天線(xiàn)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)化為空問(wèn)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(xiàn)收發(fā)設(shè)備，天線(xiàn)設(shè)計(jì)是其中的重要部分【1】．良好的天線(xiàn)系統(tǒng)可以使通信距離達(dá)到最佳狀態(tài)。天線(xiàn)的種類(lèi)很多，不同的應(yīng)用需要不同的天線(xiàn)。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(xiàn)系統(tǒng)，PCB環(huán)型天線(xiàn)是比較常用的一種。

　　本文主要討論用于由NXP公司的射頻芯片RC500所設(shè)計(jì)的瀆卡器中使用的天線(xiàn)．由于該芯片要求的天線(xiàn)阻抗為70Ω，工作于13.56MHz，因此在設(shè)計(jì)中，采用PCB環(huán)形天線(xiàn)，PCB環(huán)形天線(xiàn)是電小環(huán)天線(xiàn)的一種。所謂電小環(huán)天線(xiàn)，一般定義為：，其中，為天線(xiàn)的最大幾何尺寸；為工作波長(zhǎng)【2】。

　　1天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

　　天線(xiàn)線(xiàn)圈等效電路圖如圖1所示，其中R為T(mén)l與T2之間天線(xiàn)線(xiàn)圈電阻損耗，C為線(xiàn)圈與Tl和乾之間的電容損耗，L為天線(xiàn)線(xiàn)圈電感。

　　將電容C與天線(xiàn)線(xiàn)圈并聯(lián)或者串聯(lián)起來(lái)組成LC諧振電路，通過(guò)此諧振電路，閱瀆器可將能量傳輸至射頻卡，并與卡進(jìn)行通信。諧振電路的諧振頻率可調(diào)諧至閱讀器的工作頻率13.56 MHz，其值由湯姆遜公式得出【3】：

　　從式(1)可以看出，天線(xiàn)的頻率跟LC有關(guān)。天線(xiàn)尺寸越大，則線(xiàn)圈的電感己就越大，相對(duì)的電容C就需要變小。一旦天線(xiàn)的電感超過(guò)5μH時(shí)，電容C的匹配就變得困難，設(shè)計(jì)天線(xiàn)時(shí)應(yīng)考慮天線(xiàn)的線(xiàn)圈電感值不超過(guò)5μH，并且天線(xiàn)導(dǎo)體的寬度應(yīng)在0.5～1.5mm內(nèi)。

　　閱瀆器與天線(xiàn)連接方式有二種：一種是直接匹配的天線(xiàn)，適用于射頻模塊與天線(xiàn)之間距離較短的系統(tǒng)；另一種是50Ω匹配的天線(xiàn)，適用于射頻模塊與天線(xiàn)之間距離較長(zhǎng)的系統(tǒng)。本文采用直接匹配的天線(xiàn)設(shè)計(jì)方式，天線(xiàn)電路分三部分：射頻模塊發(fā)送端口濾波和電阻轉(zhuǎn)換電路；射頻模塊接收端口接收電路；射頻模塊發(fā)射接收天線(xiàn)及其匹配電路。

　　1.1射頻模塊發(fā)送端口濾波和電阻轉(zhuǎn)換電路

　　閱讀器的工作頻率由一個(gè)13.56 MHz的石英晶體產(chǎn)生，在產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)RC500以及驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)的能量載波的基頻同時(shí)石英晶體也產(chǎn)生高次諧波。由國(guó)際EMC規(guī)定可知，為了抑制住13.56 MHz中的三次、五次和高次諧波，設(shè)計(jì)電路時(shí)在射頻模塊發(fā)送端VI即TX1腳，TX2腳和地TVSS腳之間引入一個(gè)低通濾波器電路【4】，該低通濾波器電路如圖2所示，其中電感L1，和L2均為2．2“H，電容C20，C21均為47 pF。

　　1.2射頻模塊接收端口接收電路

　　RC500內(nèi)部接受電路是利用射頻卡的返回應(yīng)答信號(hào)在副載波的雙邊帶上都有調(diào)制這一概念來(lái)工作的。根據(jù)RC500的芯片手冊(cè)，由RC500芯片內(nèi)部所產(chǎn)生的VMID作為接收信號(hào)引腳RX的輸入偏置。為了減少干擾，提供一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓，在VMID和地TVSS之間連接了一個(gè)0.1μF心電容C18同時(shí)在RX0和VMID引腳間連接了一個(gè)820 Q的電阻R7，作為分壓器【4】。圖3為接收電路的原理圖。

　　1.3射頻模塊發(fā)射接收天線(xiàn)及其匹配電路

　　閱讀器的工作距離由三方面要素決定：閱讀器的天線(xiàn)尺寸，天線(xiàn)匹配電路的品質(zhì)因子Q和閱讀器周?chē)h(huán)境的影響。因此，設(shè)計(jì)天線(xiàn)的時(shí)候要充分考慮這三方面的因素。

　　1.3.1天線(xiàn)尺寸的設(shè)計(jì)

　　閱讀器的天線(xiàn)有多種形狀，最常見(jiàn)的有兩種：環(huán)形天線(xiàn)和矩形天線(xiàn)．本文的閱讀器天線(xiàn)采用矩形天線(xiàn)，這種天線(xiàn)的距其中心垂直距離為X處的磁通量密度可由式(2)算出：

