13.56 MHz RFID讀寫(xiě)器天線(xiàn)的設(shè)計(jì)與仿真

戴彩艷，蔡堅(jiān)勇，陳銀燕，朱 雨，林李金，黃永亮，晏 嫚

(福建師范大學(xué)光電與信息工程學(xué)院，福建福州350007)

0 引言

射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)進(jìn)行非接觸式雙向通信，自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。在眾多中自動(dòng)識(shí)別技術(shù)中，它具有精度高、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、閱讀速度快、抗干擾能力強(qiáng)、便于應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了非接觸式操作，無(wú)機(jī)械磨損，壽命長(zhǎng)，支持讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)，可重復(fù)使用，使用了防沖撞技術(shù)，能同時(shí)識(shí)別多個(gè)高速運(yùn)動(dòng)物體。目前，RFID技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展非常迅速，在物流、倉(cāng)儲(chǔ)、零售、制造業(yè)、軍事、交通、電力、食品和環(huán)境等行業(yè)已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)的主要功能有身份識(shí)別、物品防偽、資產(chǎn)管理、人員定位、圖書(shū)、檔案管理和汽車(chē)防盜等，其應(yīng)用前景十分可觀。

RFID天線(xiàn)系統(tǒng)包括讀寫(xiě)器天線(xiàn)和標(biāo)簽天線(xiàn)?；?3.56 MHz的被動(dòng)式RFID系統(tǒng)，電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器采用電感耦合方式進(jìn)行能量傳遞與通信。讀寫(xiě)器的天線(xiàn)線(xiàn)圈產(chǎn)生高頻強(qiáng)電磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿過(guò)線(xiàn)圈的橫截面和線(xiàn)圈周?chē)臻g，使得靠近讀寫(xiě)器天線(xiàn)線(xiàn)圈的標(biāo)簽天線(xiàn)在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。工作于13.56 MHz的RFID天線(xiàn)系統(tǒng)采用變壓器原理，遵循法拉第電磁感應(yīng)定律，天線(xiàn)線(xiàn)圈在功能上等效于電感，其實(shí)際電感值取決于天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線(xiàn)的厚度、線(xiàn)圈之間的距離、天線(xiàn)的尺寸以及天線(xiàn)繞制的圈數(shù)等。下面基于射頻芯片MF RC500，對(duì)13.56 MHz RFID讀寫(xiě)器的天線(xiàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行了探究。

1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的選擇與等效電路

高頻RFID讀寫(xiě)器天線(xiàn)可以采用空心電感線(xiàn)圈或者鐵氧體磁芯線(xiàn)圈，也可由印刷PCB板或其他介質(zhì)基材的導(dǎo)電線(xiàn)路構(gòu)成［1］，常見(jiàn)的天線(xiàn)線(xiàn)圈形式有短圓柱形、環(huán)形、方形和矩形。對(duì)工作于高頻(13.56 MHz)的RFID系統(tǒng)，由于其電磁波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于識(shí)別距離，讀寫(xiě)器和應(yīng)答器之間可等效為變壓器耦合方式，采用電流分布基本一致的小型環(huán)形或方形天線(xiàn)為其最佳選擇［2］，這里選用方形形狀的線(xiàn)圈。

讀寫(xiě)器的天線(xiàn)線(xiàn)圈可以用圖1的等效電路表示。

圖1 天線(xiàn)線(xiàn)圈等效電路

線(xiàn)圈的電感為L(zhǎng)ant，Rant為線(xiàn)圈的電阻損耗，Cant為線(xiàn)圈之間和連接器之間的電容損耗。將Cant電容與天線(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，讀寫(xiě)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)諧到讀寫(xiě)器的工作頻率13.56 MHZ，其值由湯姆遜公式［4］得出:

圖2 電容與電感關(guān)系曲線(xiàn)

2 天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

2.1 天線(xiàn)最佳尺寸設(shè)計(jì)的理論依據(jù)

安培定理指出，當(dāng)電流流過(guò)一個(gè)導(dǎo)體時(shí)，在此導(dǎo)體的周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與流經(jīng)導(dǎo)體的電流i1成正比，與距導(dǎo)體的距離成反比。根據(jù)畢奧—薩伐爾定律得，距環(huán)形或方形線(xiàn)圈中心垂直距離為x處的點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz的大小［3］為:

