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RFID专题:35 阅读器天线

2022-10-18 10:55:31 明申科技 19

5.3.1 阅读器天线

阅读器天线种类很多,且在2.2节中也有不少讲解,本节从应用入手,分析多种有特色的阅读器天线。

01、天线的近场与远场分

通常,天线周围场,划分为三个区域:无功近场区,辐射近场区和辐射远场区,如图5-49所示为这三个区域的示意图,其中:

无功近场区:又称为电抗近场区,是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域。在该区域中,电抗性储能场占支配地位,该区域的界限通常取为距天线口径表面image.png处,其中D为天线口径尺寸,λ为波长。从物理概念上讲,无功近场区是一个储能场,其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场之间的转换,是一种感应场。

辐射近场区:超过电抗近场区就到了辐射场区,辐射场区的电磁场已经脱离了天线的束缚,并作为电磁波进入空间。按照与天线距离的远近,又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。在辐射近场区中,辐射场占优势,并且辐射场的角度分布与距离天线口径的距离有关。该区域的界限通常取为距天线口径表面R1与R2之间的部分,其中image.png。对于通常的天线,此区域也称为菲涅尔区。

辐射远场区:通常所说的远场区,又称为夫朗荷费区。在该区域中,辐射场的角分布与距离无关。严格地讲,只有离天线无穷远处才能到达天线的远场区。一般情况认为,辐射近场区与远场区的分界距离为,R2的外围区域为远场区。

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图5-49天线场区分布示意图

一个天线在近场表现为磁场特性,其磁场强度与距离的三次方成反比;天线在远场区域为电场和磁场的相互转换过程,给标签供电和通信的主要为电场,其电场强度与距离的一次方成反比。因此可以看出天线的磁场衰减非常快,而电场可以辐射到很远的地方。当需要一个远距离工作的系统时,此时要求阅读器的天线和标签的天线都有较好的远场辐射特性;当需要一个只允许近距离工作的系统时,需要保证阅读器天线和标签天线至少有一个是远场辐射特性较差的,当然如果两个天线在远场辐射特性都较差,则是一个完美的近场通信系统。由于近场磁场强度随距离三次方衰减,因此很容易出现一个识别范围的界限,这个界限对于不同标签差异只有几厘米,而类似的系统在远场的识别范围界限差异可能会超过1米。近场天线和远场天线在近场磁场辐射特性是相似的,不同点在于近场天线在远场的辐射特性较差。如图5-50所示为一个微带天线的磁场辐射图,可以看到有靠近天线10cm之内的区域磁场辐射较强,之后磁场强度迅速降低。

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图5-50微带天线的磁场辐射图

下面通过一个测试来验证近场与远场的区别,在一个系统中,阅读器天线为一个口径为25cm的远场微带天线,工作在920MHz频率,标签选择四种,分别是A、B、C、D如图5-51所示。其中A标签是一个闭合小环,远场特性较差,B、C、D三款标签具有一定远场特性。

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(a)A标签 (b)B标签 (c)C标签 (d)D标签

图5-51四种测试标签

分别在空气中和贴在装满水的塑料瓶表面测试其工作距离(工作频率为915MHz),由于水的介电常数是εr=81,而空气的εr=1,因此标签贴在水瓶表面后其远场特性会发生很大变化,可以理解为可以获得的远场能量几乎为零。其测试结果如表5-2所示:可以看到A标签在空气中和在水瓶表面的工作距离均为30cm左右,而另外三款标签在自由空间中的工作距离有1到4米,而贴在水瓶表面后,工作距离只有40cm左右。经过计算该阅读器天线的近场区大小为:image.png。所有的4款标签的工作距离(水瓶表面)与阅读器的近场区域相似。

表5-2四种标签在自由空间和水表面工作距离对比

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从上述的测试中可以看到阅读器天线的近场辐射区与远场辐射区的分布。同时也可以发现,标签的电感线圈主要影响近场特性,偶极子天线部分影响远场特性。

02、常见的近场天线方案

超高频RFID近场天线的目的就是让系统中的标签只能在近距离工作,犹如标签是纯近场标签。这和HF的工作原理是一样的,关键在于降低辐射近场区以及远场区的磁场(磁场强度随着距离增加下降速度减慢,由近场中的60 dB/每十倍程下降,到远场的20dB/每十倍程下降)。

