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

引言

近年來，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)法在服務(wù)、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，并已逐步成為一個(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。

射頻識(shí)別系統(tǒng)工作原理

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)典型的閱讀器包括有高頻模塊（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，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)，接受來自閱讀器的射頻點(diǎn)，應(yīng)答器工作所需要的能量，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，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，來討論射頻識(shí)別系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)。

rfid系統(tǒng)中一般有兩個(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，屬于基站和應(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)電路中的電容量即可。

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，其特性可用諧振頻率f0和q因子表示，其中f0是rfid系統(tǒng)的工作頻率，由天線的箭桿和電容共同決定，可以由式（1）來計(jì)算：

設(shè)計(jì)時(shí)，一般可采用閱讀器工作在單一頻率的模式，對(duì)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(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取值范圍要控制在5-15，一般取qr=12即可適合于大多數(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：

天線的設(shè)計(jì)步驟

進(jìn)行天線設(shè)計(jì)主要應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求來確定天線的機(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。

◇ 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)。其磁場(chǎng)強(qiáng)度可以由式（3）來計(jì)算：

其中： h(d)——磁場(chǎng)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(chǎng)常數(shù)，μ0=1.257×10-6；

　　　 r——天線線圈半徑；

　　　 d——閱讀距離。

根本式（3）可見，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給出了一定條件下，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：f0=125khz，lr=737μh，r=5-55mm，d=20mm。

從圖2中可以看出，如果閱讀距離d為常數(shù)，則當(dāng)rd時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)基本按比例減??；由此可以得出，天線線圈的最佳半徑為r≈d。

◇ 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就可以測(cè)出耦合因子。

圖4所示是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：

其中：ak——修正因子（<1）；

　　　lt——應(yīng)答器線圈電感（3.95mh）；

　　　ut——應(yīng)答器線圈電壓。

　　　ur——閱讀器天線電壓；

　　　lr——閱讀器天線電感；

　　　w=2π×125khz。

圖5所示是在閱讀距離不同的情況下，測(cè)得的耦合因子的結(jié)果。

圖6是在操作頻率固定，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的變成曲線，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400ma，考慮到閱讀器天線線圈的電壓，天線的電感l(wèi)r不能小于413μh，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413μh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，天線電容便可以通過式（6）來計(jì)算：

式中：f0大約為125khz，天線線圈的匝數(shù)可以通過式（7）來計(jì)算：

天線設(shè)計(jì)實(shí)例

若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20mm。那么，在設(shè)計(jì)天線時(shí)，便可按以下方法進(jìn)行：

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來確定耦合因子k=1.2%。

第3步：計(jì)算總頻率容許頻偏，本例為±3%與±4%之和，即±7%，由圖6可以看出，只有l(wèi)r=1.24mh的曲線在點(diǎn)（k=1.2%，±7%）之下，lr才可以取413μh和850μh之間的任何值。這里取lr=723μh，事實(shí)上，通過式（7）可以計(jì)算出線圈匝數(shù)n=97，通過式（6）可以計(jì)算出cr=2.2 nf。

結(jié)束語

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，本文只希望視頻識(shí)別系統(tǒng)研究提供一點(diǎn)啟示。