基于U2270B的射頻識(shí)別系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)

摘  要: 天線作為射頻識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)別系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上，說明天線設(shè)計(jì)的重要性；重點(diǎn)闡述U2270B基站芯片天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分和具體步驟，并通過實(shí)例作進(jìn)一步說明。
關(guān)鍵詞:射頻識(shí)別系統(tǒng) 諧振頻率 磁場(chǎng)耦合因子 天線設(shè)計(jì)

    近年來，自動(dòng)識(shí)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(shí)別技術(shù)更是發(fā)展迅速，已逐步成為一個(gè)獨(dú)立的跨學(xué)科的專業(yè)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(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵器件直接影響著系統(tǒng)的性能。

1射頻識(shí)別系統(tǒng)的原理
    射頻識(shí)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(tái)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(shí)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(dú)立的供電電源，只是在閱讀器的響應(yīng)范圍之內(nèi)，接收來自閱讀器的射頻電源。應(yīng)答器工作所需的能量，如同時(shí)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(shí)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(jì)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(shí)別系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)。

    在RFID系統(tǒng)中有兩個(gè)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(gè)LC電路調(diào)諧在相同的諧振頻率上。如果基站和應(yīng)答器的諧振頻率不匹配，零調(diào)制就會(huì)產(chǎn)生，從而降低系統(tǒng)的性能。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)算：

    一般設(shè)計(jì)采用閱讀器工作在單一頻率的模式，對(duì)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(huì)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(diǎn)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(shí)減小了應(yīng)答器所感應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)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(chǎng)產(chǎn)生線圈和應(yīng)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(yīng)答器的閱讀距離。優(yōu)化耦合因子將對(duì)能量傳輸通道和信號(hào)傳輸通道有利。為確定耦合因子，可利用Temic公司提供的試驗(yàn)應(yīng)答線圈(TTC)及電路進(jìn)行測(cè)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(jì)步驟
    進(jìn)行天線設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)實(shí)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最高。下面介紹天線設(shè)計(jì)的一般步驟。

2.1優(yōu)化磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)耦合因子k就可以根據(jù)這個(gè)特定距離進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。磁場(chǎng)強(qiáng)度可以由式(3)來計(jì)算：

    根據(jù)式(3)，磁場(chǎng)強(qiáng)度和天線結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，而磁場(chǎng)耦合因子k也取決于線圈排列的結(jié)構(gòu)尺寸,所以磁場(chǎng)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最高時(shí)天線半徑和閱讀距離的關(guān)系。圖2是在一定條件下，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨線圈半徑變化的情況。圖2的測(cè)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(dāng)r<d時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)H隨r的增大而急劇上升；當(dāng)r=d時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)H達(dá)到最大值；當(dāng)r>d時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)的耦合因子
    為確定耦合因子，可利用Temic公司提供的試驗(yàn)應(yīng)答線圈(TTC)及電路進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試原理如圖3所示。TTC可以放在實(shí)際應(yīng)答器的位置上。當(dāng)閱讀器天線在信號(hào)發(fā)生器的激勵(lì)下工作時(shí)，通過TTC的電壓UT就可以被測(cè)出。

    圖4是TTC和測(cè)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(cè)量設(shè)備的電纜電容和負(fù)載電容。這些電容對(duì)測(cè)量電壓都會(huì)產(chǎn)生影響。為了使測(cè)量效果更加準(zhǔn)確，這里引入了修正因子Ak，計(jì)算公式如下：

    圖5表明閱讀距離不同的情況下，測(cè)得的耦合因子的結(jié)果。

　2．3如何滿足實(shí)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(shí)總的天線容許頻偏隨著磁場(chǎng)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(duì)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(biāo)總的天線容許頻偏和橫坐標(biāo)磁場(chǎng)耦合因子對(duì)應(yīng)著一個(gè)點(diǎn)，大于413／μH且小于在對(duì)應(yīng)點(diǎn)之上最近曲線所對(duì)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(jì)算：

    其中fo≈125 kHz。

   天線線圈的匝數(shù)可以通過式(7)來計(jì)算：

3 天線設(shè)計(jì)實(shí)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20 mm。
    第1步：為了使磁場(chǎng)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(jì)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(diǎn)(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(jì)算線圈的匝數(shù)N=97，通過式(6)可以計(jì)算出CR=2．2 nF。

結(jié)  語
    本文主要針對(duì)U2270B分析了射頻識(shí)別系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)的一般步驟。外界干擾等因素還可能會(huì)給設(shè)計(jì)的過程帶來一些特殊的問題。本文只希望能夠?yàn)?strong>射頻識(shí)別系統(tǒng)研究提供一點(diǎn)啟示。