基于U2270B的RFID系統天線設計

　　近年來，自動識別方法在服務領域、貨物銷售、后勤分配、商業(yè)、生產企業(yè)和材料流通等領域得到了快速的發(fā)展，而其中的射頻識別技術更是發(fā)展迅速，已逐步成為一個獨立的跨學科的專業(yè)領域，主要包括高頻技術、半導體技術、電磁兼容技術、數據安全保密技術、電信和制造技術等。天線作為射頻識別系統設計的關鍵器件直接影響著系統的性能。
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　　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，接收來自閱讀器的射頻電源。應答器工作所需的能量，如同時鐘脈沖和數據一樣，是通過耦合單元非接觸傳輸而獲得的[2]，因此，實現耦合的元件——天線，在本系統中具有關鍵作用。天線的設計直接關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設計。

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　　在RFID系統中有兩個LC電路：由基站線圈和連接電容組成的LRCR電路以及由應答器線圈和連接電容組成的LTCT電路。在單線圈系統中，要求兩個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，零調制就會產生，從而降低系統的性能。在系統設計成型后，天線的電感是固定的，因此要改變LC電路的諧振頻率，只有調節(jié)回路中的電容量。

　　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，由天線的電感和電容共同決定，可以由式(1)來計算：

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　　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)與天線的帶寬B和諧振頻率fo的關系為B=fo／QR。高QR值會得到較高的閱讀器天線電壓，從而可增加傳輸到應答器的能量。高 QR值的缺點是減小了天線帶寬，進而當應答器頻率發(fā)生偏移時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]而無法正常工作。耦合因子為閱讀器基站的電磁場產生線圈和應答器線圈之間的耦合，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圈(TTC)及電路進行測試。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。如果天線的電感確定，那么QR因子可以通過式(2)由RR進行調整：

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2 天線的設計步驟

　　進行天線設計，主要是根據實際要求確定天線的機械尺寸、線圈匝數、電感以及等效電路的電容等，從而使天線的工作效率最高。下面介紹天線設計的一般步驟。

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有關，與閱讀器天線或應答器天線的電感無關。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就可以根據這個特定距離進行優(yōu)化設計。磁場強度可以由式(3)來計算：

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　　根據式(3)，磁場強度和天線結構有直接關系，而磁場耦合因子k也取決于線圈排列的結構尺寸,所以磁場強度和k也是成比例的。優(yōu)化耦合因子就是要確定天線效率最高時天線半徑和閱讀距離的關系。圖2是在一定條件下，磁場強度隨線圈半徑變化的情況。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，場強基本按比例減小。由此可以得出：天線線圈的最佳半徑為r≈d。

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2.2確定磁場的耦合因子

　　為確定耦合因子，可利用Temic公司提供的試驗應答線圈(TTC)及電路進行測試，測試原理如圖3所示。TTC可以放在實際應答器的位置上。當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UT就可以被測出。