基于U2270B的射頻識別系統天線(xiàn)設計

引言

近年來(lái)，自動(dòng)識別技術(shù)法在服務(wù)、貨物銷(xiāo)售、后勤分配、商業(yè)、生產(chǎn)企業(yè)和材料流通等領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展，而其中的射頻識別技術(shù)更是發(fā)展迅速，并已逐步成為一個(gè)獨立的跨學(xué)科的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，主要包括高頻技術(shù)，半導體技術(shù)，電磁兼容技術(shù)、數據安全保密技術(shù)，電信和制造技術(shù)等，天線(xiàn)作為射頻識別系統設計的關(guān)鍵器件直接影響著(zhù)系統的性能。

射頻識別系統工作原理

射頻識別系統（rfid）一般由閱讀器（pcd）和應答器（picc）兩部分組成，一臺典型的閱讀器包括有高頻模塊（發(fā)送器和接收器）、控制單元以及與應答器連接的耦合元件，應答器是射頻識別系統真正的數據載體。通常，應答器由耦合元件以及微電子芯片組成，應答器沒(méi)有自己獨立的供電電源，只是在閱讀器的響應范圍之內，接受來(lái)自閱讀器的射頻點(diǎn)，應答器工作所需要的能量，如同時(shí)鐘脈沖和數據一樣，是通過(guò)耦合單元非接觸傳輸而獲得的，因此，實(shí)現耦合的元件——天線(xiàn)，在本系統中具有關(guān)鍵作用，天線(xiàn)的設計直接關(guān)系到系統的通信距離和數據傳輸的可靠性，下面主要以射頻基站芯片u2270b為例，來(lái)討論射頻識別系統的天線(xiàn)設計。

rfid系統中一般有兩個(gè)lc電路：由基站線(xiàn)圈和連接電容組成的lrcr電路以及由應答器線(xiàn)圈和連接電容組成的ltct電路，在單線(xiàn)圈系統中，要求兩個(gè)lc電路調諧在相同的諧振頻率上，屬于基站和應答器的諧振頻率不匹配，零調制就會(huì )產(chǎn)生，從而降低系統的性能，在系統設計成型后天線(xiàn)的電感是固定的，因此要改變lc電路的諧振頻率，只有調節電路中的電容量即可。

閱讀器基站天線(xiàn)是由電感、電容和電阻組成的串聯(lián)諧振電路，如圖1所示，其特性可用諧振頻率f0和q因子表示，其中f0是rfid系統的工作頻率，由天線(xiàn)的箭桿和電容共同決定，可以由式（1）來(lái)計算：

設計時(shí)，一般可采用閱讀器工作在單一頻率的模式，對u2270b而言，可以取f0=125khz，q因子（qr）與天線(xiàn)的帶寬b和諧振頻率f0的關(guān)系為b=f0/qr，高qr值會(huì )得到較高的閱讀器天線(xiàn)電壓，從而可增加傳輸到應答器的能量，高qr值的缺點(diǎn)是減小了天線(xiàn)帶寬，進(jìn)而當應答器頻率發(fā)生偏移時(shí)減小了應答器所感應的數據信號電壓，從而導致射頻卡的解調困難而無(wú)法正常工作，耦合因子為閱讀器基站的電磁場(chǎng)產(chǎn)生線(xiàn)圈和應答器之間的耦合，耦合因子取決于系統的結構參數，直接影響閱讀器與應答器的閱讀距離，優(yōu)化耦合因子將對能量傳輸通道和信號傳輸通道有利，為確定耦合因子，可利用temic公司提供的試驗應答線(xiàn)圈（ttc）及電路進(jìn)行測試，qr取值范圍要控制在5-15，一般取qr=12即可適合于大多數應用情況的要求，如果天線(xiàn)的電感確定，那么qr因子可以通過(guò)式（2）由rr進(jìn)行調整：

天線(xiàn)的設計步驟

進(jìn)行天線(xiàn)設計主要應根據實(shí)際要求來(lái)確定天線(xiàn)的機械尺寸、線(xiàn)圈匝數、電感以及等效電路的電容等，從而使天線(xiàn)的工作效率最高，下面介紹天線(xiàn)設計的一般步驟。

◇ 優(yōu)化磁場(chǎng)耦合因子

耦合因子僅僅與線(xiàn)圈排列的機械尺寸（如線(xiàn)圈直徑、閱讀距離、線(xiàn)圈方位角）和磁場(chǎng)中線(xiàn)圈附近的物質(zhì)有關(guān)，與閱讀器天線(xiàn)或應答器天線(xiàn)的電感無(wú)關(guān)，為了提高耦合因子，應該選擇盡量小的傳輸距離，而且閱讀器和應答器的天線(xiàn)軸線(xiàn)要平行，如果閱讀距離確定，閱讀器天線(xiàn)線(xiàn)圈直徑和磁場(chǎng)耦合因子k就可以根據這個(gè)特定距離進(jìn)行優(yōu)化設計。其磁場(chǎng)強度可以由式（3）來(lái)計算：

