125 kHz射頻卡讀卡器的天線設(shè)計

谷建明，楊光永

（云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，云南昆明650031）

125 kHz射頻卡讀卡器的天線設(shè)計

谷建明，楊光永

（云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，云南昆明650031）

125 kHz射頻卡讀卡器的天線是射頻卡讀卡器的重要部分，關(guān)系到射頻卡讀卡器的可靠性和靈敏度.首先對125 kHz射頻卡天線的電流、磁場理論進行簡要的分析，討論讀卡角度、讀卡距離、天線線徑和圈數(shù)與讀卡器靈敏度的關(guān)系，尋求125 kHz射頻卡天線設(shè)計的一般方法，以最大限度地滿足普遍要求的30～100mm讀卡距離.

射頻識別卡；125 kHz天線；靈敏度

125 kHz射頻卡天線工作在低頻射頻段，它與讀卡器的讀卡距離、覆蓋范圍、功耗、尺寸、成本、可靠性等技術(shù)參數(shù)密切相關(guān)［1］.天線設(shè)計是讀卡器系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前，國外一般采用專用EDA設(shè)計軟件和射頻測試工具，分析天線的能量譜密度［2］，得到實驗條件下的天線尺寸，試制并檢測，再結(jié)合經(jīng)驗數(shù)據(jù)［3-4］，對天線的尺寸進行調(diào)整，如此反復(fù)進行，直到在一定設(shè)計要求下的最優(yōu)解.

但是，上述常規(guī)設(shè)計方法存在魯棒性較差［5］、研發(fā)周期較長、研發(fā)成本較高等不足，特別是市場對射頻卡產(chǎn)品系列的多樣化需求，要求設(shè)計人員最大限度地降低開發(fā)平臺的軟硬件成本，快速、準(zhǔn)確地計算天線的各項尺寸參數(shù)［6-7］，以滿足讀卡器天線的不同設(shè)計要求［8］.

為此，本文旨在尋求125 kHz射頻卡天線設(shè)計的低成本、快速算法.擬從天線的電路原理分析入手，分析天線的電流和磁場強度的關(guān)系，得到表征天線靈敏度的重要參數(shù)：圈數(shù)·電流積，由此推導(dǎo)出天線影響讀卡器靈敏度的主要參數(shù)，最終得出天線線圈的最優(yōu)解.

1 125 kHz射頻卡讀卡器天線

125 kHz射頻卡（RFID）應(yīng)用系統(tǒng)利用125 kHz無線頻率，對目標(biāo)進行短距離的識別、定位、跟蹤［9］.它一般由3部分組成：射頻卡（或射頻標(biāo)簽）、讀卡器（含單片機）、天線，如圖1所示.圖1中，125 kHz振蕩信號經(jīng)天線發(fā)送出去，射頻卡TK4100內(nèi)部電感和電容對芯片充電后，反射攜帶卡信息的125 kHz信號.由于天線的感抗L與電容C組成LC濾波電路，其諧振頻率fres為125 kHz頻點：

將LC濾波電路的信號輸出至檢波電路，經(jīng)整形、放大至單片機，按RFID標(biāo)準(zhǔn)即可解析射頻卡的信息數(shù)據(jù).

參見圖2，需尋求：在滿足常規(guī)讀卡操作的條件下，讀卡距離r取值在多大范圍內(nèi)最優(yōu)？再進一步，在30～100 mm的讀卡距離范圍內(nèi)，天線線徑、圈數(shù)、直徑如何影響讀卡器的靈敏度和可靠性？

2 天線的電流與磁場的關(guān)系

根據(jù)安培定理，設(shè)環(huán)形天線的圈數(shù)為N，半徑為a，流經(jīng)天線的電流為I，當(dāng)半徑小于讀卡距離r時（見圖2），天線的磁感應(yīng)強度Bz由方程（2）決定：

上式中，μ0為自由空間常數(shù)：

μ0＝4π×10-7H／m2.

方程（2）表明，天線的磁感應(yīng)強度Bz與讀卡距離r3成反比.

3 天線的感應(yīng)電壓

影響讀卡器靈敏度的內(nèi)因在于天線對125 kHz信號的感應(yīng)電壓V.設(shè)天線線圈的面積為S，α為射頻卡法線與天線線圈平面的夾角（見圖3），在此條件下，天線的感應(yīng)電壓V為：

當(dāng)天線在125 kHz頻點諧振時，電容兩端的輸出電壓Vo達到最大值.對不同品質(zhì)因素Q的天線（5≤Q≤50），輸出電壓相應(yīng)改變：

當(dāng)α＝0時，Vo達到最大值.

由此，可得一定條件下天線的磁感應(yīng)強度B：

當(dāng)射頻卡（標(biāo)簽）的尺寸一定、天線的尺寸一定時：

f＝125 kHz；

N＝100；

S＝πa2＝100πmm2（射頻卡／標(biāo)簽約為壹元硬幣大小，即半徑a＝10mm）；

Q＝18；

α＝0；

Vo＝7 V.

