近年來,，自動識別方法在服務(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(yīng)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(yīng)答器連接的耦合元件[1],。應(yīng)答器是射頻識別系統(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)目煽啃浴Ｏ旅嬷饕陨漕l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(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?yīng)答器的能量。高 QR值的缺點是減小了天線帶寬,，進而當應(yīng)答器頻率發(fā)生偏移時減小了應(yīng)答器所感應(yīng)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(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(yīng)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(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(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,。

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(yīng)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(yīng)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(yīng)著一個點，大于413／μH且小于在對應(yīng)點之上最近曲線所對應(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(yīng)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。