13.56MHz RFID 閱讀器直接匹配天線的設計

2016-12-09 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1引言

近年來,射頻識別(RFID)技術取得了廣泛的商業應用,特別是我國政府于2009年開始出臺相關政策,提出要大力發展物聯網技術與產業,而物聯網的核心技術之一即為RFID。在RFID系統中,天線作為能量的轉換器,在發送和接收信息的過程中實現了電磁能量的相互轉換。因此,天線的性能好壞直接影響整個系統的性能。

本文設計的天線基于NXP公司的RC52X射頻芯片,工作頻率為13.56MHz,射頻芯片通過匹配電路驅動天線工作。該天線尺寸只有普通RFID閱讀器天線的30%~50%。通過安捷倫(Agilent)公司的ADS軟件對天線及匹配電路進行仿真優化,天線S11小于-30dB,實現了很好的匹配。實測表明,該天線的讀卡距離達到35mm。

2天線設計

13.56MHz的工作頻率位于高頻頻段,其工作原理屬于磁場耦合方式,通信距離較近(遠小于其工作波長)[1]。天線根據具體使用環境一般設計成矩形、圓形等[2-4]。

對于矩形天線,其關鍵幾何參數有如下6個:天線線圈外圍長度A;外圍寬度B;導體寬度W;導體厚度t;線圈間距S與線圈圈數N,如圖1所示。這些參數對天線主要電參數電感值L有如下影響:增加天線的尺寸(長×寬),則電感增大;增加導體寬度W,則電感減小;增加線圈圈數N,則電感增大。常用天線的電感L一般小于5μH,否則阻抗匹配較難實現。綜合以上因素以及電路加工工藝要求,本文設計的矩形天線的幾何參數為:A=30mm,B=20mm,W=0.5mm,S=0.5mm,N=6,導體厚度t根據常用加工工藝取為0.035 mm。

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圖1 天線的幾何尺寸

天線基板采用的是柔性線路板(FPC),厚度為普通PCB硬板的十幾分之一,重量也比硬板輕很多。天線的外圍尺寸只有普通閱讀器天線的1/2~1/3,甚至更小,為閱讀器節省了空間。由于FPC板材可自由彎曲、折疊、卷繞,而輕微的彎曲基本不會影響天線的性能,所以也為天線在閱讀器中的空間布局提供了很大的便利。圖2為加工制作的天線實物圖。

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圖2 天線實物圖

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圖3 天線的等效電路

3 天線等效及匹配電路

3.1 天線的等效電路

天線自身可等效為圖3所示的RLC電路。其中Rcoil為天線的等效電阻,L為天線電感,Ccoil為使用接地屏蔽層時,天線線圈與地之間的電容,而對于本文設計的天線,由于柔性電路板厚度很小,使用接地屏蔽將會導致天線自諧振頻率很低,甚至小于天線工作頻率13.56MHz,導致很難進行阻抗匹配,所以本文天線未使用接地層,此時Ccoil為天線上下層導帶交疊引起的等效電容。

3.2 天線匹配電路

閱讀器與天線之間可采用直接匹配電路連接,也可采用50Ω同軸電纜連接,前者適用于射頻模塊與天線間距離較小的系統,后者適用于射頻模塊與天線間距離較遠的系統。實際應用中,天線一般置于閱讀器內部,與射頻模塊之間的距離一般較小,所以直接匹配電路的連接方式取得了廣泛的應用,本文設計的天線與閱讀器之間即采用直接匹配電路相連。

RC52X射頻芯片發送端口要求的阻抗為40~50Ω[5],要想實現天線的正常工作,需要在天線與芯片發送端口之間加阻抗變換電路,實現天線與射頻芯片端口的阻抗匹配。為消除高次諧波對其它電路的影響,在阻抗匹配電路中增加低通濾波環節[6],整體電路如圖4所示。

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圖4 天線匹配電路

圖中TX1、TX2為射頻芯片發送端,兩個發送端輸出等幅反相的差分信號來驅動天線工作。TVSS為接地端,L0、C0構成低通濾波電路,Cs為串聯電容,Cp為并聯電容,Rext為外接可調電阻,用來調整電路的品質因數Q,由于:

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式中的品質因數Q,根據ISO14443對數據調制方式的規定,可計算得到Q≤40.68,實際應用中一般取10~40,天線電感L與電阻Rcoil可通過相關經驗公式計算求得,或者通過電磁場全波仿真軟件獲得,如ADS momentum或Q3D,亦可使用阻抗分析儀或者矢量網絡分析儀測量得到。

4結果和分析

使用ADS的原理圖與momentum版圖對天線及匹配電路進行聯合仿真優化。電路模型如圖5。

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圖5 ADS優化電路模型

通過優化調整,確定匹配電路各元件的具體參數如表1所示。表中的元件值除Cp需用兩個電容并聯實現外,其余元件均為具有標稱值的單個元件。

按表1中元件參數進行阻抗匹配后,仿真得到天線的輸入阻抗及S11分別如圖6及圖7所示。由圖6可以看出,經過阻抗匹配后的天線,在工作頻率處,輸入阻抗的實部為48Ω,虛部接近為0,滿足射頻芯片模塊的端口阻抗要求;由圖7可以看出,工作頻段內,S11低于-30dB,反射很小,說明天線實現了良好的匹配。

表1 匹配電路參數表

元件名	參數值
L0	1μH
C0	120pF
串聯電容Cs	22pF
并聯電容Cp	190pF
外接電阻Rext	2.2Ω

按照上述優化后的元件參數實際制作的匹配電路分別與天線及閱讀器連接,經實際測量,天線的有效讀卡距離為35mm。閱讀器工作正常、穩定。

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圖6 阻抗匹配后的天線輸入阻抗Z

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圖7 阻抗匹配后天線的S11

5結論

本文設計的RFID閱讀器天線,基于FPC軟板印制,天線尺寸只有普通閱讀器天線的30%~50%,為閱讀器節省了空間,減輕了重量,也為天線在閱讀器中的空間布局提供了很大的便利。仿真結果表明,S11低于-30dB,天線實現了很好的匹配。經實際測量驗證,天線的讀卡距離達到35mm。該天線在小型便攜式RFID閱讀器中具有廣闊的應用前景。

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