高頻天線性能增強方法研究

　　此研究是基于RFID(Radio Frequency Identification，RFID)系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽產(chǎn)品展開的。RFID 系統(tǒng)越來越多的應(yīng)用到日常生活中，其中電子標(biāo)簽的防偽功能是 RFID 系統(tǒng)一個特別重要的應(yīng)用，例如在煙酒等行業(yè)中用到的防偽電子標(biāo)簽，消費者可以用終端設(shè)備識別電子標(biāo)簽來判斷商品的真?zhèn)?。電子?biāo)簽附著在商品上銷售之初為了在外觀上與原包裝沒有太大的區(qū)別，也不改變商品現(xiàn)有的生產(chǎn)線現(xiàn)狀，實現(xiàn)最低的生產(chǎn)線改動成本來增加這一工序。措施大多是會把電子標(biāo)簽封裝在商品原有的防偽貼紙上。原有的貼紙尺寸都較小，隨著高端商品的包裝越來越高大上，商品與包裝盒之間的距離也越來越大。而要實現(xiàn)防偽又不能把真正的標(biāo)簽貼在外面的包裝盒上，這樣附加在商品上的小尺寸的電子標(biāo)簽要滿足在一定的距離被絕大多數(shù)的用戶終端產(chǎn)品識別到就需要一種能增強天線性能的方法。

　　1 基于有限元方法的仿真

　　基于亥姆霍茲線圈磁場疊加的原理用有限元的方法[1-3]建模。如圖 1 所示，模型中有三個線圈，最下面的線圈設(shè)為工作天線即電子標(biāo)簽，中間線圈為附加線圈，上面的線圈為場強檢測天線即終端產(chǎn)品天線。三個線圈間隔一定的距離不直接連接，為三個獨立體。為實現(xiàn)亥姆霍茲線圈的兩線圈電流方向相同，磁場疊加的效果，中間的附加線圈為開路線圈。

　　這里假設(shè)實際商品與外包裝之間間隔 5.5 cm，建模按照兩天線之間的距離為 5.5 cm 進行，按下面幾個標(biāo)題進行仿真并分析數(shù)據(jù)。

　　1.1 線圈與工作天線大小相同且正對

　　建模模型參照圖 1 ，特別的增加了附加線圈為閉合線圈的仿真來確定開路線圈的效果，仿真數(shù)據(jù)見表1。從表 1 的數(shù)據(jù)可以看出：

　　(1)以增加開路線圈為例，在距工作天線不同的距離增加線圈對工作天線場強的影響不同。增加線圈可以有效地增加工作天線的場強，但在不同的距離增加同一線圈，工作天線的場強并非線性變化，線圈距離工作天線端越近場強變化越大。

　　(2)由于我們假設(shè)場強檢測距離固定為 5.5 cm，而從表1數(shù)據(jù)看在距離工作天線 5 mm 處增加線圈的場強變化最大，所以接下來在距離工作天線 5 mm 處比較附加開路線圈和短路線圈的區(qū)別。

　　(3)對比開路線圈和短路線圈，開路線圈能更好的應(yīng)用于項目。

　　對距離工作天線 5 mm 時附加線圈的結(jié)果進行分析。仿真得到工作天線 0 deg 和 180 deg 相位時的電流方向如圖 2 和圖 3 所示，并得到無附加線圈時電流最大強度為 9.0 A/m，有附加線圈時電流增大為3.39 e2 A/m。

　　附加的開路線圈由于線圈與工作天線線圈相同，并在工作天線加激勵處斷開，所以線圈在電磁場環(huán)境中相當(dāng)于一個天線，感應(yīng)電流的方向仍然與工作天線電流方向相同，同樣間隔 180 deg 相位時電流方向發(fā)生反轉(zhuǎn)如圖 4 和圖 5 所示，線圈產(chǎn)生的磁場方向與工作天線一致，磁場疊加起到增強磁場的作用。

　　附加閉合線圈在變化的電磁場環(huán)境中產(chǎn)生的感應(yīng)電流則是與工作天線電流反向的如圖 6 和圖 7 所示，此時線圈產(chǎn)生的磁場與工作天線互相抵消，削弱了工作天線的輻射。而亥姆霍茲線圈之所以是兩個閉合線圈的磁場相互疊加是因為兩閉合線圈之間短接使兩個線圈電流相同。

　　由此得出結(jié)論在電磁場環(huán)境中，工作天線附近增加一開路線圈時的效果與亥姆霍茲線圈的原理等效，由于線圈不直接連接，操作更加靈活。后面的討論皆以增加開路線圈展開。

　　1.2 線圈與標(biāo)簽大小相等不正對

　　模型以圖 1 為基礎(chǔ)，線圈與工作天線不正對，保持線圈與工作天線之間的距離不變，線圈向左或向右水平平移線圈寬度一半的距離。表 2 線圈與工作天線間隔 5 mm 時距標(biāo)簽 5.5 cm 時的場強。

　　線圈偏移時增加的場強要比正對時小但也遠大于沒有附加線圈時的場強。

　　1.3 線圈變小

　　模型以圖 1 為基礎(chǔ)，線圈與工作天線正對，線圈尺寸縮小為現(xiàn)有尺寸的一半。

　　線圈變小，線圈與標(biāo)簽天線水平平行放置時，場強有一定的增加但已經(jīng)不明顯，且當(dāng)小線圈放置長邊方向與標(biāo)簽天線長邊方向垂直時，抵消了大部分中間場強，在 5.5 cm 時已經(jīng)趨近于 0 A/m(表 3)。

