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【设计案例】13.56MHz RFID读卡器天线设计


本文简要介绍了由13.56 MHz射频芯片设计的RFID读卡器,重点论述该读卡器天线的设计与实现。经实践证明,该天线具有良好的性能,使用该天线的阅读器工作稳定。
 
天线是一种转能器。发射时,它把发射机的高频电流转化为空问电磁波;接收时,它又把从空间截获的电磁波转换为高频电流送入接收机。对于设计一个应用于射频识别系统中的小功率、短距离无线收发设备,天线设计是其中的重要部分【1】.良好的天线系统可以使通信距离达到最佳状态。天线的种类很多,不同的应用需要不同的天线。在小功率、短距离的RFID系统中,需要一个通信可靠、价格低廉的天线系统,PCB环型天线是比较常用的一种。
 
本文主要讨论用于由NXP公司的射频芯片RC500所设计的渎卡器中使用的天线.由于该芯片要求的天线阻抗为70Ω,工作于13.56MHz,因此在设计中,采用PCB环形天线,PCB环形天线是电小环天线的一种。所谓电小环天线,一般定义为:,其中,为天线的最大几何尺寸;为工作波长【2】
 
1 天线的设计
 
天线线圈等效电路图如图1所示,其中R为Tl与T2之间天线线圈电阻损耗,C为线圈与Tl和乾之间的电容损耗,L为天线线圈电感。
将电容C与天线线圈并联或者串联起来组成LC谐振电路,通过此谐振电路,阅渎器可将能量传输至射频卡,并与卡进行通信。谐振电路的谐振频率可调谐至阅读器的工作频率13.56 MHz,其值由汤姆逊公式得出【3】
从式(1)可以看出,天线的频率跟LC有关。天线尺寸越大,则线圈的电感己就越大,相对的电容C就需要变小。一旦天线的电感超过5μH时,电容C的匹配就变得困难,设计天线时应考虑天线的线圈电感值不超过5μH,并且天线导体的宽度应在0.5~1.5mm内。

阅渎器与天线连接方式有二种:一种是直接匹配的天线,适用于射频模块与天线之间距离较短的系统;另一种是50Ω匹配的天线,适用于射频模块与天线之间距离较长的系统。本文采用直接匹配的天线设计方式,天线电路分三部分:射频模块发送端口滤波和电阻转换电路;射频模块接收端口接收电路;射频模块发射接收天线及其匹配电路。
 
1.1 射频模块发送端口滤波和电阻转换电路
 
阅读器的工作频率由一个13.56 MHz的石英晶体产生,在产生驱动RC500以及驱动天线的能量载波的基频同时石英晶体也产生高次谐波。由国际EMC规定可知,为了抑制住13.56 MHz中的三次、五次和高次谐波,设计电路时在射频模块发送端VI即TX1脚,TX2脚和地TVSS脚之间引入一个低通滤波器电路【4】,该低通滤波器电路如图2所示,其中电感L1,和L2均为2.2“H,电容C20,C21均为47 pF。
1.2 射频模块接收端口接收电路

RC500内部接受电路是利用射频卡的返回应答信号在副载波的双边带上都有调制这一概念来工作的。根据RC500的芯片手册,由RC500芯片内部所产生的VMID作为接收信号引脚RX的输入偏置。为了减少干扰,提供一个稳定的参考电压,在VMID和地TVSS之间连接了一个0.1μF心电容C18同时在RX0和VMID引脚间连接了一个820 Q的电阻R7,作为分压器【4】。图3为接收电路的原理图。

1.3 射频模块发射接收天线及其匹配电路
 
阅读器的工作距离由三方面要素决定:阅读器的天线尺寸,天线匹配电路的品质因子Q和阅读器周围环境的影响。因此,设计天线的时候要充分考虑这三方面的因素。
 
1.3.1 天线尺寸的设计
 
阅读器的天线有多种形状,最常见的有两种:环形天线和矩形天线.本文的阅读器天线采用矩形天线,这种天线的距其中心垂直距离为X处的磁通量密度可由式(2)算出:
 
