基于U2270B的射頻識別系統(tǒng)天線設(shè)計

山東科技大學(xué) 高潔 徐克寶

近年來，自動識別方法在服務(wù)領(lǐng)域、貨物銷售、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，以逐步成為一個獨立的跨學(xué)科的領(lǐng)域，主要包括高頻技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、數(shù)據(jù)安全保密技術(shù)、電信和制造技術(shù)等。天線作為射頻識別系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵器件直接影響著系統(tǒng)的性能。

1 射頻識別系統(tǒng)的原理

射頻識別系統(tǒng)（RFID）一般由閱讀器（PCD）和應(yīng)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(yīng)答器連接的耦合元件[1]。應(yīng)答器是射頻識別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。通常，應(yīng)答器由耦合元件以及微電子芯片組成，應(yīng)答器沒有自己獨立的供電電源，只是在閱讀器的響應(yīng)范圍之內(nèi)，接受來自閱讀器的射頻電源，應(yīng)答器工作所需要的能量，如同時鐘脈沖和數(shù)據(jù)一樣，是通過耦合單元非接觸傳輸而獲得的[2]，因此，實現(xiàn)耦合的元件——天線，在本系統(tǒng)中具有關(guān)鍵作用，天線的設(shè)計直接關(guān)系到系統(tǒng)的通信距離和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。下面主要以射頻基站芯片U2270B為例，討論射頻識別系統(tǒng)的天線設(shè)計。

在RFID系統(tǒng)中有兩個LC電路：由基站線圈和連接電容組成的LRCR電路以及由應(yīng)答器線圈和連接電容組成的LTCT電路。在單線圈系統(tǒng)中，要求兩個LC電路調(diào)諧在相同的諧振頻率上。屬于基站和應(yīng)答器的諧振頻率不匹配，零調(diào)制就會產(chǎn)生，從而降低系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)設(shè)計成型后，天線的電感是固定的，因此要改變LC電路的諧振頻率，只有調(diào)節(jié)電路中的電容量。

閱讀器基站天線是由電感、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F0和Q因子表示[3]。f0是RFID系統(tǒng)的工作頻率，由天線的電感和電容共同決定，可以由式（1）來計算：

一般設(shè)計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）與天線的帶寬B和諧振頻率f0的關(guān)系為B＝f0/QR。高QR值會得到較高的閱讀器天線電壓，從而可增加傳輸?shù)綉?yīng)答器的能量，高QR值的缺點是減小了天線帶寬，進(jìn)而當(dāng)應(yīng)答器頻率發(fā)生偏移時減小了應(yīng)答器所感應(yīng)的數(shù)據(jù)信號電壓，從而導(dǎo)致射頻卡的解調(diào)困難[4]而無法正常工作。耦合因子為閱讀器基站的電磁場產(chǎn)生線圈和應(yīng)答器之間的耦合，耦合因子取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)殘素，直接影響閱讀器與應(yīng)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(yīng)答線圈（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(shù)應(yīng)用情況的要求，如果天線的電感確定，那么QR因子可以通過式（2）由RR進(jìn)行調(diào)整：

2 天線的設(shè)計步驟

進(jìn)行天線設(shè)計，主要是根據(jù)實際要求確定天線的機(jī)械尺寸、線圈匝數(shù)、電感以及等效電路的電容等，從而使天線的工作效率，下面介紹天線設(shè)計的一般步驟。

2.1 優(yōu)化磁場耦合因子

耦合因子僅僅與線圈排列的機(jī)械尺寸（如線圈直徑、閱讀距離、線圈方位角）和磁場中線圈附近的物質(zhì)有關(guān)。與閱讀器天線或應(yīng)答器天線的電感無關(guān)。為了提高耦合因子，應(yīng)該選擇盡量小的傳輸距離，而且閱讀器和應(yīng)答器的天線軸線要平行。如果閱讀距離確定，閱讀器天線線圈直徑和磁場耦合因子k就可以根據(jù)這個特定距離進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。磁場強(qiáng)度可以由式（3）來計算：