HF近场天线(实际上HF在RFID应用中只有近场工作模式),这主要是由HF的频率很低造成的,由于天线尺寸比波长短得多,其远场辐射特性非常差。而超高频的频率较高,很难抑制远场辐射特性,只能通过分段耦合、小尺寸设计、抑制表面波等技术手段实现近场特性。

(1)分段耦合近场天线

类似于LF/HF近场RFID系统,在超高频RFID近场阅读器系统中,近场天线也可以通过近场耦合的方式控制近场通信,其设计方式为一匝线圈。如图5-52所示为这个近场天线的仿真图,但通过仿真和测试发现,其近场辐射区域不均匀,在天线的中间位置有很大一片盲区。这是因为电流在天线周长上流动时相位会发生变化,而超高频的波长较短,当电磁波走了一段距离后其相位与之前的相差甚远,无法形成相同的磁场方向(HF没有该问题的原因是HF波长较长,围绕周长即使多圈其相位几乎不变)。

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(a)电流分布图 (b)磁场分布图

图5-52传统实线环天线的电流分布和磁场分布

对于上述相位变化问题,提出一种电感耦合的机场天线设计思路:要求沿着环的电流相位一致,且在一个单一的方向流动,所以能产生强大和均匀的磁场分布。

为满足上述要求,提出了分段耦合天线,其在PCB上的印刷天线为图5-33(a)所示。在笛卡尔系中,在x-y平面上方有一个FR4PCB板。该天线由很多分段线和匹配短截线组成。其中匹配短截线相对于y轴对称,也印刷在FR4PCB的同一边(厚度h=0.5mm,相对介电常数为4.4,损耗角正切tanδ=0.02)。分段耦合线段在与相连线段之间产生一个非常小的滞后相位,以至于电流流经分段线时,保持一个方向。换句话说,在分段环上的电流分布看起来是同步的。因此,即使改环为电大环,分段环天线产生的磁场仍是均匀分布的,如图5-33(b)所示,为天线原型。

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(a)天线结构 (b)天线原型图

图5-53超高频近场RFID分段环天线图

如图5-54所示为分段耦合近场天线的仿真辐射图,可以看出在其天线内部的辐射非常均匀。

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图5-54分段耦合近场天线的仿真辐射图

此类型天线非常适合近距离小型近场标签的批量识别,可以通过功率控制,稳定的调整近场标签的工作距离。虽然分段耦合近场天线有非常稳定的近场特性,但很难抑制其远场特性,无法实现对于一些远场标签的近距离控制。在识别近场标签时,若附近有远场标签,很容易引起误读。

(2)小尺寸近场天线

实现近场天线的另外一个手段是天线的尺寸足够小,当其尺寸远小于波长时,其远场辐射特性会非常弱,而近场特性可以保留,且近场辐射区也很小。分段耦合近场天线存在远场辐射特性的缺点,可以通过小尺寸设计近场天线的设计方案消除掉。如图5-55所示为一个小尺寸近场天线。这个天线的大小为3mm×4mm,其尺寸只有波长的1%(922MHz频率,波长为325mm)。该小天线内部为一个闭合线圈,具有近场特性,由于超小的尺寸,远场特性很差。

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(a)天线实物图 (b)设计尺寸图

图5-55小尺寸近场天线

小尺寸天线的空间有限,很难在天线上实现阻抗匹配,需要外接无源器件匹配到50欧姆,否则阅读器会因为天线适配引起载波泄漏过大无法工作。如图5-56所示,为小尺寸天线的阻抗匹配电路,该阻抗匹配电路需要额外焊接一个电容C1和一个电感L1器件,可以与馈线一起焊接在天线PCB的背面,从而节省空间。

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图5-56小尺寸天线的阻抗匹配电路

其中C1和L1的数值是由天线的形状以及工作频率决定的,可以通过网络分析仪进行测试并选择合适的参数。

由于小尺寸近场天线的尺寸很小,其辐射覆盖范围也很小,无法同时识别多个标签。同样由于自身尺寸,近场辐射区也小image.png,尤其是针对小型近场标签,只有几毫米的工作距离,如图5-57所示。可以通过调整发射功率略微改变覆盖范围,但变化不大。

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图5-57小尺寸天线的覆盖范围

小尺寸近场天线适合一对一的应用场景,不容易受到外界标签和环境的干扰。尤其是具有超小型封装标签(4.2.2节)的一些应用中,只有采用小尺寸近场天线配套才能完成识别。