其中： h(d)——磁場(chǎng)強度；

　　　 ur——閱讀器天線(xiàn)電壓；

　　　 lr——閱讀器天線(xiàn)電感；

　　　 f0——工作頻率；

　　　 μ0——磁場(chǎng)常數，μ0=1.257×10-6；

　　　 r——天線(xiàn)線(xiàn)圈半徑；

　　　 d——閱讀距離。

根本式（3）可見(jiàn)，磁場(chǎng)強度和天線(xiàn)結構有直接關(guān)系，而磁場(chǎng)耦合因子k也取決于線(xiàn)圈排列的結構尺寸，所以磁場(chǎng)強度和k也是成比例的，優(yōu)化耦合因子就是要確定天線(xiàn)效率最高時(shí)，天線(xiàn)半徑和閱讀距離的關(guān)系，圖2給出了一定條件下，磁場(chǎng)強度隨線(xiàn)圈半徑變化的情況，圖2的測定條件是：f0=125khz，lr=737μh，r=5-55mm，d=20mm。

從圖2中可以看出，如果閱讀距離d為常數，則當rd時(shí)，場(chǎng)強基本按比例減??；由此可以得出，天線(xiàn)線(xiàn)圈的最佳半徑為r≈d。

◇ 確定磁場(chǎng)的耦合因子

為確定耦合因子，可利用temic公司提供的試驗應答線(xiàn)圈（ttc）及電路進(jìn)行測試，測試原理如圖3所示，ttc可以放在實(shí)際應答器的位置上。當閱讀器天線(xiàn)在信號發(fā)生器的激勵下工作時(shí)，通過(guò)ttc的電壓ut就可以測出耦合因子。

圖4所示是ttc和測量設備相連的等效電路模型，cpara是線(xiàn)圈的內部寄生電容、ccable和cprobe是測量設備的電纜電容和負載電容，這些電容對測量電壓都會(huì )產(chǎn)生影響，為了使測量效果更加準確，這里引入了修正因子ak，計算公式如下：

其中：ak——修正因子（<1）；

　　　lt——應答器線(xiàn)圈電感（3.95mh）；

　　　ut——應答器線(xiàn)圈電壓。

　　　ur——閱讀器天線(xiàn)電壓；

　　　lr——閱讀器天線(xiàn)電感；

　　　w=2π×125khz。

圖5所示是在閱讀距離不同的情況下，測得的耦合因子的結果。

圖6是在操作頻率固定，閱讀器電感為不同值時(shí)，總的天線(xiàn)容許頻偏隨著(zhù)磁場(chǎng)耦合因子k的變成曲線(xiàn)，從圖6中可以看出，總體容許頻偏隨k的增大而增大，隨閱讀器線(xiàn)圈電感值的增大而減小，值得注意的是，天線(xiàn)電感與流過(guò)天線(xiàn)的電流成反比。對u2270b來(lái)說(shuō)，最大天線(xiàn)電流（irpp）被限制在400ma，考慮到閱讀器天線(xiàn)線(xiàn)圈的電壓，天線(xiàn)的電感lr不能小于413μh，在圖6中，縱坐標總的天線(xiàn)容許頻偏和橫坐標磁場(chǎng)耦合因子對應著(zhù)一個(gè)點(diǎn)。大于413μh且小于在對應點(diǎn)之上最近曲線(xiàn)所對應的電感的任何電感值都可以被選取，確定了lr后，在工作頻率固定的情況下，天線(xiàn)電容便可以通過(guò)式（6）來(lái)計算：

式中：f0大約為125khz，天線(xiàn)線(xiàn)圈的匝數可以通過(guò)式（7）來(lái)計算：

天線(xiàn)設計實(shí)例

若閱讀器線(xiàn)圈的容許頻偏為±3%；應答器線(xiàn)圈的容許頻偏為±4%；標稱(chēng)閱讀距離為20mm。那么，在設計天線(xiàn)時(shí)，便可按以下方法進(jìn)行：

第1步：為了使磁場(chǎng)耦合效果最佳，選取閱讀器線(xiàn)圈半徑為r=20mm。

第2步：根據圖5來(lái)確定耦合因子k=1.2%。

第3步：計算總頻率容許頻偏，本例為±3%與±4%之和，即±7%，由圖6可以看出，只有lr=1.24mh的曲線(xiàn)在點(diǎn)（k=1.2%，±7%）之下，lr才可以取413μh和850μh之間的任何值。這里取lr=723μh，事實(shí)上，通過(guò)式（7）可以計算出線(xiàn)圈匝數n=97，通過(guò)式（6）可以計算出cr=2.2 nf。

結束語(yǔ)

本文主要針對u2270b分析了射頻識別系統的天線(xiàn)設計的一般步驟，外界干擾等因素還可能會(huì )給設計的過(guò)程帶來(lái)一些特殊的問(wèn)題，本文只希望視頻識別系統研究提供一點(diǎn)啟示。