻(xiàn)

1.     C M Montiel, Lu Fan and Jai Chang, `A Novel Active Antenna with Self-Mixing and Wide-band Varactor-Tuning Capabilities for Communication and Vehicle Identification, IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-44, No 12, Dec. 1996, p2421-2430

2.     C W Polenz and Tatsuo Itoh, `A Microwave Noncontact Identification Transponder using Subharmonic Interrogation, IEEE Trans on Microwave Theory and Tech, Vol. MTT-43, No 7, July 1995, p1673-1679

3.     Restrictions on human exposure to static and time varying electromagnetic fields and radiation, Documents of the NRPB, Vol. 4, No 5 to 7-63, 1993

4.     Electromagnetic Fields (300 Hz to 300 GHz), Environmental Health Criteria 137, WHO, Geneva, 1993

  

     

1. 雙偶極子的變種

2微帶面天線的幾何圖形

            

     圖3.貼上對(duì)數(shù)螺旋天線的瓶子的框圖       圖4天線和物體的中心分開(kāi)距離S

5一聽(tīng)罐頭天線的返回?fù)p耗       6 不同的聽(tīng)狀物體與天線距離的方位角輻射模式

 RFID世界網(wǎng)/D天線/技術(shù)文庫(kù)RFID天線 

7幾瓶水的天線方位角輻射模式              圖8在一個(gè)標(biāo)簽垂直線2.5米前使用GTD計(jì)算得到的輻射模式 (在一個(gè)倉(cāng)庫(kù)中見(jiàn)圖10)

 RFID天線RFID天線


9在分布的倉(cāng)庫(kù)中,在一個(gè)讀卡機(jī)天線垂線距離6米處,使用GTD計(jì)算得到的輻射模式

10倉(cāng)庫(kù)的幾何形狀。讀卡機(jī)的電磁波束在兩列架子的過(guò)道處向下發(fā)射,RFID天線貼到架子賞的盒子中間,正對(duì)過(guò)道。



11在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)標(biāo)簽天線前2.5米平面的信號(hào)等高線圖(見(jiàn)圖10)

本文關(guān)鍵詞:在射頻識(shí)別系統(tǒng)中的天線問(wèn)題
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