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通过提高天线增益延长RFID读写器操作距离解析

2018年05月25日 10:34 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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常用的天线种类介绍 选用无线模块技巧

一文看懂rfid属于物联网哪一层

物联网就是物与物能够联网,并智慧地发挥作用的一个体系;一个云、管(网)、端(物)一体化、云计算技术与...

发表于 2018-04-08 11:27 1160次阅读
一文看懂rfid属于物联网哪一层

rfid系统供应商有哪些_国内十大rfid系统供...

  RFID 是Radio Frequency Identification 的缩写,即射频识别,是...

发表于 2018-04-08 10:31 2582次阅读
rfid系统供应商有哪些_国内十大rfid系统供...

服装生产工位机的RFID标签读取和CAN总线通信...

射频标签采用的是瑞士EM公司提供的非接触式只读RFID芯片H4001,其内部具有64位一次性可编程(...

发表于 2018-04-08 10:31 192次阅读
服装生产工位机的RFID标签读取和CAN总线通信...

一文看懂rfid日常生活应用实例

RFID(射频识别:Radio Frequency Identification)俗称“电子标签”,...

发表于 2018-04-08 10:06 1506次阅读
一文看懂rfid日常生活应用实例

身份证rfid电路图设计应用

本文主要介绍了身份证rfid电路图设计应用。RFID系统由读写器和计算机管理系统组成。其中,读写器具...

发表于 2018-04-08 09:14 259次阅读
身份证rfid电路图设计应用

一文读懂RFID技术在身份证系统中的应用

本文主要介绍了一文读懂RFID技术在身份证系统中的应用。无线射频识别技术(RFID)是一种非接触的自...

发表于 2018-04-08 08:58 300次阅读
一文读懂RFID技术在身份证系统中的应用

想实现智能制造,传统条形码已经OUT了

以汽车厂家沃尔沃应用RFID技术为例,在应用康芬戴斯RFID标签之前,沃尔沃汽车使用三套独立的系统来...

发表于 2018-04-04 11:27 448次阅读
想实现智能制造,传统条形码已经OUT了

天线的演化及物理原理

无天线系统的一个主要优点是整个系统的频率响应是通过匹配网络而非天线结构和几何形状来实现定制的。一个标...

发表于 2018-04-02 17:53 506次阅读
天线的演化及物理原理

用于UHF频段射频识别系统的小型右手圆极化四臂螺...

本文利用将四臂螺旋天线和PIFA天线结合,改进了馈电和装配结构,设计了一种工作在UHF频段的新型RF...

发表于 2018-03-31 11:32 1825次阅读
用于UHF频段射频识别系统的小型右手圆极化四臂螺...

让你的数据传得更远:常见天线的性能与区别

在万物互联的大趋势下,无线通信模块成为了各类电子设备中不可或缺的一部分,而模块的通信质量很大程度上取...

发表于 2018-03-31 09:10 994次阅读
让你的数据传得更远:常见天线的性能与区别

RFID仓储管理系统——人造木板仓库

一、 背景 传统的仓库管理,一般完全由人工实施仓库内部的管理,因此 木板仓库 管理的效率极其低下。目...

发表于 2018-03-26 15:26 185次阅读
RFID仓储管理系统——人造木板仓库

天线的概念及接收信号的原理

天线作为无线电的发射和接收设备是影响信号强度和质量的重要设备,其在移动通信领域的重要性非常关键。通过...

发表于 2018-03-26 11:02 805次阅读
天线的概念及接收信号的原理

无天线技术离我们有多远?

几十年来,天线和微波工程这两门学科都有着千丝万缕的联系,却又相当独立。二者都具有高度专业性和复杂度,...

发表于 2018-03-23 14:58 654次阅读
无天线技术离我们有多远?

盘点天线的分类及其应用

天线是一种变换器,它把传输线上传播的导行波,变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波,或者进...