式中，i1為電流;N1為線(xiàn)圈匝數(shù);a為線(xiàn)圈邊長(zhǎng);x為離線(xiàn)圈中心的垂直距離;μ0為真空磁導(dǎo)率。當(dāng)x＜＜a時(shí)，由式(2)可知，在x＜＜a范圍內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎不變。當(dāng)x=0時(shí)，公式簡(jiǎn)化為:

當(dāng)x＞＞a時(shí)，式(2)可化為:

式(4)表明，當(dāng)x＞＞a時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的衰減和距離x的3次方成正比。由上可知，從線(xiàn)圈中心到一定距離的磁場(chǎng)強(qiáng)度幾乎不變，而后急劇下降。這就意味著:對(duì)于每種RFID系統(tǒng)的可識(shí)別距離都對(duì)應(yīng)有一個(gè)最佳的天線(xiàn)邊長(zhǎng)a。最佳天線(xiàn)線(xiàn)圈邊長(zhǎng)a求解如下［4］，假定天線(xiàn)線(xiàn)圈中電流不變，設(shè) x為常數(shù)，式(2)可改寫(xiě)為:

式中，k=μ0i1N1/2為常數(shù)。令式(5)兩端同時(shí)對(duì)a求導(dǎo)，并令dBz/da=0，可解得Bz具有極大值時(shí)的條件，即a=，此時(shí)可獲得最大磁場(chǎng)強(qiáng)度。由此可知，讀寫(xiě)器天線(xiàn)的最佳邊長(zhǎng)值等于最大期望閱讀作用距離的倍。

2.2 天線(xiàn)電感值與Q值的計(jì)算

天線(xiàn)線(xiàn)圈的電感一般采用阻抗分析儀測(cè)量得到，在條件不允許的情況下，也可由公式估算。環(huán)形和方形天線(xiàn)電感值可由如下公式估算［5］:

式中，l1為一圈(匝)導(dǎo)線(xiàn)環(huán)的長(zhǎng)度(cm);D1為線(xiàn)圈導(dǎo)線(xiàn)的寬度(mm);K=1.07(環(huán)形天線(xiàn))/1.47(方形天線(xiàn));N為線(xiàn)圈的匝數(shù);ln為自然對(duì)數(shù)函數(shù)。由式(6)可知，天線(xiàn)線(xiàn)圈電感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)使得線(xiàn)圈的電感L增大，而根據(jù)式(1)可知，線(xiàn)圈的電感過(guò)大，將導(dǎo)致匹配電容難以取感值為 1.6 μH，一圈導(dǎo)線(xiàn)環(huán)的長(zhǎng)度 l1=16 cm、線(xiàn)圈形式為方形(K為1.47)，可根據(jù)式(1)和式(6)求出線(xiàn)圈匝數(shù)與與線(xiàn)寬的變化關(guān)系如圖3所示，其中，線(xiàn)寬一般取值為0.5 ～1.5 mm。

品質(zhì)因子QL值表示電感線(xiàn)圈的損耗性能，QL值越高，天線(xiàn)的輸出能量越高，然而太高的QL值會(huì)干擾讀寫(xiě)器的帶通特性。天線(xiàn)的品質(zhì)因子由下面的公式定義［6］:

式中，wR=2πfR，fR為諧振頻率;Rant為天線(xiàn)等效電阻;Lant為天線(xiàn)的等效電感。一般RFID系統(tǒng)的品質(zhì)因子在 10 ～30 取值，最大不要超過(guò) 60［2，7］，以保證足夠的帶寬，使得讀寫(xiě)器無(wú)失真地傳送用于數(shù)據(jù)調(diào)制的副載波信號(hào)［8］。在實(shí)際測(cè)量天線(xiàn)線(xiàn)圈的電感量和品質(zhì)因子時(shí)，以頻帶寬、精度高的阻抗分析儀為最佳測(cè)量?jī)x器。

