RFID射頻讀寫器：選擇與配置分析

RFID射頻讀寫器裝置中，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題變得更加嚴(yán)峻。天線的目標(biāo)是傳輸大大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片。這需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)讀寫器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435MHz,2.45 GHz和5.8 GHz，在零售商品中使用。

頻帶為435MHz,2.45 GHz和5.8 GHz的RFID射頻讀寫器的選擇與配置分析

讀寫器必須滿足的條件：

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;提供大大可能的信號給標(biāo)簽的芯片;無論物品什么方向，讀寫器的極化都能與讀卡機(jī)的詢問信號相匹配;具有魯棒性;非常便宜。

在選擇讀寫器的時(shí)候的主要考慮是：

讀寫器的類型;讀寫器的阻抗;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)簽的物品被放在倉庫中，有一個(gè)便攜裝置，可能是手持式，詢問所有的物品，并且需要它們給予信息反饋信息;

二)在倉庫的門口安裝讀卡設(shè)配，詢問并記錄進(jìn)出物品。還有一個(gè)主要的選擇是有源標(biāo)簽還是無源標(biāo)簽。

可選的讀寫器

在435 MHz,2.45 GHz和5.8 GHz頻率是用的RFID系統(tǒng)中，可選的RFID讀寫器有幾種。這樣的小讀寫器的增益是有限的，增益的大小取決于輻射模式的類型，全向的讀寫器具有峰值增益0到2dBi;方向性的讀寫器的增益可以達(dá)到6dBi。增益大小影響讀寫器的作用距離。下表中的前三個(gè)種類的讀寫器是線極化的，但是微帶面讀寫器可以使圓極化的，對數(shù)螺旋讀寫器僅僅是圓極化的。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)簽讀寫器可以產(chǎn)生3dB以強(qiáng)的信號。

阻抗問題

為了大大功率傳輸，讀寫器后的芯片的輸入阻抗必須和讀寫器的輸出阻抗匹配。

幾十年來，設(shè)計(jì)讀寫器與50或70歐姆的阻抗匹配，但是可能設(shè)計(jì)讀寫器具有其他的特性阻抗。例如，一個(gè)縫隙讀寫器可以設(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。印刷貼片讀寫器的引出點(diǎn)能夠提供一個(gè)很寬范圍的阻抗(通常是40到100歐姆)。

選擇讀寫器的類型，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)問題是其他的與讀寫器接近的物體可以降低天線的返回?fù)p耗。對于全向讀寫器，例如雙偶極子讀寫器，這個(gè)影響是顯著的。改變雙偶極子讀寫器和一聽番茄醬的間距做了一些實(shí)際測量，顯示了一些變化。

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大小返回?fù)p耗頻率16%。當(dāng)物體與讀寫器的距離小于62.5mm的時(shí)候，返回?fù)p耗將導(dǎo)致一個(gè)3.0 dB的插入損耗，而讀寫器的自由空間插入損耗才0.2dB。可以設(shè)計(jì)讀寫器使它與接近物體的情況相匹配，但是讀寫器的行為對于不同的物體和不同的物體距離而不同。對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)問題的影響。

輻射模式

在一個(gè)無反射的環(huán)境中測試了讀寫器的模式，包括了各種需要貼標(biāo)簽的物體，在使用全向讀寫器的時(shí)候性能嚴(yán)重下降。圓柱金屬聽引起的性能下降是大嚴(yán)重的，在它與讀寫器距離50mm的時(shí)候，反回的信號下降大于20dB。讀寫器與物體的中心距離分開到100—150mm的時(shí)候，反回信號下降約10到12dB。在與讀寫器距離100mm的時(shí)候，測量了幾瓶水(塑料和玻璃)，反回信號降低大于10dB。在蠟紙盒的液體，甚至蘋果上做試驗(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)讀寫器和標(biāo)簽讀寫器的輻射模式嚴(yán)重失真。這可以對于2.45GHz的工作頻率計(jì)算，假設(shè)一個(gè)代表性的幾何形狀，和自由空間相比，顯示返回信號降低了10dB，在雙讀寫器同時(shí)使用的時(shí)候，比預(yù)料的模式下降的更多。在倉庫的使用環(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)簽是可以看見的。便攜系統(tǒng)的使用有幾個(gè)讀寫器的問題。每個(gè)盒子兩個(gè)讀寫器足夠適合門禁裝置探測，這樣局部結(jié)構(gòu)的影響變得不再重要，因?yàn)殚T禁裝置的讀寫器天線被固定在倉庫的出入，并且直接指向貼標(biāo)簽的物體。

距離

RFID讀寫器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。樂觀的考慮，在電磁場的輻射強(qiáng)度符合UK的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，2.45GHz的無源情況下，全波整流，驅(qū)動(dòng)電壓不大于3伏，優(yōu)化的RFID讀寫器阻抗環(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。

全向讀寫器應(yīng)該避免在標(biāo)簽中使用，然而是可以使用方向性讀寫器，它具有更少的輻射模式和返回?fù)p耗的干擾。讀寫器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)倉庫中使用讀寫器好像是不可行的，除非使用有源標(biāo)簽，但是在任何情況下，倉庫內(nèi)的讀寫器輻射模式將嚴(yán)重失真。一個(gè)門禁系統(tǒng)的使用將是好的選擇，可以使用短作用距離的無源標(biāo)簽。當(dāng)然門禁系統(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庫搜尋物品，人員費(fèi)用同樣昂貴。在門禁系統(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。

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