类似于LF/HF近场RFID系统，在UHF RFID系统天线和标签之间不仅存在通常的电耦合（电容耦合）运用，同时也存在磁耦合（电感耦合）的工作状态。

LF/HF RFID的电感耦合系统（近场）已经得到广泛应用，因为大多无功电能是存储在磁场中的，这样电感耦合系统仅容易受到高磁导率物体的影响，对其他物质敏感度较低，所以能在靠近金属或液体的地方工作；并且由于在电感耦合系统中磁场衰减迅速，因此在RFID运用中LF/HF RFID的电感耦合系统往往能够非常可靠的控制工作距离，保证应用的有效、安全。LF/HF RFID的电感耦合系统示意图如图1所示：

图 1

当UHF RFID电容耦合系统（远场）用于实际系统时，因为能量是存储在电场中很容易被周边环境影响和损耗，特别易受到高电导率物体的影响，因此系统工作距离很不可控，不同角度、不同位置、不同环境下工作距离可能千差万别。UHF RFID电容耦合系统示意图如图2所示：

图 2

那么，UHF RFID系统能够实现磁耦合的近场应用，有效控制住工作距离吗？

当我们为了实现磁耦合的近场运用，试图按照LF/HF RFID天线思路去设计UHF RFID读卡器近场天线时，为什么总是失败呢？为什么天线的中心不是最佳的读取位置呢？为什么其工作距离远不像LF/HFRFID系统那样可控？

其实按照LF/HF RFID天线思路去设计UHF RFID读卡器近场天线的思路本身是对的，但是我们忽视了其中一个重要参数：波长。

我们知道HF RFID波长大约是35米，而UHF RFID波长大约是30厘米（其中由于受到高介电常数基板的影响，UHF RFID的工作往往要小于30厘米）。波长的巨大差距是导致我们无法简单套用HF RFID天线思路去设计UHF RFID近场天线的原因。

电小环在靠近天线附近能产生强大且均匀的磁场，传统的实线电小环环天线已经在LF/HF系统中运用了很多年。那么什么是电小环呢？环天线物理尺寸远小于工作波长的天线，被称为电小环。HF RFID波长大约是35米，LF RFID的波长则更长，因此它们的环天线线长尺寸肯定远小于波长，非常容易满足电小环的条件，可以在靠近天线附近产生强大且均匀的磁场。

那么为什么电小环能够产生强大且均匀的磁场？我们都学过高中物理的右手定律，沿着环的电流相位一致，且在一个单一的方向流动，能够产生强大而均匀的磁场分布。正是因为LF/HF系统中环天线线长尺寸远小于波长，其流经环天线的电路相位基本一致，因此具备电小环特性。

然而，当传统的环天线运用在UHF频段时，对于其频率下的工作波长，其天线周长很长，无法满足环天线物理尺寸远小于工作波长的条件。如图3所示，我们设计一个周长C为一个波长 的环天线，观察天线的电流分布情况；

图 3

我们发现流经电流在天线环两侧中心存在零电流状况，并且电流相位出现逆转现象。

当无法满足环天线物理尺寸远小于工作波长的电小环条件时，在天线周长接近一个工作波长为30cm的情况下，流经天线环的电流相位不一致，相位出现逆转现象，无法形成一个单一的方向流动。其磁场分布如图4所示：

图 4

由于流经环天线的电流相位不一致，其在天线中心处所产生的磁场相互抵消，天线在中心区域产生相对较弱的磁感应强度，无线实现LF/HF RFID环天线的相同特性。

那么如何能够实现UHF RFID系统的磁耦合的近场运用，如何设计UHF RFID系统的读卡器近场天线呢？

如前文所言 “按照LF/HF RFID天线思路去设计UHF RFID读卡器近场天线的思路本身是对的”，我们要做的是想办法让UHF RFID读卡器近场天线与LF/HF RFID天线一样具备电小环的特性，要求沿着环的电流相位一致，且在一个单一的方向流动，产生强大和均匀的磁场分布。

电容耦合会产生相位滞后，UHF RFID环天线无法实现电小环的特性，是因为天线周长与工作波长比拟，流经天线的电流相位超前翻转造成的。那么是不是可以将电容耦合运用到UHF RFID环天线中去呢？运用电容耦合相位滞后的特性，不断延缓电流相位变化，实现电流相位基本一致的电小环特性。答案是肯定的。

如文献《UHF Near-field RFID Reader Antenna》Xianming Qing、Chean Khan Goh、Zhi Ning Chen所提出的方案，如图5所示：

图 5

分段耦合线段在与相连线段之间产生一个非常小的滞后相位，以及结合每个部分的寄生电感和由两并行分段形成的电容，使得沿着环的电流相位保持恒定，使UHF RFID天线的电大环等效于电小环特性，产生均匀分布的磁场。其等效电路如图6所示：

图 6

其电流分布如图7所示：

图 7

其磁场分布如图8所示：

图 8

由于所采用的分段耦合线段在与相连线段之间产生一个非常小的滞后相位，使得沿着环的电流相位保持恒定，使UHF RFID电大环天线等效于电小环特性，产生均匀分布的磁场，实现了与LF/HF相同的电小环特性。(由于电小环具有非常小的辐射电阻，因此可以工作在大电流下，并且不会违背相关规定的辐射限制)

文献《Segmented Coupling Eye-shape UHF band Near Field Antenna Design》LiXiuping， LiaoJiankun 基于相同原理亦实现了UHF RFID近场天线的电小环特性，如图9所示：

图 9

在一些场合的RFID运用中，距离控制的要求非常重要，特别是有关支付的运用场景中（距离不可控，极容易造成投诉）。如果能将UHF RFID的运用距离限定在与LF/HF RFID频段相同的范围内，将极大地拓展UHF RFID的使用范围，具有可观的商业前景。本文梳理了RFID系统近场运用的基本原理，并且提供两种基于该原理的UHF RFID天线设计的参考实例，希望为促进UHF RFID近场系统的运用起到一定引导作用。

参考文献：

（1） DOBKIN D M．The RF in RFID：passive UHF RFlD in practice[M]． Burlington：Elsevier Inc．，2008．

（2） Xianming Qing、Chean Khan Goh、Zhi Ning Chen，“UHF Near-field RFID Reader Antenna”Institute for Infocomm Research, Singapore；

（3） LiXiuping， LiaoJiankun，“Segmented Coupling Eye-shape UHF band Near  Field Antenna Design”, 2009 Asia-Pacific Microwave Conference，Dee.2009

（4） P.V. Nikitin, K.V.S. Rao, and S. Lazar, “An overview of near field UHF RFID,” IEEE International RFID Conference, pp. 167-174, March 2007.

（5） Jiankun Liao, Xiuping Li, “A low-cost impedance measurement method for UHF band RFID near field antenna,” accepted by  ICCTA 2009.