RFID系統(tǒng)中的PCB環(huán)型天線設(shè)計(jì)

引 言
天線是一種轉(zhuǎn)能器。發(fā)射時(shí)，它把發(fā)射機(jī)的高頻電流轉(zhuǎn)化為空間電磁波；接收時(shí)，它又把從空間截獲的電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流送入接收機(jī)。對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于射頻識(shí)別系統(tǒng)中的小功率、短距離無(wú)線收發(fā)設(shè)備，天線設(shè)計(jì)是其中的重要部分。良好的天線系統(tǒng)可以使通信距離達(dá)到最佳狀態(tài)。天線的種類很多，不同的應(yīng)用需要不同的天線。在小功率、短距離的RFID系統(tǒng)中，需要一個(gè)通信可靠、價(jià)格低廉的天線系統(tǒng)，PCB環(huán)型天線是比較常用的一種。
所設(shè)計(jì)的RFID閱讀器使用的射頻芯片是RI-R6C-001A。由于該芯片要求的天線阻抗為50 Ω，工作于13，56 MHz，因此在設(shè)計(jì)中，采用PCB環(huán)型天線。PCB環(huán)型天線是電小環(huán)天線的一種。
所謂電小環(huán)天線，一般定義為。其中：l為天線的最大幾何尺寸；λ為工作波長(zhǎng)。

1 PCB環(huán)型天線的設(shè)計(jì)
天線主要是基于TI公司的ASIC設(shè)計(jì)的，用于200mW的低功率閱讀器，適合于所選的射頻芯片。圖1是制作的PCB環(huán)型天線。

圖2顯示了該矩形環(huán)型天線的幾何尺寸。圖中將要在計(jì)算中用到的物理參數(shù)有以下4個(gè)：A1，環(huán)型天線寬度(m)；A2，環(huán)型天線長(zhǎng)度(m)；B1，環(huán)型導(dǎo)體厚度(m)；B2，環(huán)型導(dǎo)體寬度(m)。

對(duì)于PCB環(huán)型天線，導(dǎo)線厚度B1就是TOP層上銅走線的厚度。在計(jì)算天線的參數(shù)時(shí)，矩形天線可以簡(jiǎn)化為一個(gè)正方形等效電路模型，而二維平面的環(huán)型導(dǎo)體可以等效為圓形截面的導(dǎo)線。由圖2可知，正方形等效電路的邊長(zhǎng)為：。這個(gè)等效邊長(zhǎng)在以后的環(huán)面積、感應(yīng)系數(shù)的計(jì)算中都要用到。
環(huán)型導(dǎo)體等效導(dǎo)線截面圓半徑B由下式給出：

在靜電學(xué)上，等效圓導(dǎo)線半徑表示該半徑下的圓導(dǎo)線所具有的電容與截面是非圓形導(dǎo)體所具有的電容相等。
下面分析環(huán)型天線的等效電路。
環(huán)型天線激勵(lì)點(diǎn)的電壓和電流通過(guò)環(huán)的輸入阻抗聯(lián)系起來(lái)，即V=ZI0。為了評(píng)估用于天線諧振的電容Z′IN，環(huán)型天線的輸入阻抗必須確定；同樣，為了評(píng)估天線效率和輻射阻抗，環(huán)型導(dǎo)體內(nèi)的歐姆損耗和其他歐姆損耗也必須確定下來(lái)。在發(fā)射模式下，環(huán)型天線輸入阻抗的等效電路如圖3所示。

環(huán)型天線輸入阻抗ZIN可由下式給出：

式中：RR為輻射電阻；RL為環(huán)型導(dǎo)體損耗電阻；RX為額外歐姆損耗電阻；LA為環(huán)型天線電感；L1為環(huán)型導(dǎo)體電感。
輻射電阻為：

式中：為諧振頻率；RR單位為Ω。
環(huán)型導(dǎo)體損耗電阻為：

式中：l為金屬環(huán)形導(dǎo)體長(zhǎng)度，p為環(huán)形導(dǎo)體交叉部分的周長(zhǎng)，RS為導(dǎo)體表面電阻，μ0為4π10-7H／m；σ為導(dǎo)體電導(dǎo)率；R1單位為Ω。
額外歐姆損耗電阻主要來(lái)自電容CP上的等效串聯(lián)電阻：

式中：RX的單位為Ω。
環(huán)型天線的品質(zhì)因數(shù)Q主要決定于CP上的等效串聯(lián)電阻。一個(gè)與CP并聯(lián)的電阻RQ可以用來(lái)控制天線的品質(zhì)用數(shù)Q，這個(gè)電阻的加入會(huì)減小天線的輸入阻抗。圖3中，并聯(lián)于輸入阻抗ZIN的電容CP起諧振天線的作用，用于抵消在工作頻率下的輸入阻抗ZIN的虛部；CP也可用來(lái)表示分布寄生電容。CP(單位為F)由下式給出：

