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通过提高天线增益延长RFID读写器操作距离解析

出处:电子发烧友网 发布于:2018-05-28 11:02:08 | 293 次阅读

无线射频识别(RFID)读写器的读写距离取决于诸多因素,如RFID读写器的传输功率、读写器的天线增益、读写器IC的灵敏度、读写器的总体天线效率、周围物体(尤其是金属物体)及来自附近的RFID读写器或者类似无线电话的其他外部发射器的射频(RF)干扰。

计算功率密度

读写天线发射之RF电磁波的功率密度大小计算如公式1所示。其中,Sr=功率密度,Pt=读写天线的发射功率,Gt=读写天线的增益,R=读写天线的发射距离。

Sr = PtGt/4πR2-----------------------------------------------公式1

从公式1可知,功率密度与距离的平方成反比。在理想情况下,此公式才成立,例如在不存在衰减RF信号的物体、可能产生干扰的外部发射器,以及来自同一信号源产生其他干扰模式之多径效应的微波暗室内。以下将针对这些因素进行更详细地讨论。

考虑天线增益

天线增益的单位是dBi,dBi代表一根天线与假设等向天线(HypotheTIcal Isotropic Antenna)相比之下的正向增益;假设等向天线会在所有方向均匀地分配能量。在设计天线的结构时,应使其在某个方向的辐射能量比另一个方向的还要多,从而实现更高的增益。以洒水头为例子,就可以对此有比较深入的理解,如集中喷射、水流变窄及水射出的距离增加,此与提高天线增益类似,即在某个方向集中能量辐射。

留意天线3dB波束宽度及半功率点

提高读写器的读/写距离,必须考虑另一个重要的天线特性,即由天线产生的3dB波束宽度图样。如图1所示的3dB波束宽度,包含75%的射频能量。在此范围内,读写器具有最佳读写性能。3dB波束宽度取决于天线增益。例如,天线增益越高,能量越集中,3dB波束宽度就越窄。

通过提高天线增益延长RFID读写器操作距离解析

图1 由天线产生的3dB波束宽度

3dB波束宽度还可用来描述波束的半功率点,即射频能量减小到一半的位置。此外,图1还显示出大部分天线都会展示的旁瓣(Side Lobe)。读写器可以在此方向区域上进行读写,但是其读写距离将大幅缩短。

优化读写器读写距离

为了将RFID读写器的读写距离延到最长,应该考虑下列所描述的技术。首先,在规定区域发射规定下,将有效等向辐射功率(EIRP)提到最高。例如,美国联邦通信委员会(FCC)15.247章节规定EIRP所允许的最大值是4瓦(W)(36dBm)。这意味着采用9dBiL的天线,RFID读写器传输给天线的功率,包括电缆损失在内,不得超过27dBm。另一方面,对于6dBiL天线来说,传输功率不得超过30dBm。表1列出一些使用RFID的国家和地区所允许的EIRP最大值。

通过提高天线增益延长RFID读写器操作距离解析

对于读写器天线前面(视轴)同一点处发射的RF信号而言,与天线增益有关的一个重要特性是与线极化(Linearly Polarized)天线6dBiL类似的圆极化(Circularly Polarized)天线9dBiC。这是因为线极化天线在同一轴上结合了电场分量的x分量和y分量,从而在这个特定方向能量提高3dB(~29%)。

然而,线极化天线不允许读写器方向的灵活性。换句话说,读写器必须指向读写天线极化相同的方向,否则读写器将接收不到能量。

另一方面,圆极化天线有两个互成90度的电场分量(图2)。因此,能量在两个相互正交的轴间分配,与在自由空间中传播的线极化RF信号相比,每一轴所含的能量低于3dB。

通过提高天线增益延长RFID读写器操作距离解析

图2 圆极化天线有两个互成90度的电场分量

在这种情况下,其优势是在相对于天线的方向,读写器没有任何限制。这意味着读写器可在任何方向转动,且接收的能量基本上一致。而其缺点是询问天线每根轴传递的能量比线极化系统降低3dB。选择线极化或圆极化天线,要视具体应用而定。

其次,清除天线和读写器附近的所有物体是非常重要的。天线和读写器间的视线方向必须没有障碍物。如果清除所有物体,视线方向上没有任何阻碍,RF电磁波的自由空间损耗(FSL)可由公式2计算得出,其中r=至读写器的距离,λ=EM波长。

FSL = 20Log(4πr/λ)-----------------------------------------------公式2

RF电磁波通过介电常数超过1.0(ε》1.0)的物体,如木材、塑料或橡胶材料,根据公式2,FSL大概为36dB。由于RF信号传播的衰减,读写器的读写距离也会显著地缩短。

此外,周围物体会导致RF信号产生“多径效应”,导致RF场内区域出现RF能量振荡的零点和幅点(图3)。图3显示相长(同相)和相消(异相)两种入射波。相长的两种入射波可将具体区域的能量提高3dB左右,并显著地延长读写器的读写距离。

通过提高天线增益延长RFID读写器操作距离解析

图3 相长(同相)和相消(异相)两种入射波示意图

另一方面,相消干扰会导致两种入射RF电磁波相互抵消,因而产生的区域会变成一个“零”,在激发读写器时,此区域会呈现能量不足。这是一种典型的RFID环境。

再者,如果沿着线极化天线有一台频谱分析仪,则应进行RF测量以了解是否存在干扰读写器RF电磁波和影响读写器能量大小的外部发射器。倘若存在外部发射器,而且这些发射器的RF频道处于RFID询问器的工作频率范围内,这可能会显著缩短读写器的读写距离。外部发射器是指无线电话和附近其他的RFID阅读器。

某些国家,如美国要求所有FCC 15.247认证的阅读器都要采用跳频展频(FHSS)技术。在这种配置下,读写器伪随机地(Pseudo-randomly)在其全部五十个频道上“跳跃”,在每一频道的最长停留时间为400毫秒(ms)。这有利于减少RFID阅读器向其周围发射的干扰量及减少其接收的干扰量。

一般说来,当外部发射器的频道与读写器处于同一频带范围内,当其任何频道上强度大于-30dBm时,则必须进行处理。可采取以下几种措施:定位干扰源,确定其是否可以关闭,或者降低其传输功率;采用某种金属片或物体进行屏蔽,避免外部发射器的影响;将RFID装置远离外部发射器;将读写天线指向偏离外部发射器的方向;确保读写系统(RFID阅读器和询问器天线)所在地区的功率发射限制所允许的最高EIRP;设置软件,以避免外部发射器所在的RF频道位于读写器频带范围内。

此外,读写器灵敏度随RFIC型号不同而有所不同。因此,与灵敏度较高的读写器相比,灵敏度较低的读写器的读写距离更短。但在某些情况下,并不会优先考虑灵敏度较高的RFIC。例如,在供应链应用中,采用可携式RFID读写器来监测库存,并不要求特别远的读写距离。而对于电子车辆登记(EVR)和电子车辆识别(EVI)等应用来说,必须具有更远的读写距离,因而需要更高的灵敏度。所以灵敏度的大小要求与具体应用有关。

最后,读写器天线效率是影响读写器读写距离的另一项因素。与读写器IC输入阻抗相匹配的天线设计,可以改善总体效率,获得更大的读写距离。RFIC输入阻抗一般在其对应数据表中可以找到。

通过提高天线增益延长RFID读写器操作距离解析

读写器天线的设计应与数据表的输入阻抗有适当的匹配。一般说来,这意味着将天线调节到所需频带的中心频率。此频带要视读写器的使用地区而定。表2列出一些国家和地区所允许的频率和相应的监管机构。

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