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)的電壓和電流通過環(huán)的輸入阻抗聯(lián)系起來，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。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)試的過程就是通過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來說，L1和C2的阻抗相互抵消。總阻抗Z1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．通過功率匹配將天線線圈直接連接到功率輸出級(jí)，或通過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，必須通過無源的匹配電路將此阻抗轉(zhuǎn)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(jí)傳送到匹配電路。

結(jié)語
經(jīng)過調(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。