式中,B为磁通量密度;,其为磁场常数;N为天线线圈的匝数;为线圈中电流强度.磁通量B与距离X成反比,磁场强度随着距离变远而弱.天线线圈的电感可由阻抗分析仪测量得到。若没有分析仪,可采用公式估算的方法得到近似的电感值,天线电感的估算公式如下:
式中,L为天线电感估汁值,nH;l1.为一圈天线导线环的长度,cm;D1为PCB线圈导线的宽度;若线圈为环形,则K=1.07,若线圈为矩形,则K=1.47;N为线圈匝数。从式(2)和(3)中可看出,增加线圈的匝数Ⅳ可增大线圈的磁通量密度B,延线线圈的有效工作距离,而天线线周电感L与线圈匝数N的1.8次方成正比,增加匝数N会使线圈的电感L增大,又由式(1)知,线圈的电感不应超过5μH,所以必须在线圈能提供足够大的磁通量密度情况下保证线圈匝数N尽可能的小.综合以上考试,天线线圈匝数采用3圈。

 

为了制作出电感较小的天线线圈,采用在PCB板上用导线绕制成矩形线圈的方式制作天线线圈.环绕的导线线宽为1 mm,矩形长宽分别为72mm×37mm.PCB设计成2层结构,天线线圈在PCB板的
底层,顶层布有不闭合的屏蔽环,这种布板设计较好的吸收了天线线圈PCB本身产生的电场,改良了天线的EMC性能。
 
1.3.2 天线匹配电路的设计
 
由于天线本身的阻抗并不高,需要一个匹配电路连接射频模块。天线匹配电路设计的是否合理直接影响到天线是否能够正常工作。这里分为理论和实际两部分对天线匹配电路进行讨论。
 
(1)理论设计【5】
 
图4为天线的匹配电路,由于电路的对称性,可将电路简化为图5的电路图。
图中线圈电阻,线圈电感根据天线设计手册,线圈电感L由式(3)估算得:,线圈电阻测得为

匹配电路中的。都可以由两种方法得到:
 
①第一种方法是通过式(4),(5),(6)计算得到。
其中,
, Q为品质因素,在mifare卡应用中,Q=35。
本设计中由于没有设备对线圈的电感以及电阻进行准确的测量,只能对其进行估算,所以利用公式计算的这种方法将产生很大的误差,因此在这种情况下一般采用这种方法。
 
②第二种方法是利用官方提供的天线匹配电路初值进行没计,如表1。表1显示了天线线圈电感值与电容之间的对应关系,表1中的电容值仅为参考值,最终结果要由天线的调谐确定。本文设计的天线电感估算值为1.3μH,故根据表1,匹配电路中C1a和C1b均为27pF,C2a和C2b均为180 pF。
(2)实际设计
 
在理论设计中,匹配电路中各个电容都使用了参考值,而在实际的系统当中,由于各种因素的影响,该匹配电路不一定能取得预想的效果.所以,具体的电容值还需要由天线的调谐来确定.调试方法为:在和的两端分别并联一个可调电容,在系统工作过程中不断调节电容的大小,最终以达到调谐状态并记下可调电容的值,再加入匹配电路中.通过对整个系统的调试,最终确定匹配电路中C1a和C1b均为15pF,C2a和C2b均为150 pF,并且得到了较为理想的效果。

2 结束语
 
基于13.56 MHz射频芯片RC500的RFID阅读器的天线设计,经实践验证,天线的有效读卡距离可达到30 mm,并且具有良好的性能.使用此天线的阅读器运行稳定,制作成本低廉。对于13.56 MHz
RFID阅读器的开发具有很好的参考价值和实用意义。

作者: 李宝山, 张慧元, 侯宇, LI Bao-shan, ZHANG Hui-yuan, HOU Yu

参考文献:
[1]Finkenzeller K. 射频识gU(RFID)技术[M].陈大才.北京:电子工业出版社,2001.
[2]康行健.天线原理与设计[M].北京:国防工业出版社,1995.
[3]林吕禄.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社,2002.
[4]Phihps Semiconductors.Mifare MF RC500 Highly Integrated 1S014443A Reader 1C[z].Eindhoven,Netherlands:Philips Semiconductors,2001.
[5] Philips Semiconductors.EMC-Filter and Impedance Matching for MF RC500 and SL RC400[Z].Eindhoven,Netherlands:Philips Semiconductors,2001.
 

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