射頻識(shí)別技術(shù)漫談(21)——RC系列射頻芯片的天線設(shè)計(jì)

個(gè)人感覺使用RC系列射頻芯片開發(fā)卡片讀寫器，主要的關(guān)鍵點(diǎn)有兩個(gè)，分別涉及硬件和軟件。軟件上的關(guān)鍵是如何正確設(shè)置RC系列射頻芯片內(nèi)部的64個(gè)寄存器，硬件上的關(guān)鍵則是RC系列射頻芯片的天線設(shè)計(jì)。天線提供了卡片和讀寫器交換數(shù)據(jù)的物理通道，直接決定了讀寫器的讀寫性能和讀寫距離，在此基礎(chǔ)上加上對(duì)64個(gè)寄存器的正確操作，讀寫器才能正常高效的工作。
在數(shù)字電路中設(shè)計(jì)模擬信號(hào)的天線還是比較復(fù)雜的，因?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)牽扯到好多因素，諸如電磁感應(yīng)、場(chǎng)強(qiáng)、共振、干擾、Q值等等。好在芯片的制造商為了推銷產(chǎn)品，多數(shù)都提供了參考的電路設(shè)計(jì)，芯片的使用者在參考電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)自己的電路，則要容易的多，RC系列芯片的天線設(shè)計(jì)也提供了參考電路，如下圖所示。

天線結(jié)構(gòu)上可以分為四部分：EMC濾波、匹配電路、天線線圈和接收電路。
EMC濾波電路是一個(gè)低通濾波，L0為1uH,C01和C02都是68pF，這些都是典型值，實(shí)際電路中可以圍繞典型值上下調(diào)節(jié)以滿足設(shè)計(jì)要求；
天線電路中的天線線圈直接布線在PCB板上，采用中間抽頭接地的對(duì)稱方式，一般的應(yīng)用中天線直徑4-6公分，天線直徑直接影響讀卡距離，直徑小讀卡距離近，但也并不是直徑越大越好。天線的圈數(shù)一般2-6圈，也就是說對(duì)稱接地的情況下每一邊1-3圈。
匹配電路用來連接天線電路和EMC濾波電路，匹配電路中的電容與天線電感組成諧振電路。C1a和C1b可取16pF或27pF，對(duì)讀寫距離影響不大，C2a和C2b是諧振電容，這兩個(gè)電容值非常關(guān)鍵，它們直接影響諧振程度，進(jìn)而影響天線電壓的振蕩幅度，最終影響讀寫距離。通常天線電壓的峰峰值大于10伏就可以讀到卡片，也并不是峰峰值越大越好，還要看卡片或標(biāo)簽上天線的大小、天線周圍的干擾，尤其是金屬干擾等因素。C2a和C2b通常可在82pF-220pF的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
接收電路中的C3容量為1nF，C4為100nF，R1與R2組成分壓電路，R2固定為820Ω，R1根據(jù)天線的震蕩幅度在470Ω-10KΩ的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，典型值為2.2KΩ。
電路中的電阻和電容一般使用0402、0603或0805的貼片封裝。穩(wěn)定性要好，誤差不能太大。
以上的參考電路可以說是懶漢設(shè)計(jì)法，更好的設(shè)計(jì)應(yīng)該使用精密儀器，嚴(yán)格測(cè)量天線的電感值，等效的電容值，然后用公式計(jì)算，并對(duì)天線的Q值進(jìn)行校核。不過估計(jì)大部分開發(fā)人員的測(cè)量工具也就僅限于萬用表和示波器，在此情況下，使用參考電路基本上能滿足要求。
設(shè)計(jì)讀寫器天線的時(shí)候，通常我們最關(guān)心的指標(biāo)是讀寫距離，影響天線讀寫距離的因素主要有以下幾方面：
(1)讀寫器和卡片的天線尺寸
(2)天線本身的匹配程度
(3)天線和匹配電路的品質(zhì)因數(shù)
(4)讀寫器的功率
(5)環(huán)境影響
卡片上天線的尺寸我們沒辦法改變，我們只能設(shè)計(jì)天線的大小。好像有個(gè)理論說最大設(shè)計(jì)的讀寫距離應(yīng)該等于天線的半徑，而RC系列芯片的最大操作距離都是10公分，我們總不能做個(gè)直徑20厘米的天線吧，除非特殊要求，這樣的巨無霸很難有市場(chǎng)。
天線的匹配程度、品質(zhì)因數(shù)和功率通過調(diào)整參考電路的元件參數(shù)是可以調(diào)節(jié)的。周圍環(huán)境影響因素中金屬干擾最為嚴(yán)重，金屬干擾將導(dǎo)致操作距離減小，數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)。金屬與讀寫器天線之間的距離應(yīng)大于有效的操作距離，為減小金屬的影響，應(yīng)使用鐵氧體進(jìn)行屏蔽。最好金屬與天線的距離大于10cm，最小也要3cm，而且使用緊貼的鐵氧體屏蔽。
另外，設(shè)計(jì)天線時(shí)為天線增加屏蔽可以有效抑制干擾，比如天線設(shè)計(jì)使用4層板，在兩個(gè)中間層布天線線圈，在頂層和底層對(duì)應(yīng)中間層線圈的地方布上一圈屏蔽地，當(dāng)然這一圈屏蔽地本身不能閉合。
調(diào)整天線的最好方法還是直接用卡片或標(biāo)簽試驗(yàn)，邊調(diào)節(jié)元件參數(shù)邊測(cè)試讀寫距離，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止，時(shí)間長(zhǎng)了，對(duì)天線電路的習(xí)性就心中有數(shù)了。

審核編輯 黃宇