13.56MHz RFID 閱讀器直接匹配天線的設(shè)計

2016-12-09  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

近年來,射頻識別(RFID)技術(shù)取得了廣泛的商業(yè)應(yīng)用,特別是我國政府于2009年開始出臺相關(guān)政策,提出要大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè),而物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一即為RFID。在RFID系統(tǒng)中,天線作為能量的轉(zhuǎn)換器,在發(fā)送和接收信息的過程中實現(xiàn)了電磁能量的相互轉(zhuǎn)換。因此,天線的性能好壞直接影響整個系統(tǒng)的性能。

本文設(shè)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(qū)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(yōu)化,天線S11小于-30dB,實現(xiàn)了很好的匹配。實測表明,該天線的讀卡距離達到35mm。

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(jù)具體使用環(huán)境一般設(shè)計成矩形、圓形等[2-4]。

對于矩形天線,其關(guān)鍵幾何參數(shù)有如下6個:天線線圈外圍長度A;外圍寬度B;導(dǎo)體寬度W;導(dǎo)體厚度t;線圈間距S與線圈圈數(shù)N,如圖1所示。這些參數(shù)對天線主要電參數(shù)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(dǎo)體寬度W,則電感減小;增加線圈圈數(shù)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(xiàn)。綜合以上因素以及電路加工工藝要求,本文設(shè)計的矩形天線的幾何參數(shù)為:A=30mm,B=20mm,W=0.5mm,S=0.5mm,N=6,導(dǎo)體厚度t根據(jù)常用加工工藝取為0.035 mm。

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(jié)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。

圖2 天線實物圖

圖3 天線的等效電路

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(shè)計的天線,由于柔性電路板厚度很小,使用接地屏蔽將會導(dǎo)致天線自諧振頻率很低,甚至小于天線工作頻率13.56MHz,導(dǎo)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(dǎo)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(tǒng),后者適用于射頻模塊與天線間距離較遠的系統(tǒng)。實際應(yīng)用中,天線一般置于閱讀器內(nèi)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(yīng)用,本文設(shè)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(fā)送端口要求的阻抗為40~50Ω[5],要想實現(xiàn)天線的正常工作,需要在天線與芯片發(fā)送端口之間加阻抗變換電路,實現(xiàn)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(huán)節(jié)[6],整體電路如圖4所示。

圖4 天線匹配電路

圖中TX1、TX2為射頻芯片發(fā)送端,兩個發(fā)送端輸出等幅反相的差分信號來驅(qū)動天線工作。TVSS為接地端,L0、C0構(gòu)成低通濾波電路,Cs為串聯(lián)電容,Cp為并聯(lián)電容,Rext為外接可調(diào)電阻,用來調(diào)整電路的品質(zhì)因數(shù)Q,由于:

式中的品質(zhì)因數(shù)Q,根據(jù)ISO14443對數(shù)據(jù)調(diào)制方式的規(guī)定,可計算得到Q≤40.68,實際應(yīng)用中一般取10~40,天線電感L與電阻Rcoil可通過相關(guān)經(jīng)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(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到。

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

圖5 ADS優(yōu)化電路模型

通過優(yōu)化調(diào)整,確定匹配電路各元件的具體參數(shù)如表1所示。表中的元件值除Cp需用兩個電容并聯(lián)實現(xiàn)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(shù)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(jīng)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(nèi),S11低于-30dB,反射很小,說明天線實現(xiàn)了良好的匹配。

表1 匹配電路參數(shù)表

按照上述優(yōu)化后的元件參數(shù)實際制作的匹配電路分別與天線及閱讀器連接,經(jīng)實際測量,天線的有效讀卡距離為35mm。閱讀器工作正常、穩(wěn)定。

圖6 阻抗匹配后的天線輸入阻抗Z

圖7 阻抗匹配后天線的S11

本文設(shè)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(jié)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(jié)果表明,S11低于-30dB,天線實現(xiàn)了很好的匹配。經(jīng)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(yīng)用前景。

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