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摘要：本文基于低頻rfid通信電磁感應(yīng)原理、諧振電路原理、多層線圈的電感計(jì)算公式推導(dǎo)出低頻無源RFID電子標(biāo)簽識讀距離計(jì)算公式，提出提高低頻無源電子標(biāo)簽識讀距離的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了遠(yuǎn)距離低頻標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)方法的正確性和可行性。
關(guān)鍵詞：低頻；射頻識別；應(yīng)答器；天線；線圈；電感；寄生電容
無源低頻RFID電子標(biāo)簽的工作頻率為120kHz~135kHz，因?yàn)槠浯┩噶軓?qiáng)，可適應(yīng)于液體、人體組織、建筑物等，標(biāo)簽識讀性能力不受環(huán)境影響，因此在動(dòng)物管理中有廣泛應(yīng)用，但無源低頻RFID電子標(biāo)簽是通過磁場耦合實(shí)現(xiàn)與標(biāo)簽識讀器之間的通信，磁場在自由空間傳播衰減很快，因此該電子標(biāo)簽的讀寫距離很短，通常在10cm以內(nèi)，該項(xiàng)缺陷嚴(yán)重限制了無源低頻RFID電子標(biāo)簽的應(yīng)用。本文提出一種遠(yuǎn)距離無源低頻RFID電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)，可以使無源低頻RFID電子標(biāo)簽的讀距離增加到1米以上，使低頻電子標(biāo)簽可以作為地埋式電子標(biāo)簽，應(yīng)用于地下管道管理，擴(kuò)展無源低頻RFID電子標(biāo)簽的應(yīng)用。
1遠(yuǎn)距離低頻RFID電子標(biāo)簽原理
1.1識讀器終端天線的磁場無源低頻RFID電子標(biāo)簽天線與識讀器天線之間的作用是基于電磁感應(yīng)原理。當(dāng)?shù)皖l電子標(biāo)簽置于低頻標(biāo)簽識讀器天線的電磁場中，電子標(biāo)簽天線線圈上感應(yīng)有電壓。電子標(biāo)簽線圈上感應(yīng)電壓的示意圖如圖1所示。如果識讀器線圈的匝數(shù)為N1，標(biāo)簽天線線圈的匝數(shù)為N2，磁芯的相對導(dǎo)磁率為，線圈都為圓形，線圈的半徑分別為r1和r2，兩個(gè)線圈圓心之間的距離為d，兩個(gè)線圈平行放置，由法拉利電磁感應(yīng)定律可以得到電子標(biāo)簽線圈上感應(yīng)的電壓為[1]：其中：ψ為穿過標(biāo)簽天線回路的磁通量；M為識讀器天線和標(biāo)簽天線兩個(gè)線圈之間的互感。1.2電子標(biāo)簽諧振回路的輸出電壓電子標(biāo)簽射頻前端采用并聯(lián)諧振電路，其等效電路如圖2所示。其中L1為識讀器天線電感，L2為標(biāo)簽線圈電感，R2為標(biāo)簽線圈的內(nèi)阻，C2為標(biāo)簽的諧振電容，是標(biāo)簽芯片片內(nèi)、片外諧振電容的總和，RL為標(biāo)簽諧振回路的等效負(fù)載，是標(biāo)簽芯片實(shí)際工作負(fù)載和諧振電容寄生的并聯(lián)電阻所產(chǎn)生負(fù)載的總和。互感M在L2上產(chǎn)生的電壓作為L2回路的信號源，等效回路的輸出電壓表達(dá)式為[2]：1.3多層圓環(huán)天線圈的電感為了在有限的空間中制作出大的電感，采用多層線圈是一種很有效的方法。圖3示出了多層圓形電感線圈的截面圖。1.4RFID電子標(biāo)簽的識讀距離識讀范圍就是射頻識別的識讀器與標(biāo)簽之間的最大通信距離，即標(biāo)簽的識讀距離。若標(biāo)簽識讀器天線的電流為I1=I1Msin(ωt)，由式（3）和式（6）、式（7）、式（9）可以得到標(biāo)簽的識讀距離：其中，I1M為標(biāo)簽識讀器天線的電流幅值，Vo為標(biāo)簽芯片的最低工作電壓，RL0為標(biāo)簽芯片的最低工作電壓時(shí)的等效負(fù)載，Vo和RL0與標(biāo)簽芯片的靈敏度相關(guān)。