基于U2270B的RFID系統天線(xiàn)設計

　近年來(lái)，自動(dòng)識別方法在服務(wù)領(lǐng)域、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，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。

1射頻識別系統的原理

　　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含有高頻模塊(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[1]。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，接收來(lái)自閱讀器的射頻電源。應答器工作所需的能量，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[2]，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，討論射頻識別系統的天線(xiàn)設計。

　　在RFID系統中有兩個(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。如果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，只有調節回路中的電容量。

　　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。其特性用諧振頻率fo和Q因子表示[3]。fo是RFID系統的工作頻率，由天線(xiàn)的電感和電容共同決定，可以由式(1)來(lái)計算：

　　一般設計采用閱讀器工作在單一頻率的模式，對U2270B而言，可以取，fo=125 kHz。Q因子(QR)與天線(xiàn)的帶寬B和諧振頻率fo的關(guān)系為B=fo／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[4]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)圈和應答器線(xiàn)圈之間的耦合，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的取值范圍要控制在5～15，一般取QR= 12，可以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：

2 天線(xiàn)的設計步驟

　　進(jìn)行天線(xiàn)設計，主要是根據實(shí)際要求確定天線(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。

2.1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。磁場(chǎng)強度可以由式(3)來(lái)計算：

　　根據式(3)，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是在一定條件下，磁場(chǎng)強度隨線(xiàn)圈半徑變化的情況。圖2的測定條件是：fo=125 kHz，LR=737 μH，r=5～55 mm，d=20 mm。

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

2.2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就可以被測出。

圖4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：

圖5表明閱讀距離不同的情況下，測得的耦合因子的結果。

　2．3如何滿(mǎn)足實(shí)際的頻率容許偏差

　　圖6是當操作頻率固定，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的變化曲線(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400 mA。如果考慮到閱讀器天線(xiàn)線(xiàn)圈的電壓，天線(xiàn)的電感LR不能小于413 μH。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413／μH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)電容可以通過(guò)式(6)來(lái)計算：

　　其中fo≈125 kHz。

　　天線(xiàn)線(xiàn)圈的匝數可以通過(guò)式(7)來(lái)計算：

3 天線(xiàn)設計實(shí)例

假如條件如下：

　　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20 mm。
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可以確定耦合因子k=1．2％。
第3步：計算總的頻率容許頻偏為±3％與±4％之和±7％，由圖6可以看出，只有LR=1．24 mH的曲線(xiàn)在點(diǎn)(k=1．2％，±7％)之下，所以L(fǎng)R可以取413μH和850μH之間的任何值。這里取LR=737 μH。通過(guò)式(7)可以計算線(xiàn)圈的匝數N=97，通過(guò)式(6)可以計算出CR=2．2 nF。

結 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。本文只希望能夠為射頻識別系統研究提供一點(diǎn)啟示。