(3)抑制表面波近场天线

市场上有一类近场天线需求非常特殊,应用于标签生产及测试设备,要求生产测试设备的Inlay快速行进的过程中,只能识别天线正上方的一个标签(测试、写标),而不识别到旁边的两个标签,如图5-58所示,一卷Inlay上两个标签的间距非常小,普通的近场天线无法如此精确的控制识别范围,而小尺寸近场天线因辐射范围太小,当Inlay在高速传送过程中由于震动,很容易离开原有的辐射覆盖区域形成漏读。再加上这些设备预留天线的空间很小,很难实现有效的屏蔽。这个天线既要高速稳定,又要辐射场覆盖范围刚刚好只有正上方的一个小区域。因此提出EBG结构的抑制表面波的近场天线技术。

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图5-58卷装Inlay尺寸图

EBG即电磁带隙结构。电磁带隙材料也称为光子带隙材料,这种材料的特殊性在于:它能够在特定频率对反射波的相位进行特定的调制。由于其反射波的特殊性使得一般的偶极子天线以其为基板时仍可以正常使用。

如图5-59所示的蘑菇型EBG由如下几部分组成:两列中间有孔的金属贴片,双层电介质材料以及一个地板。其表面结构类似于一个集总回路。上表面相当于一个负载电容,一直通到地板处的孔洞则相当于一个电感。当电磁波向着它垂直入射时,其表面阻抗为:

image.png                                                                            (6.1)

其中是入射波频率,L是电感,C是电容。故当频率image.png时表面阻抗为无穷大。如此大的表面阻抗能够有效地抑制表面泄露波。

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图5-59蘑菇型EBG结构

如图5-60所示为天线实物和辐射仿真图,可以看出其电场特性衰减非常快,且只有正上方的辐射主瓣,表面波的泄漏被有效的抑制了。

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(a)实物图(b)辐射仿真图

图5-60抑制表面波的近场天线

EBG结构的抑制表面波的近场天线技术具有非常特殊的辐射特性,可以满足Inlay卷测试机的严苛要求。

03、常见的远场天线

在2.2节中已经介绍了关于远场天线的主要内容,本节针对应用介绍两类比较特殊的远场天线,分别是手持机天线、高增益天线和泄漏同轴电缆天线。

(1)手持机天线

超高频RFID手持机经过十多年的发展,虽然操作系统面板等有了很大的变化,但其核心的阅读器模块和天线的变化并不大,总的来说有两大类,分别是带有辐射背板的天线和不带辐射背板的天线。

不带辐射背板的天线主要采用偶极子天线或偶极子的变形。早期的得逻辑(Psion Teklogix)的手持机就是采用该方案,如图5-61所示手持机顶部的小区域为天线区域,其内部是一个偶极子天线的变形。该天线为一个线极化天线,具有2dBi的方向增益。该天线的优点是设计和生产都很简单,且成本很低。这种天线的缺点是由于线极化使用时很不方便,需要不停的转动手持机,寻找最好的角度,对于测试精度误差也很大,同时由于没有辐射背板,很容易被周围的物品所影响,当手靠近天线时,天线的匹配会剧烈变化从而影响输入反射系数大幅降低灵敏度。

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图5-61得逻辑手持机天线方案

为了解决线极化和抗干扰的问题,人们提出了采用微带天线的解决方案,由于手持机的尺寸受限,早期的中低端手持机设计中采用陶瓷天线。对于圆极化和抗干扰能力有所提升,但陶瓷天线自身问题非常多,包括圆极化特性很差(轴比有时候>3dB左右),同一个标签面对天线旋转角度工作距离差异很大。陶瓷天线的量产一致性很差,阻抗和波束方向不一致。陶瓷天线的带宽也不好,还很重。上述的这些问题导致越来越多的公司开发小型的高性能手持机天线。常见的5种手持机天线如图5-62所示,其中:

A天线是一个四臂单极子天线,通过3个功分器将输入信号分为4路,能量平均分配到4个单极子天线,且4路信号相位都相差90°(通过微带线实现相位差)。其底部的背板既可以增强方向增益,又可以减小环境干扰。其特点是阻抗性非常好,相位特性也比较不错。