其中：H——磁場強(qiáng)度；

　　　U_R——閱讀器天線電壓；

　　　L_R——閱讀器天線電感；

　　　f₀——工作頻率；

　　　μ₀——磁場常數(shù)，μ0＝1.257×10－6；

　　　r——天線線圈半徑；

　　　d——閱讀距離。

根本式（3），磁場強(qiáng)度和天線結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，而磁場耦合因子k也取決于線圈排列的結(jié)構(gòu)尺寸，所以磁場強(qiáng)度和k也是成比例的。優(yōu)化耦合因子就是要確定天線效率時天線半徑和閱讀距離的關(guān)系，圖2是在一定條件下，磁場強(qiáng)度隨線圈半徑變化的情況。圖2的測定條件是：f₀＝125kHz，L_R＝737μH，r＝5～55mm，d＝20mm。

從圖2中可以看出，如果閱讀距離d為常數(shù)，當(dāng)r＜d時，場強(qiáng)H隨r的增大而急劇上升；當(dāng)r＝d為時，場強(qiáng)H達(dá)到值；當(dāng)r＞d時，場強(qiáng)基本按比例減??；由此可以得出：天線線圈的半徑為r≈d。

2.2 確定磁場的耦合因子

為確定耦合因子，可利用Temic公司提供的試驗應(yīng)答線圈（TTC）及電路進(jìn)行測試，測試原理如圖3所示。TTC可以放在實際應(yīng)答器的位置上。當(dāng)閱讀器天線在信號發(fā)生器的激勵下工作時，通過TTC的電壓U_T就可以被測出。

圖4是TTC和測量設(shè)備相連的等效電路模型。

C_para是線圈的內(nèi)部寄生電容、C_cable和C_probe是測量設(shè)備的電纜電容和負(fù)載電容。這些電容對測量電壓都會產(chǎn)生影響。為了使測量效果更加準(zhǔn)確，這里引入了修正因子A_k，計算公式如下：

其中：A_k——修正因子（＜1）；

　　　L_T——應(yīng)答器線圈電感（3.95mH）；

　　　U_T——應(yīng)答器線圈電壓；

　　　U_R——閱讀器天線電壓；

　　　L_R——閱讀器天線電感；

　　　w＝2π×125kHz。

圖5表明閱讀距離不同的情況下，測得的耦合因子的結(jié)果。

2.3 如何滿足實際的頻率容許偏差

圖6是當(dāng)操作頻率固定，閱讀器電感為不同值時總的天線容許頻偏隨著磁場耦合因子k的變成曲線。從圖6中可以看出，總體容許頻偏隨k的增大而增大，隨閱讀器線圈電感值的增大而減小。值得注意的是，天線電感與流過天線的電流成反比。對U2270B來說，天線電流（IRpp）被限制在400mA，如果考慮到閱讀器天線線圈的電壓，天線的電感LR不能小于413μH。在圖6中，縱坐標(biāo)總的天線容許頻偏和橫坐標(biāo)磁場耦合因子對應(yīng)著一個點，大于413μH且小于在對應(yīng)點之上近曲線所對應(yīng)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，天線電容可以通過式（6）來計算：

其中f₀≈125kHz。

天線線圈的匝數(shù)可以通過式（7）來計算：

3 天線設(shè)計實例

假如條件如下：

閱讀器線圈的容許頻偏為±3％；應(yīng)答器線圈的容許頻偏為±4％；標(biāo)稱閱讀距離為20mm。

第1步：為了使磁場耦合效果，選取閱讀器線圈半徑為r＝20mm。

第2步：根據(jù)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L_R＝1.24mH的曲線在點（k＝1.2％，±7％）之下，所以L_R可以取413μH和850μH之間的任何值。這里取L_R＝737μH。通過式（7）可以計算線圈匝數(shù)N＝97，通過式（6）可以計算出C_R＝2.2nF。

結(jié)語

本文主要針對U2270B分析了射頻識別系統(tǒng)的天線設(shè)計的一般步驟，外界干擾等因素還可能會給設(shè)計的過程帶來一些特殊的問題，本文只希望能夠射頻識別系統(tǒng)研究提供一點啟示。