式（10）中，第一項(xiàng)多項(xiàng)式為標(biāo)簽識讀器天線的參數(shù)，每二項(xiàng)為電子標(biāo)簽天線的參數(shù)，第三項(xiàng)為標(biāo)簽芯片的參數(shù)，與芯片的靈敏度相關(guān)，標(biāo)簽的讀距離與這些因素密切相關(guān)，因此為了提高標(biāo)簽的識讀距離，需要從識讀器和標(biāo)簽兩個(gè)方向進(jìn)行改進(jìn)。可以從識讀器天線的電流、線圈匝數(shù)、以及線圈尺寸方面進(jìn)行改進(jìn)，還可以從標(biāo)簽天線的形狀尺寸方面進(jìn)行改進(jìn)，增大線圈半徑并且如果采用帶有鐵氧體磁芯的線圈，將會有更遠(yuǎn)的識讀范圍。另外還可以從芯片方面進(jìn)行改進(jìn)，增大標(biāo)簽芯片的諧振電容或在芯片外并聯(lián)一個(gè)或多個(gè)諧振電容并降低標(biāo)簽芯片的最低工作電壓（降低標(biāo)簽芯片的靈敏度），以及采用HDX（半雙工）通信方式有利于提高低頻電子標(biāo)簽的識讀范圍。1.5線圈的寄生電容電感線圈的匝和匝之間、層和層之間不可避免的存在著分布電容，分布電容的存在將對線圈的其他電學(xué)量的有效值造成影響。在近距離的低頻電子標(biāo)簽天線中，線圈較小，分布電容也較小，分布電容的影響較小，可以忽略不計(jì)，但在遠(yuǎn)距離的低頻電子標(biāo)簽天線中，線圈較大，其分布電容不可忽略。同一層的各匝線圈之間的分布電容稱為匝間電容Cc，不同層的各匝線圈之間的分布電容稱之為層間電容Cg，如圖4所示：如果匝數(shù)較多，同一層相鄰兩匝之間的電勢差會比較小，匝間電容儲存電荷會比較少。由圖4可知，從繞組端口A、B看，所有的匝間電容Cc都是串聯(lián)的，由于多個(gè)電容串聯(lián)后等效電容很小，因此在分析線圈總的分布電容時(shí)可以忽略匝間電容。而層與層間的電容Cg是并聯(lián)的，并聯(lián)后總電容等于各個(gè)電容值之和。經(jīng)過以上簡單分析，可以得出層間電容是線圈分布電容的主要部分。對于多層線圈，總的分布電容是多個(gè)層間分布電容的串聯(lián)。因此在繞組每層線圈匝數(shù)一定的情況下,繞組層數(shù)越多,等效分布電容就越小。多層繞制時(shí)，要使用“Z型”繞組[4]，每繞完一層后都要返回到起點(diǎn)開始繞下一層，旋繞方向相同，走線方向相同。盡可能選用電阻率低的高頻線，導(dǎo)線外層覆蓋有低介電常數(shù)的絕緣層，在線圈尺寸允許的情況下，優(yōu)先選用厚絕緣層的導(dǎo)線。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
基于無源低頻RFID電子標(biāo)簽芯片，設(shè)計(jì)了一個(gè)遠(yuǎn)距離的低頻電子標(biāo)簽，諧振電容為2250pF，其天線為空心電感線圈，使用的導(dǎo)線為帶有絕緣外層的多股銅線，導(dǎo)線絕緣層的外徑為1mm，天線電感線圈的內(nèi)徑為200mm，采用Z形多層繞制方法。使用某公司的遠(yuǎn)距離低頻標(biāo)簽識讀器（工作頻率為134.2kHz）進(jìn)行讀距離測試，測試結(jié)果為1.1米，相對于傳統(tǒng)低頻電子標(biāo)簽10cm的讀距離，其識讀范圍有很大的提升。
3結(jié)論
提高無源低頻RFID電子標(biāo)簽的識讀距離，需要從識讀器和標(biāo)簽兩個(gè)方向進(jìn)行改進(jìn)。對于識讀器設(shè)備在確定條件下運(yùn)行，標(biāo)簽的識讀范圍受天線線圈的性能影響很大，長距離的識讀范圍要求大尺寸的天線線圈并適當(dāng)增加標(biāo)簽的諧振電容。如果選用帶有磁棒芯的線圈，可以使線圈結(jié)構(gòu)更緊湊，并且使標(biāo)簽的識讀范圍更遠(yuǎn)。天線線圈要盡可能地減小寄生的分布電容。
作者：孔令榮 楊躍勝