B天线与A天线很相似,只是没有采用功分器,通过微带线的方式实现功率分配,对比A天线,其4个单极子天线的功率有差异,圆极化特性受到影响。

C天线设计思路与A天线相同,不过在一块PCB板上实现,其带宽会稍差。

D天线设计思路与A天线相同,其所有部件都是采用PCB工艺,组装焊接而成,组装对一致性会有所影响。

E天线采用交叉偶极子天线设计,但并非圆极化天线,需要依靠模块的金属底板作为反射背板。

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图5-62常见的手持机天线

这5款天线的对比如表5-3所示,手持机天线厂商可以根据客户需求设计适合自己的手持机天线。

表5-3手持机天线参数对比表

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评分标准为1到5分,其中1为最差,5为最好。

(2)高增益天线

在超高频RFID应用系统中,有的特殊应用需要更远的工作距离(不考虑输出功率规范),最简单有效的方法是选择更高增益的天线。这是因为增加阅读器输出功率会引起载波泄漏影响灵敏度,单增加标签灵敏度会引起反向散射能量过小导致阅读器灵敏度受限。在超高频RFID系统中,一般认为方向增益超过9dBi的天线都为高增益天线,其中常见的天线增益为12dBi和15dBi。一般情况下,正方形的高增益天线为圆极化天线,长方形的高增益天线为线极化天线。

高增益天线的实现方式与相位列阵天线相似,是通过多个阵子辐射的聚集从而实现其高增益的,对比相位列阵天线,只是系统无法通过相位变化引起主瓣辐射角度变化,该辐射角度是固定的。如采用两个6dBi的小天线作为阵子,最大可以实现接近9dBi的一个高增益天线;同理,若使用4个6dBi的小天线作为阵子,理论上最大可以实现12dBi的一个高增益天线。因此也很容易估算一个高增益天线的尺寸。

高增益天线常应用于智能交通相关的领域,多数采用长方形的线极化天线。

(3)泄漏同轴电缆天线

泄漏同轴电缆(LeakyCoaxial Cable)又称漏泄同轴电缆,通常又简称为泄漏电缆或漏泄电缆,其结构与普通的同轴电缆基本一致,由内导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体三部分组成。电磁波在泄漏同轴电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波;外界的电磁场也可通过槽孔感应到泄漏同轴电缆内部并传送到接收端。常用泄漏同轴电缆的频段覆盖为450MHz到3GHz,适应现有的各种无线通信体制,应用场合包括无线传播受限的地铁、铁路隧道和公路隧道等。在国外,泄漏同轴电缆也用于室内覆盖。如图5-63所示为不同尺寸的几种泄漏电缆。

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图5-63不同尺寸的泄漏电缆

泄漏同轴电缆电性能的主要指标有纵向衰减常数和耦合损耗。

纵向衰减:衰减常数是考核电磁波在电缆内部所传输能量损失的最重要特性。普通同轴电缆内部的信号在一定频率下,随传输距离而变弱。衰减性能主要取决于绝缘层的类型及电缆的大小。而对于漏缆来说,周边环境也会影响衰减性能,因为电缆内部少部分能量在外导体附近的外界环境中传播。因此衰减性能也受制于外导体槽孔的排列方式。

耦合损耗:耦合损耗描述的是电缆外部因耦合产生且被外界天线接收能量大小的指标,它定义为:特定距离下,被外界天线接收的能量与电缆中传输的能量之比。由于影响是相互的,也可用类似的方法分析信号从外界天线向电缆的传输。耦合损耗受电缆槽孔形式及外界环境对信号的干扰或反射影响。宽频范围内,辐射越强意味着耦合损耗越低。根据信号与外界的耦合机制不同,主要分为以下三种泄漏同轴电缆:辐射型(RMC)、耦合型(CMC)和泄漏型(LSC)。

与传统的天线系统相比,泄漏同轴电缆天线系统在超高频RFID应用中具有以下优点:

信号覆盖均匀,尤其适合不规则的小空间覆盖;

泄漏同轴电缆本质上是宽频带系统,某些型号的泄漏同轴电缆可同时用于CDMA800、GSM900、GSM1800、WCDMA、WLAN等系统;

泄漏同轴电缆的尺寸较小,可以装置在狭小的空间中。

超高频RFID应用中经常会遇到又长又小的空间需要盘点其中的电子标签,如工业柜体内,深井中,管道中等。在这些环境中普通的阅读器天线无法传播足够的距离,或由于天线的尺寸过大根本无法放置,再或者管道很长,无法同时放入多个天线和馈线。此时采用泄漏天线可以解决上述问题。大家可以理解泄漏天线就是一根屏蔽性能很差的射频线缆,在这根射频线缆附近的标签都可以被识别到,而且其长度可以根据需求定制,其长度甚至可以长达百米。


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