发表于 2018-03-23 14:43 310次阅读
盘点天线的分类及其应用

hfss天线讲义有人需要吗

发表于 2018-03-23 14:04 623次阅读
hfss天线讲义有人需要吗

无线路由器一、二、三根天线有什么区别?

发表于 2018-03-22 13:06 534次阅读
无线路由器一、二、三根天线有什么区别?

基于RFID的汽车智能称重系统自动识别技术

所谓汽车智能称重管理系统即是在原有汽车称重管理系统上附加了利用远距离RFID技术实现的对称重车辆的...

发表于 2018-03-22 10:05 288次阅读
基于RFID的汽车智能称重系统自动识别技术

无线路由天线有什么区别?

为什么这样说?首先,Wi-Fi应用的环境是室内,我们常用的802.11系列协议也是针对这种条件来建立...

发表于 2018-03-22 08:41 547次阅读
无线路由天线有什么区别?

超高频RFID电子标签构成及15个典型应用

作为RFID标签家族的一员超高频电子标签又有着什么样的个性呢?下面我们一起走进超高频电子标签的精彩世...

发表于 2018-03-19 09:51 1743次阅读
超高频RFID电子标签构成及15个典型应用

无线连接技术的发展,促使天线行业的快速成长

终端设备天线具有多样化的应用环境和工艺方案,软板已成为主流工艺。按照在通信网络中的应用,天线可分为网...

发表于 2018-03-19 09:37 1107次阅读
无线连接技术的发展,促使天线行业的快速成长

天线为什么要辐射出各种形式的极化波?

发表于 2018-03-18 17:34 535次阅读
天线为什么要辐射出各种形式的极化波?

RFID射频识别技术详解之RFID系统构架与基本...

RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等...

发表于 2018-03-18 11:49 2600次阅读
RFID射频识别技术详解之RFID系统构架与基本...

2.4G天线如何设计_2.4G天线设计过程详解

天线是无线系统中的关键组件,它负责发送和接收来自空中的电磁辐射。为低成本、消费广的应用设计天线,并将...

发表于 2018-03-17 07:16 1146次阅读
2.4G天线如何设计_2.4G天线设计过程详解

多层LCP技术的毫米波段超宽带槽天线设计

本文基于LCP电路工艺,提出了一种毫米波段的超宽带锥形槽天线。

发表于 2018-03-14 16:36 687次阅读
多层LCP技术的毫米波段超宽带槽天线设计

IC卡读/写器电路设计及出程序说明

IC卡芯片具有写入数据的存储数据的能力。根据嵌入卡中的集成电路的不同,可以分成以下三类。 ●存储器...

发表于 2018-03-14 14:26 222次阅读
IC卡读/写器电路设计及出程序说明

RFID 电子标签功耗测量测试

与发射模式1相比,该模式下1秒内包括25个电流脉冲,平均电流为6.7mA,峰值为289mA。同样,我...

发表于 2018-03-13 08:51 315次阅读
RFID 电子标签功耗测量测试

Schreiner公司研发的两款车辆识别系统

据外媒报道,德国领先的安全及认证产品开发商SchreinerPrinTrust将于3月20至23日,...

发表于 2018-03-13 01:04 159次阅读
Schreiner公司研发的两款车辆识别系统

终端天线应用于舞台照明系统

发表于 2018-03-08 08:34 140次阅读
终端天线应用于舞台照明系统

谈物联网技术在智能医疗领域的主要应用技术

远程医疗监护,主要是利用物联网技术,构建以患者为中心,基于危急重病患的远程会诊和持续监护服务体系。远...

发表于 2018-03-07 17:19 1026次阅读
谈物联网技术在智能医疗领域的主要应用技术

国内外柔性可穿戴天线研究现状与发展趋势

发表于 2018-03-01 10:07 727次阅读
国内外柔性可穿戴天线研究现状与发展趋势

RFID价值何在?制造业是否必须?

现在越来越多的公司认识到了RFID的价值,RFID可以更好的管理原材料、零件、部件等,管理着数以百万...

发表于 2018-02-24 15:25 386次阅读
RFID价值何在?制造业是否必须?