13.56MHz RFID讀卡器天線設計

　　天線是一種轉能器。發(fā)射時，它把發(fā)射機的高頻電流轉化為空問電磁波；接收時，它又把從空間截獲的電磁波轉換為高頻電流送入接收機。對于設計一個應用于射頻識別系統(tǒng)中的小功率、短距離無線收發(fā)設備，天線設計是其中的重要部分【1】．良好的天線系統(tǒng)可以使通信距離達到最佳狀態(tài)。天線的種類很多，不同的應用需要不同的天線。在小功率、短距離的RFID系統(tǒng)中，需要一個通信可靠、價格低廉的天線系統(tǒng)，PCB環(huán)型天線是比較常用的一種。

　　本文主要討論用于由NXP公司的射頻芯片RC500所設計的瀆卡器中使用的天線．由于該芯片要求的天線阻抗為70Ω，工作于13.56MHz，因此在設計中，采用PCB環(huán)形天線，PCB環(huán)形天線是電小環(huán)天線的一種。所謂電小環(huán)天線，一般定義為：，其中，為天線的最大幾何尺寸；為工作波長【2】。

　　1天線的設計

　　天線線圈等效電路圖如圖1所示，其中R為Tl與T2之間天線線圈電阻損耗，C為線圈與Tl和乾之間的電容損耗，L為天線線圈電感。

　　將電容C與天線線圈并聯(lián)或者串聯(lián)起來組成LC諧振電路，通過此諧振電路，閱瀆器可將能量傳輸至射頻卡，并與卡進行通信。諧振電路的諧振頻率可調諧至閱讀器的工作頻率13.56 MHz，其值由湯姆遜公式得出【3】：

　　從式(1)可以看出，天線的頻率跟LC有關。天線尺寸越大，則線圈的電感己就越大，相對的電容C就需要變小。一旦天線的電感超過5μH時，電容C的匹配就變得困難，設計天線時應考慮天線的線圈電感值不超過5μH，并且天線導體的寬度應在0.5～1.5mm內。

　　閱瀆器與天線連接方式有二種：一種是直接匹配的天線，適用于射頻模塊與天線之間距離較短的系統(tǒng)；另一種是50Ω匹配的天線，適用于射頻模塊與天線之間距離較長的系統(tǒng)。本文采用直接匹配的天線設計方式，天線電路分三部分：射頻模塊發(fā)送端口濾波和電阻轉換電路；射頻模塊接收端口接收電路；射頻模塊發(fā)射接收天線及其匹配電路。

　　1.1射頻模塊發(fā)送端口濾波和電阻轉換電路

　　閱讀器的工作頻率由一個13.56 MHz的石英晶體產生，在產生驅動RC500以及驅動天線的能量載波的基頻同時石英晶體也產生高次諧波。由國際EMC規(guī)定可知，為了抑制住13.56 MHz中的三次、五次和高次諧波，設計電路時在射頻模塊發(fā)送端VI即TX1腳，TX2腳和地TVSS腳之間引入一個低通濾波器電路【4】，該低通濾波器電路如圖2所示，其中電感L1，和L2均為2．2“H，電容C20，C21均為47 pF。

　　1.2射頻模塊接收端口接收電路

　　RC500內部接受電路是利用射頻卡的返回應答信號在副載波的雙邊帶上都有調制這一概念來工作的。根據RC500的芯片手冊，由RC500芯片內部所產生的VMID作為接收信號引腳RX的輸入偏置。為了減少干擾，提供一個穩(wěn)定的參考電壓，在VMID和地TVSS之間連接了一個0.1μF心電容C18同時在RX0和VMID引腳間連接了一個820 Q的電阻R7，作為分壓器【4】。圖3為接收電路的原理圖。

　　1.3射頻模塊發(fā)射接收天線及其匹配電路

　　閱讀器的工作距離由三方面要素決定：閱讀器的天線尺寸，天線匹配電路的品質因子Q和閱讀器周圍環(huán)境的影響。因此，設計天線的時候要充分考慮這三方面的因素。

　　1.3.1天線尺寸的設計

　　閱讀器的天線有多種形狀，最常見的有兩種：環(huán)形天線和矩形天線．本文的閱讀器天線采用矩形天線，這種天線的距其中心垂直距離為X處的磁通量密度可由式(2)算出：

