基于U2270B的射頻識別系統(tǒng)天線設(shè)計

摘  要: 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。U2270B是一種典型的發(fā)射頻率為125 kHz的非接觸性IC卡射頻基站芯片。文章在介紹射頻識別系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上，說明天線設(shè)計的重要性；重點闡述U2270B基站芯片天線設(shè)計的關(guān)鍵部分和具體步驟，并通過實例作進一步說明。
關(guān)鍵詞:射頻識別系統(tǒng) 諧振頻率 磁場耦合因子 天線設(shè)計

    近年來，自動識別方法在服務領(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，已逐步成為一個獨立的跨學科的專業(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(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(tǒng)真正的數(shù)據(jù)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(nèi)，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(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。如果基站和應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)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(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(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，fo=125 kHz。Q因子(QR)與天線的帶寬B和諧振頻率fo的關(guān)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?shù)綉鹌鞯哪芰?。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(shù)據(jù)信號電壓，從而導致射頻卡的解調(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)生線圈和應答器線圈之間的耦合，耦合因子取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(shù)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(diào)整：

2 天線的設(shè)計步驟
    進行天線設(shè)計，主要是根據(jù)實際要求確定天線的機械尺寸、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最高。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)，與閱讀器天線或應答器天線的電感無關(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)這個特定距離進行優(yōu)化設(shè)計。磁場強度可以由式(3)來計算：

    根據(jù)式(3)，磁場強度和天線結(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(guān)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(shù)，當r<d時，場強H隨r的增大而急劇上升；當r=d時，場強H達到最大值；當r>d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。

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。

    圖4是TTC和測量設(shè)備相連的等效電路模型。

    Cpara是線圈的內(nèi)部寄生電容，Ccable和Cprobe是測量設(shè)備的電纜電容和負載電容。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(jié)果。

　2．3如何滿足實際的頻率容許偏差
    圖6是當操作頻率固定，閱讀器電感為不同值時總的天線容許頻偏隨著磁場耦合因子k的變化曲線。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，最大天線電流(IRpp)被限制在400 mA。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413 μH。在圖6中，縱坐標總的天線容許頻偏和橫坐標磁場耦合因子對應著一個點，大于413／μH且小于在對應點之上最近曲線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，天線電容可以通過式(6)來計算：

    其中fo≈125 kHz。

   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％；應答器線圈的容許頻偏為±4％；標稱閱讀距離為20 mm。
    第1步：為了使磁場耦合效果最佳，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LR=1．24 mH的曲線在點(k=1．2％，±7％)之下，所以LR可以取413μH和850μH之間的任何值。這里取LR=737 μH。通過式(7)可以計算線圈的匝數(shù)N=97，通過式(6)可以計算出CR=2．2 nF。

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。本文只希望能夠為射頻識別系統(tǒng)研究提供一點啟示。