基于U2270B的射频识别系统天线设计

摘要:天线作为射频识别系统设计的关键器件，直接影响着系统的性能。
      U2270B是一种典型的发射频率为125kHz的非接触性IC卡射频基站芯片。文章在介绍射频识别系统基本原理的基础上，说明天线设计的重要性；重点阐述U2270B基站芯片天线设计的关键部分和具体步骤，并通过实例作进一步说明。
 
关键词:射频识别系统谐振频率磁场耦合因子天线设计
      近年来，自动识别方法在服务领域、货物销售、后勤分配、商业、生产企业和材料流通等领域得到了快速的发展，而其中的射频识别技术更是发展迅速，已逐步成为一个独立的跨学科的专业领域，主要包括高频技术、半导体技术、电磁兼容技术、数据安全保密技术、电信和制造技术等。天线作为射频识别系统设计的关键器件直接影响着系统的性能。
    
1  射频识别系统的原理
      射频识别系统（RFID）一般由阅读器（PCD）和应答器（PICC）两部分组成。一台典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及与应答器连接的耦合元件[1]。应答器是射频识别系统真正的数据载体。通常，应答器由耦合元件以及微电子芯片组成。应答器没有自己独立的供电电源，只是在阅读器的响应范围之内，接收来自阅读器的射频电源。应答器工作所需的能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过耦合单元非接触传输而获得的[2]，因此，实现耦合的元件——天线，在本系统中具有关键作用。天线的设计直接关系到系统的通信距离和数据传输的可靠性。下面主要以射频基站芯片U2270B为例，讨论射频识别系统的天线设计。

      在RFID系统中有两个LC电路：由基站线圈和连接电容组成的LRCR电路以及由应答器线圈和连接电容组成的LTCT电路。在单线圈系统中，要求两个LC电路调谐在相同的谐振频率上。如果基站和应答器的谐振频率不匹配，零调制就会产生，从而降低系统的性能。在系统设计成型后，天线的电感是固定的，因此要改变LC电路的谐振频率，只有调节回路中的电容量。
       阅读器基站天线是由电感、电容和电阻组成的串联谐振电路，如图1所示。其特性用谐振频率fo和Q因子表示[3]。fo是RFID系统的工作频率，由天线的电感和电容共同决定，可以由式（1）来计算：

      一般设计采用阅读器工作在单一频率的模式，对U2270B而言，可以取，fo=125kHz。Q因子（QR）与天线的带宽B和谐振频率fo的关系为B=fo／QR。高QR值会得到较高的阅读器天线电压，从而可增加传输到应答器的能量。高QR值的缺点是减小了天线带宽，进而当应答器频率发生偏移时减小了应答器所感应的数据信号电压，从而导致射频卡的解调困难[4]而无法正常工作。耦合因子为阅读器基站的电磁场产生线圈和应答器线圈之间的耦合，耦合因子取决于系统的结构参数，直接影响阅读器与应答器的阅读距离。优化耦合因子将对能量传输通道和信号传输通道有利。为确定耦合因子，可利用Temic公司提供的试验应答线圈（TTC）及电路进行测试。QR的取值范围要控制在5～15，一般取QR=12，可以适合于大多数应用情况的要求。如果天线的电感确定，那么QR因子可以通过式（2）由RR进行调整：
 
2  天线的设计步骤
      进行天线设计，主要是根据实际要求确定天线的机械尺寸、线圈匝数、电感以及等效电路的电容等，从而使天线的工作效率最高。下面介绍天线设计的一般步骤。
      2.1  优化磁场耦合因子
      耦合因子仅仅与线圈排列的机械尺寸（如线圈直径、阅读距离、线圈方位角）和磁场中线圈附近的物质有关，与阅读器天线或应答器天线的电感无关。为了提高耦合因子，应该选择尽量小的传输距离，而且阅读器和应答器的天线轴线要平行。如果阅读距离确定，阅读器天线线圈直径和磁场耦合因子k就可以根据这个特定距离进行优化设计。磁场强度可以由式（3）来计算：

      根据式（3），磁场强度和天线结构有直接关系，而磁场耦合因子k也取决于线圈排列的结构尺寸,所以磁场强度和k也是成比例的。优化耦合因子就是要确定天线效率最高时天线半径和阅读距离的关系。图2是在一定条件下，磁场强度随线圈半径变化的情况。图2的测定条件是：fo=125kHz，LR=737μH，r=5～55mm，d=20 mm。
      从图2中可以看出，如果阅读距离d为常数，当rd时，场强基本按比例减小。由此可以得出：天线线圈的最佳半径为r≈d。
      2.2  确定磁场的耦合因子
      为确定耦合因子，可利用Temic公司提供的试验应答线圈（TTC）及电路进行测试，测试原理如图3所示。TTC可以放在实际应答器的位置上。当阅读器天线在信号发生器的激励下工作时，通过TTC的电压UT就可以被测出。

                        图4是TTC和测量设备相连的等效电路模型。
      Cpara是线圈的内部寄生电容，Ccable和Cprobe是测量设备的电缆电容和负载电容。这些电容对测量电压都会产生影响。为了使测量效果更加准确，这里引入了修正因子Ak，计算公式如下：
                      图5表明阅读距离不同的情况下，测得的耦合因子的结果。
     2．3  如何满足实际的频率容许偏差
      图6是当操作频率固定，阅读器电感为不同值时总的天线容许频偏随着磁场耦合因子k的变化曲线。从图6中可以看出，总体容许频偏随k的增大而增大，随阅读器线圈电感值的增大而减小。值得注意的是，天线电感与流过天线的电流成反比。对U2270B来说，最大天线电流（IRpp）被限制在400mA。如果考虑到阅读器天线线圈的电压，天线的电感LR不能小于413μH。在图6中，纵坐标总的天线容许频偏和横坐标磁场耦合因子对应着一个点，大于413／μH且小于在对应点之上最近曲线所对应的电感的任何电感值都可以被选取。确定了LR后，在工作频率固定的情况下，天线电容可以通过式（6）来计算：

                                 其中fo≈125kHz。
                                 天线线圈的匝数可以通过式（7）来计算：
 
3  天线设计实例
    假如条件如下：
    阅读器线圈的容许频偏为±3％；应答器线圈的容许频偏为±4％；标称阅读距离为20mm。
    第1步：为了使磁场耦合效果最佳，选取阅读器线圈半径为r=20mm。
    第2步：根据图5可以确定耦合因子k=1．2％。
    第3步：计算总的频率容许频偏为±3％与±4％之和±7％，由图6可以看出，只有LR=1．24mH的曲线在点（k=1．2％，±7％）之下，所以LR可以取413μH和850μH之间的任何值。这里取LR=737μH。通过式（7）可以计算线圈的匝数N=97，通过式（6）可以计算出CR=2．2nF。 
   
 结语
    本文主要针对U2270B分析了射频识别系统的天线设计的一般步骤。外界干扰等因素还可能会给设计的过程带来一些特殊的问题。本文只希望能够为射频识别系统研究提供一点启示。
                                                                                          编辑：何世平