在无线领域,天线用来从A地点向B地点以最有效的方式发射无线电能量,这就是天线的职责——把送到它上面的能量辐射出去。如果我们正在设计UHF RFID系统,那这个假设是对的。然而,在13.56MHz结果就不大一样了。在13.56MHz的自由空间,无线电波的波长是λ=300/13.56=22.12米。
标准的地面天线的长度是波长的四分之一即5.53米。其辐射阻抗约为50欧姆。在13.56MHz RFID系统中,我们不可能采用这样尺寸的天线。即使我们采用这样大的天线,辐射功率还是很小。我们来看一个例子。假设我们有一个环形天线,其面积有一平方米,则其辐射阻抗为:
RR≈31200×(A/λ2)2
在13.56MHz系统中,RR=130毫欧姆并且我们可能已经用了4米线来制作这个天线(假设天线是正方形),因此如果不发射能量,我们怎么能够把这些能量发送到想通讯的目标?
答案是电磁耦合。有些人把RFID基站称为耦合器。这个术语非常恰当。实际上我们把RFID系统天线加标签看成一个松耦合的变压器,基站就好像是变压器的初级,这个概念对系统设计人员是非常重要的,必须紧记。标签和基站天线组成了系统,不能故意分开。
我们必须牢记的另外一点是如果我们把5瓦能量送到一个环形RFID天线上,这5瓦能量——不是射频能量会被散耗。
耦合电路
在上一段中我们稍微地介绍了另一个重要的但说得最少的概念。上面说到一个松耦合的变压器。耦合电路的理论不在本文的讨论范围内,那要非常冗长的计算,但通过使用像SPICE之类的电路模拟器,我们可以降低这方面的负担。现在我们需要定义角色并给它们逐个定义功能。
第一个角色是基站天线。为了使标签的通讯范围最大,必须产生尽可能大的磁场,以便标签能够接收到足够强的能量。因为环形天线的磁场跟流过构成天线的导体的电流是成比例的,我们必须把这个电流最大化。
第二个角色是标签。标签要尽可能多地从基站环形天线产生的磁场中收集能量。我们必须使它收集能力最强。
可以通过多种途径达到以上目标。然而,下一段将可以看出RFID系统设计艺术需要对必然会存在的缺陷和冲突有深入的了解。
了解13.56MHz RFID系统和天线设计细节,请访问Melexis公司应用指南:“13.56 MHz RFID systems. and antennas design guide”,网址为http://www.melexis.com/Asset.aspx?nID=3929&sCmd=download。