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当远距离RFID天线设计

发布时间:2021-09-10 21:03:43 阅读: 来源:油泵厂家

远距离RFID天线设计

引言

RFID(Radio Frequency Identification),中文称为无线射频身份识别是一种非接触式IC卡技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预。RFID技术具有很多突出的优点:防水、防磁、耐高具有较大的社会效益和经济效益温、无机械磨损、寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据该创新中心于2017年10月经省工信厅批准组建容量更大、存储信息更改自如等。通常情况下,RFID阅读器发送的频率称为RFID系统的工作频率或载波频率。RFID载波频率基本上有3个范围:低频(30kHz~300kHz)、高频(3MHz~30MHz)和超高频(300MHz~3GHz)。常见的工作频率有低频125kHz与134.2kHz、高频13.56MHz、超高频433MHz、860MHz~930MHz、2.45GHz等。

一个完整的RFID系统由阅读器(Reader)、标签(Tag)和应用程序三部分组成。其工作原理为:由Reader发射一个特定频率的无线电波,将能量传送给Tag,激活Tag内部电路,然后Tag将其IDCode发送出去,此信号被Reader接收后解码,再发送给应用程序做进一步处理应用。

一般来说,工作频率为13.56MHz的射频标签被称为高频段标签,但是其识别原理同低频类似,即采用电磁耦合的方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得能量,标签与阅读器进行数据交换时,标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。阅读距离一般情况下小于1m。

天线设计

在天线的设计时,主要考虑两方面,一是设计尺寸合适的天线,二是搭建天线与阅读器的匹配电路。

天线尺寸

天线线圈是一个谐振电路,在特定频率上,当感应阻抗(XL)等于电容阻抗(XC)时,天线会产生谐振,它们之间的关系如下式所示:

增加线圈尺寸必然带来电感值的增大,就需要一个比较小的电容。当电感值超过5 H,电容的匹配就会有问题,所以我们使用低阻抗的铜管来制作天线,尺寸为50cm 50cm,仍处于发展的重要战略机遇期铜管直径15mm,其电感值为L=2.2 H。

天线的作用有两个,一个是建立稳定的激励磁场,另一个是接受来自标签的调制信号。标签要在距天线一定距离的地方获得稳定的工作电源,就必须和天线有较大的互感系数,同时天线的磁通也要尽可能的大。天线要在与标签保持一定距离的地方获得较强的调制信号,就必须有合适的品质因数。

品质因数(Q)

天线的性能与它的品质因数有关。一般来说,Q值越高,天线的输出能量越高,不过,Q值太高,容易干扰读取器的带通特性,而且无法遵从协议标准。一般来说,Q值取20比较适当。

当品质因数Q=20时,系统带通特性较好,带宽也比较大。一般情况下,大多数系统的最佳品质因数为10~30,最大不能超过60。

天线的品质因数可以通过频谱分析仪来进行测量,将频谱分析仪的刻度调节为1dB/div,调节频率直到信号的最大振幅都能完全显示在屏幕上,通过降低和升高频率,可以在屏幕上找到上下-3dB的点,并记录其频率。然后通过下面的公式来计算:

天线的带宽计算公式为

匹配电路

为了增加天线所产生的磁场强度,需要增大天线线圈中的电流。本系统采用变压器匹配的方法增大电流。如图1所示。

图1 匹配电路

其中,不平衡变压器可以平衡负载,使天线线圈中的电流不干扰接收电路的信号。匹配电压器用来放大天线线圈中的电流。根据变压器的原理,N1/N2=I2/I1,其N1/N2为变压器两个绕组的匝数比,通过控制匝数比,可以相应的增加天线线圈中的电流。实际电路中的匝数比可以通过下式来计算:

式中,Rin为输入电阻,Rpar为匹配电阻,L为电感。

为了使天线在13.56MHz频段上达到谐振,即满足公式(1),应当选取适当的电容Cpar,

在实际设计过程中,我们使用了一个10~80pF的可调云母电容和一个0.8 ~10pF的气隙可调电容并联,通过改变可调电容的值来达到电路的谐振。

卷标天线

为了增强读取器与卷标之间的互感,可以增大卷标上的天线。由于卡片尺寸的限制,本系统卷标天线的尺寸为3cm 3cm,使用细铜丝绕制。

结束语

本系统经过实际使用表明,天线有效距离增大,单个天线的有效读卡距离达到60cm,当两个天线并联使用时,最大有效距离可以达到12首先实验机加卸实验力安稳0cm,极大的提高了系统的使用价值。

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