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RFID系統(tǒng)中的PCB環(huán)型天線設計

作者:劉舒祺 牟志剛
來源:單片機及嵌入式系統(tǒng)應用
日期:2014-12-02 11:15:08
摘要:本文實現(xiàn)了 RFID 系統(tǒng)中的一種 PCB 環(huán)型天線 設計。在對天線的工作原理進行分析的基礎上,提出基于13.56 MHz、200 mw的低功率閱讀器的天線設計方法,并給出天線的設計和調試過程。

  引 言

  天線是一種轉能器。發(fā)射時,它把發(fā)射機的高頻電流轉化為空間電磁波;接收時,它又把從空間截獲的電磁波轉換為高頻電流送入接收機。對于設計一個應用于射頻識別系統(tǒng)中的小功率、短距離無線收發(fā)設備,天線設計是其中的重要部分。良好的天線系統(tǒng)可以使通信距離達到最佳狀態(tài)。天線的種類很多,不同的應用需要不同的天線。在小功率、短距離的RFID系統(tǒng)中,需要一個通信可靠、價格低廉的天線系統(tǒng),PCB環(huán)型天線是比較常用的一種。

  所設計的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,因此在設計中,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

RFID系統(tǒng)中的PCB環(huán)型天線設計

。其中:l為天線的最大幾何尺寸;λ為工作波長。

  1 PCB環(huán)型天線的設計

  天線主要是基于TI公司的ASIC設計的,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。

RFID系統(tǒng)中的PCB環(huán)型天線設計

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

RFID系統(tǒng)中的PCB環(huán)型天線設計

  對于PCB環(huán)型天線,導線厚度B1就是TOP層上銅走線的厚度。在計算天線的參數(shù)時,矩形天線可以簡化為一個正方形等效電路模型,而二維平面的環(huán)型導體可以等效為圓形截面的導線。由圖2可知,正方形等效電路的邊長為:。這個等效邊長在以后的環(huán)面積、感應系數(shù)的計算中都要用到。

  環(huán)型導體等效導線截面圓半徑B由下式給出:

RFID系統(tǒng)中的PCB環(huán)型天線設計

  在靜電學上,等效圓導線半徑表示該半徑下的圓導線所具有的電容與截面是非圓形導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)型天線激勵點的電壓和電流通過環(huán)的輸入阻抗聯(lián)系起來,即V=ZI0。為了評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,為了評估天線效率和輻射阻抗,環(huán)型導體內的歐姆損耗和其他歐姆損耗也必須確定下來。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。

RFID系統(tǒng)中的PCB環(huán)型天線設計

  環(huán)型天線輸入阻抗ZIN可由下式給出:

RFID系統(tǒng)中的PCB環(huán)型天線設計

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

  輻射電阻為:

RFID系統(tǒng)中的PCB環(huán)型天線設計

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  上面式中:為諧振頻率,RR單位為Ω。

  環(huán)型導體損耗電阻為:

RFID系統(tǒng)中的PCB環(huán)型天線設計

  式中:l為金屬環(huán)形導體長度,p為環(huán)形導體交叉部分的周長,RS為導體表面電阻,μ0為4π×10-7H/m;Σ為導體電導率;R1單位為Ω。

  額外歐姆損耗電阻主要來自電容CP上的等效串聯(lián)電阻:

RFID系統(tǒng)中的PCB環(huán)型天線設計

  式中:RX的單位為Ω。

RFID系統(tǒng)中的PCB環(huán)型天線設計

  匹配將天線線圈直接連接到功率輸出級,或通過同軸電纜饋送到天線線圈。圖7為采用50Ω技術的電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的電路圖。天線線圈L1在射頻識別系統(tǒng)的工作頻率范圍內表現(xiàn)為阻抗ZL。為了實現(xiàn)與50Ω系統(tǒng)的功率匹配,必須通過無源的匹配電路將此阻抗轉換為50 n,然后通過同軸電纜即可幾乎無損失且無輻射地將此功率從閱讀器末級傳送到匹配電路。

RFID系統(tǒng)中的PCB環(huán)型天線設計

  結語

  經(jīng)過調試,所設計的 PCB 環(huán)型滅線已經(jīng)可用于所設計的基于RI—R6c—001A射頻芯片和PICl6F874控制器的閱讀器,對研究 RFID 技術具有一定的參考價值。