在此常規(guī)條件下，磁感應(yīng)強度B與輸出電壓成正比：

此外，根據(jù)方程（2）可得表征天線靈敏度的一個重要參數(shù)NI（圈數(shù)·電流積）［1-2］，即：

當(dāng)讀卡距離r為40 mm，磁感應(yīng)強度為1.57 μW／m2時，天線的圈數(shù)·電流積NI為：

當(dāng)讀卡距離r為80 mm，磁感應(yīng)強度為1.57 μW／m2時，天線的圈數(shù)·電流積NI為：

由此可看出，當(dāng)讀卡距離r＜30 mm時，天線的圈數(shù)越多，圈數(shù)·電流積越大；當(dāng)30mm＜r＜80mm時，天線的圈數(shù)與圈數(shù)·電流積成反比例關(guān)系，如圖4所示.

4 天線線圈對讀卡器靈敏度的影響

將方程（6）的圈數(shù)·電流積NI對天線線圈半徑a求微分：

因a≠0，r≠0.

故a2-2r2＝0.

即：

此即為保證一定讀卡距離的條件下（取30～50 mm），天線線圈的最優(yōu)解.常用天線線圈的最優(yōu)解見表1.

表1 天線線圈的最優(yōu)解

除了上述線圈半徑對讀卡器靈敏度的影響外，天線的導(dǎo)線直徑也是一個不容忽視的重要參數(shù).導(dǎo)線直徑變化，直接影響LC濾波器在諧振點的直流阻抗RDC和交流阻抗RAC：

其中，σ為導(dǎo)線的電導(dǎo)率，S為導(dǎo)線橫截面積，l為導(dǎo)線長度，f為諧振頻率.當(dāng)選定導(dǎo)線長度l、導(dǎo)線材料σ和S，讀卡器工作在特定頻率（諧振點）之后，天線的直流阻抗RDC是一個常數(shù)，而交流阻抗RAC與天線的半徑成正比（與諧振頻率f也成正比）.此時，天線的半徑越大，交流阻抗也越大.在有限的能量范圍內(nèi)，反而降低了讀卡器的靈敏度，增加功率消耗，這往往是得不償失的.

5 結(jié)語

125 kHz射頻卡天線的設(shè)計過程中，天線的靈敏度與天線的尺寸、讀卡距離要求密切相關(guān)，本文從天線的電流與磁場理論分析入手，在滿足天線的感應(yīng)電壓、磁場強度的條件下，得出不同設(shè)計要求下的天線線圈尺寸的圈數(shù)電流積最優(yōu)解.

［1］Microchip Technology Inc.MicroIDTM125 kHz RFID system design guide［R］.1998：33-40.

［2］LIU Wen-ming，NING Huan-sheng，WANG Bao-fa.REID antenna design of highway ETC in ITS［C］／／Antennas，Propagation＆EM Theory，2006.ISAPE′06.7th International Symposium on，IEEE.China：Guilin，2006：1-4.

［3］LI Xiu-ping.RFID antenna design technology［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2008.

［4］LEE Y.Antenna circuit design for RFID applications［R］.Microchip Technology Inc，1999：5-49.

［5］Motorola.RFID Antenna family，RFID antennas for fixed readers［R］.Motorola Inc，2007.

［6］Laird Technologies.RFID antennas introduction［EB／OL］.（2012-08-01）.www.lairdtech.com／RFID-CAT-English-1108.

［7］Impinj.RFID technology series，the RFID antenna：maximum power transfer［EB／OL］.［2005-10-05］http：／／www.impinj.cn／download／ipj_antennamaximumpowertransfer_ 20051001.pdf.

［8］LAUDIEN M.Radio frequency identification（RFID）antenna and system design［C］／／Converge—An Applications Workshop for High-Performance Design.2006：1-19.

［9］單承贛，單玉峰，姚磊，等.射頻識別（RFID）原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008：32-39.

（責(zé)任編輯 莊紅林）

Design for the antenna of 125 kHz RF card-reader

GU Jian-ming，YANG Guang-yong
（School of Electrical and Information Engineering，Yunnan University of Nationalities，Kunming 650031，China）

125 kHz antenna coil plays an important role in Radio Frequency Identification Card（RFID）reader， which it is concerned with its feasibilities and sensitivity.The paper analyzes the basic theories of current and magnetic fields of125 kHz antenna coil，and studies the relations between the sensitivity of RFID reader and its orientation dependency，distance，wire type，resistance and size.The result shows that this 125 kHz antenna coil performs well for the general requirement of the identification range from 30 mm to 100 mm.

RFID；125 kHz antenna；sensitivity

TN820

：A

：1672-8513（2014）01-0015-03

2013-06-08.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)云南省高校重點實驗室開放基金（ZK2011002）.

谷建明（1958-），男，本科，實驗師.主要研究方向：電子技術(shù)與實驗.

楊光永（1970-），男，碩士，副教授.主要研究方向：微系統(tǒng)與先進傳感器技術(shù).