　　1.4 任意線圈

　　本研究所加單圈大環(huán)線圈主要表現(xiàn)為遠場特性，對近場幾乎沒有幫助。

　　1.5 仿真結(jié)論

　　此次研究是有意義的，如果工作天線固定,可以在相應(yīng)的距離上增加相應(yīng)大小的開路線圈增強工作天線的場強。而工作天線可以是電子標(biāo)簽天線也可以是終端設(shè)備天線。

　　2 實驗驗證

　　實驗采用的設(shè)備與電子標(biāo)簽都是北京中電華大電子設(shè)計有限責(zé)任公司簡稱華大電子所有的。且電子標(biāo)簽為對應(yīng)仿真的實物，見表 4 所示。

　　搭建環(huán)境如圖 8 所示，找一個可看清線圈位置的閱讀器天線，且天線按實際應(yīng)用放置，通過改變低介電常數(shù)介質(zhì)的高度來改變附加線圈的位置，測試識別電子標(biāo)簽的距離。

　　測試分兩方面來進行，一是附加線圈距離閱讀器天線的距離，二是附加線圈距離電子標(biāo)簽的距離。實測數(shù)據(jù)見表 5 和表 6。

　　實驗可以看到增加線圈確實可以增加標(biāo)簽的識別距離，與仿真結(jié)果相符，不管附加線圈放在標(biāo)簽側(cè)還是放在閱讀器天線側(cè)，在一定距離處放置附加線圈，識別距離都會增加。

　　進一步驗證，利用華大電子的頻率測試設(shè)備MP300 測試附加線圈后電子標(biāo)簽的頻率并找了兩款分別諧振在 12 MHz 和 15 MHz 的標(biāo)簽，驗證增加線圈后是否有上個實驗的結(jié)論。從仿真上看到附加線圈的電磁場效應(yīng)改變了工作天線電流分布，且兩者的磁場疊加。這個實驗將要進一步驗證阻抗是否改變且對工作天線的影響，同時驗證哪個因素影響更大一些。實驗使用標(biāo)簽如圖 9 所示。

　　圖 9 左邊的標(biāo)簽定為標(biāo)簽 1，尺寸為 67 mm ×37 mm，諧振在 12.61 MHz。中間的標(biāo)簽定為標(biāo)簽 2，直徑為 25 mm，諧振在 14.6 MHz。右邊的標(biāo)簽定為標(biāo)簽 3，尺寸為 26 mm×11 mm，諧振在 13.56 MHz。且標(biāo)簽 1 做成的線圈稱為線圈 1，頻率在 19 MHz。標(biāo)簽 2 做成的線圈稱為線圈 2，頻率在 33 MHz。

　　3 頻率測試數(shù)據(jù)

　　實驗用具有頻率測試設(shè)備 MP300、聯(lián)想筆記本電腦、非接觸天線板、電子標(biāo)簽 1 和電子標(biāo)簽 2。

　　實驗思路是把線圈與標(biāo)簽當(dāng)成一個整體，測試當(dāng)兩者之間距離不同時表現(xiàn)出來的頻率。實驗數(shù)據(jù)見表 7 和表 8。

　　分析一下數(shù)據(jù)，首先說明一下 MP300 的頻率范圍最高為 24 MHz，所以表 7 表現(xiàn)的頻率主要為線圈 1的頻率，而表 8 表現(xiàn)的頻率主要為標(biāo)簽2的頻率，是因為線圈2的頻率為 33 MHz 已經(jīng)測試不到了。從測試結(jié)果可以得出以下幾點信息，

　　(1)當(dāng)標(biāo)簽與天線距離加大時，測試出來的整體頻點以靠近閱讀器的線圈為主要頻點。

　　(2)附加線圈在距離標(biāo)簽較近時頻率往高偏，隨著距離的增加頻率往低偏慢慢靠近本身的頻率后繼續(xù)往低偏。

　　(3)而標(biāo)簽正好相反，與線圈距離近時頻率往低偏，隨著距離的增加頻率變高，逐漸恢復(fù)。

　　(4)從標(biāo)簽 1 和標(biāo)簽 2 的實驗來看，標(biāo)簽 1 原本的頻率就偏低，在線圈的影響下就偏的更低了，但是識讀距離增加了，可見頻偏的影響不是主要的，磁場增加的影響是主要因素。這一點很有意義。

　　因為實驗的兩個線圈都不是諧振在 13.56 MHz，根據(jù)上述第 1 點，我們用本身諧振在 13.56 MHz 的線圈繼續(xù)做實驗，使最終表現(xiàn)出的頻率是我們的工作頻率。使用圖 10 的閱讀器天線線圈，稱為線圈 4。

　　此時用線圈 4 和線圈 1 作為標(biāo)簽 2 的附加線圈進行測試，這個實驗可以看出，附加線圈 4 確實比線圈 1效果要好，為確定線圈頻率是否起了作用同時找了幾款不同尺寸的閱讀器天線線圈，頻率都在 13.56 MHz，有些許作用但并沒有達到線圈 4 的效果，也驗證了前面的結(jié)論，磁場的增強占主要因素。

　　進一步的使用手機 NFC 天線對三種標(biāo)簽進行測試，三款標(biāo)簽的尺寸不同，性能有差異，諧振頻率不同，但結(jié)果與上述實驗是一致的。

      4.結(jié)語

　　結(jié)合仿真和實驗，實驗設(shè)備包括使用高頻閱讀器、MP300、NFC 手機，各種標(biāo)簽包含了高頻測試的大多數(shù)設(shè)備，標(biāo)簽的頻率從 12 MHz 到 15 MHz，也包含了高頻標(biāo)簽的大多數(shù)頻段，通過大量的數(shù)據(jù)表明，標(biāo)簽與天線之間增加一開路線圈可以增強天線性能，增加識別距離?？梢詮V泛應(yīng)用在尺寸較小且有一定識別距離要求的項目中。