UHF频段无源RFID标签阅读距离影响因素分析

摘 要：在物品识别领域,RFID技术应用的快速发展对RFID标签的读出距离不断提出新的要求。通过对增加UHF 900 MHz频段无源电子标签阅读距离的主要方法的研究,着重从电子标签设计中的如下几个要素进行了探讨：天线及标签芯片阻抗匹配、天线及标签芯片的品质因数以及标签基底材料的选择。

关键词：射频识别；标签；阅读距离；阻抗匹配

中图分类号：TP391 文献标识码：B

文章编号：1004373X(2008)0103803オ

Analysis of Factors in Influencing Read Range of UHF Passive RFID Tag

YIN Shaofei,XIONG Lizhi

(Invengo Information Technology Co.Ltd.,Shenzhen,518057,China)

オ

Abstract：In the field of product identification,read range of RFID tags have to meet new continual requirements as the application of RFID technology developed rapidly.Though investigation on increasing read range of UHF passive tags which are working in the 900MHz frequency band,factors such as impedance matching and the effect of quality factors between the antenna and tag chip,selection of tag substrate were concluded as of crucial importance during RFID tag design.

Keywords：RFID;tag;read range;impedance matching

1 引 言

超高频无源 RFID 标签(UHF Passive RFID Tag)是指工作频率在300 MHz~3 GHz之间的超高频频段内,无外接电源供电的RFID标签。这种超高频无源RFID标签由于其工作频率高,可读写距离长,无需外部电源,制造成本低[1-4]。加之目前我国在UHF 900 MHz频段的RFID标准已经确立,目前已成为了RFID研究的重点方向之一,在不久的将来有可能成为RFID领域的主流产品。

然而,由于标签设计水平的局限和干扰源的广泛存在,目前制约900 MHz频段的UHF RFID标签应用的问题较多,主要体现在读出距离不够和相对较高的误码率,而误码率往往会随着标签与读出器天线的距离增加呈指数上升,故仍可以归结为实际有效的读出距离减小。

本文在RFID系统中读出器各性能指标确定的情况下讨论标签设计对读出距离的影响。读出距离的首要决定因素是标签芯片的最低工作电压(也即启动电压),在共轭阻抗匹配的前提下高的品质因数有助于得到高的标签芯片输入电压,但过高的天线品质因数会影响天线对反向散射能量的接收。另外,需要注意标签的应用环境,针对不同的应用环境选择合适的标签基底材料,以保证标签在实际应用中的阅读距离。

2 天线及标签芯片阻抗匹配对读出距离的影响

图1为典型的UHF频段无源RFID标签(也称应答器)反向散射调制模块图解。标签芯片主要由电源恢复电路、参考电压产生电路、调制/解调电路、时钟恢复电路、存储及数字控制电路构成。

Z┆IC是随V┆ICП浠而呈非线性变化的,出于要得到最大读出距离的目的,后面的讨论都集中在标签芯片在最低工作电压附近。在这个范围内,最大读出距离主要受两个因素的制约,其一是标签芯片工作所需的最低工作电压,其二是在RFID系统中读写器灵敏度确定时标签天线反向散射所能接收到的最小信号能量。

3 品质因数对读出距离的影响

在图2所示的等效电路中,当满足谐振条件：

И

根据交流电路的频率谐振特性和谐振电流关系可列方程：

И

当Q┆IC远大于该值时,|V┆IC|近似于随Q┆IC线性增大,此时相对较低的|V┆Tag.AV|仍可得到较高的标签芯片输入电压,从而增加了阅读距离,可见互为共轭匹配前提下高品质因数的天线及标签芯片是提高UHF RFID电子标签阅读距离的重要条件。

不过,从另一方面说来,品质因数越大,电路谐振曲线越尖锐,也就是选择性越强。从RFID系统的角度考虑,在读出器灵敏度确定的前提下,低的QAnt意味着能够接收到更多的反向散射能量,因此充分权衡满足标签芯片最低工作电压及保证天线对能量的有效接收才是行之有效的解决办法。

由于目前市售的多数UHF RFID芯片具有高的Q值,综合考虑RFID系统信号带宽、功率传输及天线尺寸要求,实际应用的很多UHF RFID电子标签结构中除了前面提到的天线及标签芯片外,还需要用于匹配天线与标签芯片的无损耗阻抗匹配网络[2]。具体如图3所示,以保证得到最大的功率传输。不过,出于对成本及生产装配的考虑,还是建议尽量少用匹配网络,努力通过改进天线的设计,使得Z┆Ant与Z┆IC在相应国家或地区规定的频段内,且在变化的V┆ICХ段内仍能近似保持匹配[5],最终保证在得到最大读出距离的同时没有因匹配问题造成的读取盲区[6]。

关于如何调整匹配网络中的参数使得RFID标签天线与芯片阻抗匹配已有不少相关报道[5,6],在此就不赘述。

4 通过标签基底材料的改进增大标签读取距离

RFID标签的工作频率越高,越容易受到环境介质的影响。例如工作在1356 MHz的RFID标签,只有金属体对标签天线电感量的影响最明显。但是,当标签的工作频率为UHF频段如915 MHz,此频段的标签天线,不仅金属体对他的影响十分严重,而且在短波段不受影响的玻璃、纸箱、木箱、塑料箱等人们认为的“绝缘”介质也会对UHF标签天线产生较大影响。如果UHF电子标签设计是以空气介质的空间调试的,那么该标签的用户就只能将他应用在单纯空气空间的环境下,才能发挥该标签的最佳电气性能；假如该用户将此标签改贴在玻璃箱体上,则此标签的电气性能会因此下降,直接表现为读出距离变近。