　　式中，B為磁通量密度；，其為磁場常數(shù)；N為天線線圈的匝數(shù)；I為線圈中電流強度.磁通量B與距離X成反比，磁場強度隨著距離變遠而弱．天線線圈的電感可由阻抗分析儀測量得到。若沒有分析儀，可采用公式估算的方法得到近似的電感值，天線電感的估算公式如下：

　　式中，L為天線電感估汁值，nH；l1．為一圈天線導線環(huán)的長度，cm；D1為PCB線圈導線的寬度；若線圈為環(huán)形，則K=1.07，若線圈為矩形，則K=1.47；N為線圈匝數(shù)。從式(2)和(3)中可看出，增加線圈的匝數(shù)Ⅳ可增大線圈的磁通量密度B，延線線圈的有效工作距離，而天線線周電感L與線圈匝數(shù)N的1.8次方成正比，增加匝數(shù)N會使線圈的電感L增大，又由式(1)知，線圈的電感不應超過5μH，所以必須在線圈能提供足夠大的磁通量密度情況下保證線圈匝數(shù)N盡可能的?。C合以上考試，天線線圈匝數(shù)采用3圈。

　　為了制作出電感較小的天線線圈，采用在PCB板上用導線繞制成矩形線圈的方式制作天線線圈．環(huán)繞的導線線寬為1 mm，矩形長寬分別為72mm×37mm．PCB設計成2層結構，天線線圈在PCB板的底層，頂層布有不閉合的屏蔽環(huán)，這種布板設計較好的吸收了天線線圈PCB本身產生的電場，改良了天線的EMC性能。

　　1.3.2天線匹配電路的設計

　　由于天線本身的阻抗并不高，需要一個匹配電路連接射頻模塊。天線匹配電路設計的是否合理直接影響到天線是否能夠正常工作。這里分為理論和實際兩部分對天線匹配電路進行討論。

　　(1)理論設計【5】

　　圖4為天線的匹配電路，由于電路的對稱性，可將電路簡化為圖5的電路圖。

　　圖中線圈電阻，線圈電感，根據天線設計手冊，線圈電感L由式(3)估算得：，線圈電阻測得為

　　匹配電路中的和。都可以由兩種方法得到：

　　①第一種方法是通過式(4)，(5)，(6)計算得到。

　　其中，,Q為品質因素，在mifare卡應用中，Q=35。

　　本設計中由于沒有設備對線圈的電感以及電阻進行準確的測量，只能對其進行估算，所以利用公式計算的這種方法將產生很大的誤差，因此在這種情況下一般采用這種方法。

　?、诘诙N方法是利用官方提供的天線匹配電路初值進行沒計，如表1。表1顯示了天線線圈電感值與電容之間的對應關系，表1中的電容值僅為參考值，最終結果要由天線的調諧確定。本文設計的天線電感估算值為1.3μH，故根據表1，匹配電路中C1a和C1b均為27pF，C2a和C2b均為180 pF。

　　(2)實際設計

　　在理論設計中，匹配電路中各個電容都使用了參考值，而在實際的系統(tǒng)當中，由于各種因素的影響，該匹配電路不一定能取得預想的效果．所以，具體的電容值還需要由天線的調諧來確定．調試方法為：在和的兩端分別并聯(lián)一個可調電容，在系統(tǒng)工作過程中不斷調節(jié)電容的大小，最終以達到調諧狀態(tài)并記下可調電容的值，再加入匹配電路中．通過對整個系統(tǒng)的調試，最終確定匹配電路中C1a和C1b均為15pF，C2a和C2b均為150 pF，并且得到了較為理想的效果。

　　2結束語

　　基于13.56 MHz射頻芯片RC500的RFID閱讀器的天線設計，經實踐驗證，天線的有效讀卡距離可達到30 mm，并且具有良好的性能．使用此天線的閱讀器運行穩(wěn)定，制作成本低廉。對于13.56 MHz

　　RFID閱讀器的開發(fā)具有很好的參考價值和實用意義。