另外，天線的Q值必須與用來(lái)調(diào)諧天線到正確頻率的電容相匹配。環(huán)型天線的Q值可以根據(jù)下式來(lái)選擇：

式中：tol變量是電容的誤差值。這一等式的基礎(chǔ)是假定由電容變化引起的輻射功率變化不超過(guò)3 dB。

2 PCB環(huán)型天線的調(diào)試
設(shè)計(jì)的PCB環(huán)型天線必須再接一些附加元件才可以使用。調(diào)試的過(guò)程就是通過(guò)專用儀器確定這些附加的參數(shù)，以保證天線的輸入阻抗等于50Ω；同時(shí)使輸入信號(hào)的相移最小(最好是0)，調(diào)試電路如圖4所示，作用是調(diào)節(jié)所設(shè)計(jì)的天線的兩個(gè)可調(diào)電容。具體做法是接上電容值盡可能接近理論值的c。、G，然后分別并聯(lián)一個(gè)理論值為l／5～1／10的呵調(diào)電容，反復(fù)調(diào)節(jié)，使輸入阻抗盡可能接近50Ω，同時(shí)相移最小。

將調(diào)試好的C1、C2接到PCB板天線上，然后通過(guò)同軸電纜接到閱讀器上，即可滿足要求。具體調(diào)試流程如圖5所示。

在輸入阻抗為50Ω情況下，如果相移大于O，則減小C1；如果相移小于O，則增大C1。在相移等于O的情況下，如果阻抗小于50Ω，則減小C2；如果阻抗大于50Ω，則增大G2。

3 天線調(diào)諧和天線匹配的研究
3．1 調(diào)諧電容的研究
帶有天線的閱讀器的等效電路如圖6所示，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)所需的導(dǎo)體回路由線圈L1表示，串聯(lián)電阻R1相當(dāng)于導(dǎo)體回路L1中線繞電阻的歐姆損耗。為了在閱讀器的工作頻率為fTX的情況下在導(dǎo)體回路L1中獲得最大的電流，從而產(chǎn)生最大磁場(chǎng)強(qiáng)度H，經(jīng)電容器C1的串聯(lián)形成了諧振頻率fRES=fTX的串聯(lián)諧振電路。

圖6中，閱讀器的發(fā)送器出口產(chǎn)生高頻電壓u2，接收器直接與天線線圈L1相連接。串聯(lián)諧振電路的總阻抗Z1為各項(xiàng)單阻抗之和，即：

對(duì)諧振頻率fRES來(lái)說(shuō)，L1和C2的阻抗相互抵消?？傋杩筞1儀由R1確定，并達(dá)到最小值。此時(shí)，天線電流i1在諧振頻率的情況下達(dá)到最大值，并且(假?zèng)]為理想電壓源的情況下Ri=0)由發(fā)送器終端級(jí)的電源電壓u0和線圈電阻R1可以算出：

跨導(dǎo)體回路電感的電壓u1和電容器C1上的電壓uC1是反相的，并且由于電流i1在諧振頻率的情況下相互抵消。然而，單項(xiàng)值可能很大。盡管電源電壓u0很小，多為幾伏，但在L1和C1上很容易達(dá)到幾百伏的數(shù)值。因此，在設(shè)計(jì)具有高電流的回路天線時(shí)，一定要注意使用的元件；特別是電容器應(yīng)有足夠的耐壓強(qiáng)度，否則很容易被擊穿破壞。
3．2 天線連接的匹配研究
根據(jù)閱讀器所使用的頻率范圍，使用不同的方法將滅線線圈連接到閱讀器發(fā)送器的輸出端．通過(guò)功率匹配將天線線圈直接連接到功率輸出級(jí)，或通過(guò)同軸電纜饋送到天線線圈。圖7為采用50Ω技術(shù)的電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的電路圖。天線線圈L1在射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為阻抗ZL。為了實(shí)現(xiàn)與50Ω系統(tǒng)的功率匹配，必須通過(guò)無(wú)源的匹配電路將此阻抗轉(zhuǎn)換為50 n，然后通過(guò)同軸電纜即可幾乎無(wú)損失且無(wú)輻射地將此功率從閱讀器末級(jí)傳送到匹配電路。

結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)調(diào)試，所設(shè)計(jì)的PcB環(huán)型滅線已經(jīng)可用于所設(shè)計(jì)的基于RI―R6c―001A射頻芯片和PIcl6F874控制器的閱讀器卜，對(duì)研究RFID技術(shù)具有一定的參考價(jià)值。