射頻識別系統(tǒng)

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(dú)立的供電電源，只是在閱讀器的響應(yīng)范圍之內(nèi)，接受來自閱讀器的射頻電源，應(yīng)答器工作所需要的能量，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(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。屬于基站和應(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)電路中的電容量。

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f0和q因子表示[3]。f0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f0＝125khz。q因子（qr）與天線的帶寬b和諧振頻率f0的關(guān)系為b＝f0/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(jìn)而當(dāng)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(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產(chǎn)生線圈和應(yīng)答器之間的耦合，耦合因子取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)殘素，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(jìn)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(jìn)行調(diào)整：

2 天線的設(shè)計步驟

進(jìn)行天線設(shè)計，主要是根據(jù)實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(jī)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。磁場強(qiáng)度可以由式（3）來計算：

其中：h——磁場強(qiáng)度；

　　　ur——閱讀器天線電壓；

　　　lr——閱讀器天線電感；

　　　f0——工作頻率；

　　　μ0——磁場常數(shù)，μ0＝1.257