圖3 電感值為1.6 μH時(shí)線(xiàn)寬與匝數(shù)的關(guān)系

3 建模與結(jié)果分析

根據(jù)上述的天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，采用業(yè)界公認(rèn)的三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS進(jìn)行建模仿真以驗(yàn)證方法的可行性。為更好地模擬實(shí)際印刷電路板制作天線(xiàn)，天線(xiàn)的基板選用具有較高機(jī)械性能和介電性能的玻璃布基板FR－4，基板厚度為1 mm，電感線(xiàn)圈的厚度設(shè)為0.035 mm，電感材質(zhì)選用導(dǎo)電性能良好的銅箔，以減少天線(xiàn)線(xiàn)圈的電阻損耗，若選定線(xiàn)寬為0.8 mm，由圖3可知，電感匝數(shù)為約為4匝?？紤]到實(shí)際制作天線(xiàn)時(shí)線(xiàn)間距越小，加工精度要求越高，加工成本也越高，所以設(shè)線(xiàn)間距為0.3 mm。根據(jù)需要，要使得x=30 mm，根據(jù)Bz取得極大值時(shí)的條件，即a=，L約為42 mm，即取方形面積為42 mm×42 mm，模型中采用單端集總端口激勵(lì)，將上述參數(shù)值代入式(6)可算出天線(xiàn)線(xiàn)圈電感值為1 579.63 nH，約為 1.58 μH。據(jù)此，用 HFSS 軟件建立PCB平面方形結(jié)構(gòu)螺旋式電感的模型，設(shè)置中心頻率為13.56 MHz，采用快速掃描方式，掃描范圍為11～15 MHz，輸入功率設(shè)為1 W。利用HFSS自帶分析工具進(jìn)行分析后，可得到電感值在這個(gè)頻段內(nèi)隨頻率變化的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在頻率為 13.56 MHz時(shí)，電感值約為1.55 μH，與理論計(jì)算值相差 0.03 μH?？紤]到天線(xiàn)的寄生電容，本次設(shè)計(jì)在天線(xiàn)線(xiàn)圈末端加開(kāi)路的補(bǔ)償線(xiàn)圈，避免產(chǎn)生地電流而降低天線(xiàn)線(xiàn)圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度［1］。

圖5和圖6分別是加補(bǔ)償線(xiàn)圈前和加補(bǔ)償線(xiàn)圈后的磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)量圖。圖中，白色區(qū)域表示磁場(chǎng)覆蓋區(qū)，白色區(qū)越大表示磁場(chǎng)覆蓋區(qū)越廣，白色塊越集中表示磁場(chǎng)強(qiáng)度越大。

圖4 電感隨頻率變化關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 無(wú)補(bǔ)償線(xiàn)圈時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)量

圖6 有補(bǔ)償線(xiàn)圈時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)量

比較圖5和圖6可知，加補(bǔ)償線(xiàn)圈后電感線(xiàn)圈表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度有所加強(qiáng)。原因分析:電感線(xiàn)圈存在寄生電容，在末端加上開(kāi)路線(xiàn)圈后，開(kāi)環(huán)的感應(yīng)電流與電感線(xiàn)圈里寄生電容的電流大小幾乎相等，但方向相反，這樣就抵消了電感線(xiàn)圈的寄生電容所產(chǎn)生的電流，相當(dāng)于避免地電流的產(chǎn)生，減小了電感線(xiàn)圈的功率損耗，從而相對(duì)提高了電感的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)13.56 MHz RFID系統(tǒng)的工作原理，探討了RFID讀寫(xiě)器天線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法，并模擬實(shí)際制作PCB平面電感的方法，采用業(yè)界公認(rèn)的三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS建立一個(gè)方形結(jié)構(gòu)螺旋式的平面電感模型，仿真所得的電感值與理論計(jì)算值相差0.03 μH。此外，仿真所得的電感磁場(chǎng)標(biāo)量圖表明，在電感線(xiàn)圈末端加開(kāi)路的補(bǔ)償線(xiàn)圈有利于增強(qiáng)天線(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)13.56 MHz RFID讀寫(xiě)器天線(xiàn)的最佳尺寸設(shè)計(jì)方法所進(jìn)行的探索，對(duì)實(shí)際制作PCB平面RFID讀寫(xiě)器天線(xiàn)具有較好的參考價(jià)值。

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