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)。對于設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于射頻識別系統(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。

　　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)型天線長度(m);B1，環(huán)型導(dǎo)體厚度(m);B2，環(huán)型導(dǎo)體寬度(m)。

　　對于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為：

　　這個(gè)等效邊長在以后的環(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(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)體長度，p 為環(huán)形導(dǎo)體交叉部分的周長，RS 為導(dǎo)體表面電阻，μ0 為4π×10-7H/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(假沒為理想電壓源的情況下Ri=0)由發(fā)送器終端級的電源電壓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，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(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)型天線已經(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，對研究RFID 技術(shù)具有一定的參考價(jià)值。