　　式中，B為磁通量密度；，其為磁場(chǎng)常數(shù)；N為天線(xiàn)線(xiàn)圈的匝數(shù)；I為線(xiàn)圈中電流強(qiáng)度.磁通量B與距離X成反比，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離變遠(yuǎn)而弱．天線(xiàn)線(xiàn)圈的電感可由阻抗分析儀測(cè)量得到。若沒(méi)有分析儀，可采用公式估算的方法得到近似的電感值，天線(xiàn)電感的估算公式如下：

　　式中，L為天線(xiàn)電感估汁值，nH；l1．為一圈天線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)環(huán)的長(zhǎng)度，cm；D1為PCB線(xiàn)圈導(dǎo)線(xiàn)的寬度；若線(xiàn)圈為環(huán)形，則K=1.07，若線(xiàn)圈為矩形，則K=1.47；N為線(xiàn)圈匝數(shù)。從式(2)和(3)中可看出，增加線(xiàn)圈的匝數(shù)Ⅳ可增大線(xiàn)圈的磁通量密度B，延線(xiàn)線(xiàn)圈的有效工作距離，而天線(xiàn)線(xiàn)周電感L與線(xiàn)圈匝數(shù)N的1.8次方成正比，增加匝數(shù)N會(huì)使線(xiàn)圈的電感L增大，又由式(1)知，線(xiàn)圈的電感不應(yīng)超過(guò)5μH，所以必須在線(xiàn)圈能提供足夠大的磁通量密度情況下保證線(xiàn)圈匝數(shù)N盡可能的小．綜合以上考試，天線(xiàn)線(xiàn)圈匝數(shù)采用3圈。

　　為了制作出電感較小的天線(xiàn)線(xiàn)圈，采用在PCB板上用導(dǎo)線(xiàn)繞制成矩形線(xiàn)圈的方式制作天線(xiàn)線(xiàn)圈．環(huán)繞的導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)寬為1 mm，矩形長(zhǎng)寬分別為72mm×37mm．PCB設(shè)計(jì)成2層結(jié)構(gòu)，天線(xiàn)線(xiàn)圈在PCB板的底層，頂層布有不閉合的屏蔽環(huán)，這種布板設(shè)計(jì)較好的吸收了天線(xiàn)線(xiàn)圈PCB本身產(chǎn)生的電場(chǎng)，改良了天線(xiàn)的EMC性能。

　　1.3.2天線(xiàn)匹配電路的設(shè)計(jì)

　　由于天線(xiàn)本身的阻抗并不高，需要一個(gè)匹配電路連接射頻模塊。天線(xiàn)匹配電路設(shè)計(jì)的是否合理直接影響到天線(xiàn)是否能夠正常工作。這里分為理論和實(shí)際兩部分對(duì)天線(xiàn)匹配電路進(jìn)行討論。

　　(1)理論設(shè)計(jì)【5】

　　圖4為天線(xiàn)的匹配電路，由于電路的對(duì)稱(chēng)性，可將電路簡(jiǎn)化為圖5的電路圖。

　　圖中線(xiàn)圈電阻，線(xiàn)圈電感，根據(jù)天線(xiàn)設(shè)計(jì)手冊(cè)，線(xiàn)圈電感L由式(3)估算得：，線(xiàn)圈電阻測(cè)得為

　　匹配電路中的和。都可以由兩種方法得到：

　　①第一種方法是通過(guò)式(4)，(5)，(6)計(jì)算得到。

　　其中，,Q為品質(zhì)因素，在mifare卡應(yīng)用中，Q=35。

　　本設(shè)計(jì)中由于沒(méi)有設(shè)備對(duì)線(xiàn)圈的電感以及電阻進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，只能對(duì)其進(jìn)行估算，所以利用公式計(jì)算的這種方法將產(chǎn)生很大的誤差，因此在這種情況下一般采用這種方法。

　?、诘诙N方法是利用官方提供的天線(xiàn)匹配電路初值進(jìn)行沒(méi)計(jì)，如表1。表1顯示了天線(xiàn)線(xiàn)圈電感值與電容之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表1中的電容值僅為參考值，最終結(jié)果要由天線(xiàn)的調(diào)諧確定。本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)電感估算值為1.3μH，故根據(jù)表1，匹配電路中C1a和C1b均為27pF，C2a和C2b均為180 pF。

　　(2)實(shí)際設(shè)計(jì)

　　在理論設(shè)計(jì)中，匹配電路中各個(gè)電容都使用了參考值，而在實(shí)際的系統(tǒng)當(dāng)中，由于各種因素的影響，該匹配電路不一定能取得預(yù)想的效果．所以，具體的電容值還需要由天線(xiàn)的調(diào)諧來(lái)確定．調(diào)試方法為：在和的兩端分別并聯(lián)一個(gè)可調(diào)電容，在系統(tǒng)工作過(guò)程中不斷調(diào)節(jié)電容的大小，最終以達(dá)到調(diào)諧狀態(tài)并記下可調(diào)電容的值，再加入匹配電路中．通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試，最終確定匹配電路中C1a和C1b均為15pF，C2a和C2b均為150 pF，并且得到了較為理想的效果。

　　2結(jié)束語(yǔ)

　　基于13.56 MHz射頻芯片RC500的RFID閱讀器的天線(xiàn)設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，天線(xiàn)的有效讀卡距離可達(dá)到30 mm，并且具有良好的性能．使用此天線(xiàn)的閱讀器運(yùn)行穩(wěn)定，制作成本低廉。對(duì)于13.56 MHz

　　RFID閱讀器的開(kāi)發(fā)具有很好的參考價(jià)值和實(shí)用意義。