一種RFID系統天線(xiàn)的設計和實(shí)現

電感量值的物理意義是：在電流包圍的總面積中產(chǎn)生的磁通量與導體回路包圍的電流強度之比。實(shí)際RFID天線(xiàn)調試的時(shí)候，讀寫(xiě)器天線(xiàn)電感量值可以通過(guò)阻抗分析儀測出，在條件有限的情況下，也常采用估算公式進(jìn)行估算。假定導體的直徑d與導體回路直徑D之比很小(d/D0.001)，則導體回路的電感可簡(jiǎn)單地近似為：

式中：N為繞線(xiàn)天線(xiàn)的匝數;R為天線(xiàn)線(xiàn)圈的半徑;d為導體的內徑;μ0為自由空間磁導率。

線(xiàn)圈匝數還有以下的近似公式進(jìn)行估算，在實(shí)際應用中，兩個(gè)公式可以進(jìn)行對照使用：

式中：L為線(xiàn)圈電感，單位為nH;A為天線(xiàn)線(xiàn)圈包圍面積，單位為cm2;D為導線(xiàn)直徑，單位為cm.

1.6 天線(xiàn)的品質(zhì)因數

天線(xiàn)的性能還與它的品質(zhì)因數有關(guān)。Q既影響能量的傳輸效率，也影響頻率的選擇性。過(guò)高的Q值雖然能使天線(xiàn)的輸出能量增大，但是同時(shí)，讀寫(xiě)器的通帶特性也會(huì )受到影響。所以在實(shí)際調節Q值的時(shí)候，要進(jìn)行折中的考慮。調節Q值，是通過(guò)在R-L-C等效電路上面串接一個(gè)電阻R1實(shí)現的，具體的公式如下：

Q=ωL/(R+R1) (8)

2 實(shí)際調試

RFID天線(xiàn)的設計需要考慮很多因素，上述幾個(gè)是實(shí)際的調試過(guò)程中的重要物理參量。明確了上述物理參量之后，在給定期望距離以及工作頻率等RFID系統要求之后，在條件有限的情況下，就可以根據需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的RFID天線(xiàn)設計了。下面給出一個(gè)應用于軌道交通的RFID天線(xiàn)設計的實(shí)際例子。此處設計一個(gè)期望最大作用距離為1 cm,工作頻率在125 kHz的繞線(xiàn)天線(xiàn)，系統要求閱讀器天線(xiàn)線(xiàn)圈的半徑盡量小，不超過(guò)1 cm.具體步驟如下：

首先確定天線(xiàn)的最佳半徑，不宜太大也不宜太小，理想的最佳天線(xiàn)半徑應當為期望作用距離的2倍，在實(shí)際設計的時(shí)候，應當根據設計需求在設計中進(jìn)行折衷的考慮，在保證系統要求的前提下，盡可能地接近最佳值。本例中閱讀器天線(xiàn)的最佳半徑應當為1.4

cm,但是考慮到系統對于天線(xiàn)半徑尺寸的要求不超過(guò)1 cm,所以實(shí)際中取半徑為0.8

cm.在允許的條件下，為使效果更好，可以加入一個(gè)帶有適量鐵氧體的天線(xiàn)骨架、天線(xiàn)以及閱讀器板子，如圖3所示。

其次，再根據工作頻率以及系統本身的要求確定電感量的大致范圍，本系統中取電感量在600~800μH.再者，用電感量與匝數關(guān)系的經(jīng)驗公式大致估計繞線(xiàn)的匝數。本例中，取電感量在700μH,用直徑為0.27 mm的銅導線(xiàn)進(jìn)行繞制天線(xiàn)。由公式

計算出匝數大概在266圈左右，繞完后，根據湯姆遜公式

選取所用的調諧電容。用相關(guān)的儀器(如頻譜儀和矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀)測量出諧振頻率，這個(gè)時(shí)候，由于電感只是估算的，而且選用的匹配電容也是具有一定標稱(chēng)值的，并不能做到與計算一致，所以總是會(huì )存在誤差。

由于調諧的電容是已知的，而且有固定的標稱(chēng)值，可以根據湯姆遜公式由這個(gè)時(shí)候測得的頻率反推出在恰好達到此頻率的時(shí)候所需要的電感的大小，即繞線(xiàn)線(xiàn)圈電感?？搭l率的偏移情況，按電感量估算公式逐步增加或者減少線(xiàn)圈匝數，直到達到指定的諧振頻率125 kHz.用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀以及頻譜儀測諧振頻率的實(shí)際圖片如圖4,圖5所示。

3 結 語(yǔ)

根據矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀以及頻譜分析儀的顯示，本RFID天線(xiàn)已經(jīng)成功諧振在125 kHz.接下來(lái)便可根據所提到的公式，計算出調Q值所用的電阻的大小，然后根據系統的要求進(jìn)行進(jìn)一步的聯(lián)調測試了。實(shí)際工程中，RFID讀寫(xiě)器及標簽有各種電路結構，但是歸根到底都是等效成R-L-C諧振電路的，比如說(shuō)PHILIPS的MIFARE系列讀寫(xiě)器的天線(xiàn)設計，所以本文對于各種RFID系統的天線(xiàn)設計具有普遍的指導意義。