1356+MHz+RFID读卡器天线的设计

2009年12月 内蒙古科技大学学报December，2009 箜垄鲞兰塑 121竺!!堕!竺!!坚!竺翌!!!型尘：!!!生堕墅!!翌!!竺璺!!!皇竺!竺型∑型：!!：型2：兰 文章编号：1004—9762(2009)04—0333—04 13．56MHzRFID读卡器天线的设计+ 李宝山1，张慧元1，侯 宇2 (1．内蒙古科技大学信息学院，内蒙古包头014010；2．哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司，河北秦皇岛066206) 关键词：RCS00；RFID；天线；读卡器 中图分类号：TN827 文献标识码：A 摘要：简要介绍了由13．56MHz射频芯片MFRC500设计的RFID读卡器，重点论述该读卡器天线的设计与实现． 经实践，该天线具有良好的性能，使用该天线的阅读器工作稳定． Thedesignof13．56MHzRFIDreaderantenna LIBao．shanl，ZHANGHui．yuanl，HOUYu2 (1．InformationEngineeringSchool，InnerMongoliaUniversityofScience．andTechnology，Baotou014010，Cllina；2．HarbinElectric Corporation(Qinhuangdao)HeavyEquipmentCo．，Ltd，Qinhuangdao066206，China) Keywords：RC500；RHD：antenna；reader Abstract：RHDreaderdesignedby13．56MHzradiofrequencychipsRCS00wagbrieflydescribed．Themainfocuseswereonthede- signandrealizationofthereaderantenna．Theresultshowsthattheantennahaggoodperformance，andthereaderusingthistmtenrm workssteadily． 天线是一种转能器．发射时，它把发射机的高频 电流转化为空问电磁波；接收时，它又把从空间截获 的电磁波转换为高频电流送入接收机．对于设计一 个应用于射频识别系统中的小功率、短距离无线收 发设备，天线设计是其中的重要部分⋯．良好的天 线系统可以使通信距离达到最佳状态．天线的种类 很多，不同的应用需要不同的天线．在小功率、短距 离的RFID系统中，需要一个通信可靠、价格低廉的 天线系统，PCB环型天线是比较常用的一种． 本文主要讨论用于由NXP公司的射频芯片 RC500所设计的渎卡器中使用的天线．由于该芯片 的天线阻抗为70Q，工作于13。56MHz，因此 在设计中，采用PCB环形天线，PCB环形天线是电 小环天线的一种．所谓电小环天线，_般定义为： l／A≤1／2们r，其中，Z为天线的最大几何尺寸；A为工 作波长‘引． 1天线的设计 天线线圈等效电路图如图1所示，其中尺为Tl 与T2之间天线线圈电阻损耗，C为线圈与Tl和乾 之间的电容损耗，L为天线线圈电感． ·收稿日期：2009一01一ll 作者简介：李宗山(1965一)，男，河北唐Ih人，内蒙i譬科技大学副教授． C 图1天线线圈等效电路 Fig．1Theequivalentcircuitofantennacoils 万方数据 334 内蒙古科技大学学报 2009年12月第28卷第4期 将电容c与天线线圈并联或者串联起来组成 LC谐振电路，通过此谐振电路，阅渎器可将能量传 输至射频卡，并与卡进行通信．谐振电路的谐振频率 可调谐至阅读器的工作频率13．56MHz，其值由汤 姆逊公式得出¨J： f=丽1 (1) 从式(1)可以看出，天线的频率跟LC有关．天 线尺寸越大，则线圈的电感己就越大，相对的电容C 就需要变小．一旦天线的电感超过5仙H时，电容C 的匹配就变得困难，设计天线时应考虑天线的线圈 电感值不超过5仙H，并且天线导体的宽度应在0．5 ～1．5mm内． 阅渎器与天线连接方式有二种：一种是直接匹 配的天线，适用于射频模块与天线之间距离较短的 系统；另一种是50Q匹配的天线，适用于射频模块 与天线之间距离较长的系统．本文采用直接匹配的 天线设计方式，天线电路分三部分：射频模块发送端 口滤波和电阻转换电路；射频模块接收端口接收电 路；射频模块发射接收天线及其匹配电路． 1．1：射频模块发送端口滤波和电阻转换电路 阅读器的工作频率由一个13．56MHz的石英 晶体产生，在产生驱动RC500以及驱动天线的能量 载波的基频同时石英晶体也产生高次谐波．由国际 EMC规定可知，为了抑制住13．56MHz中的三次、 五次和高次谐波，设计电路时在射频模块发送端VI 即TXl脚，TX2脚和地TVSS脚之间引入一个低通 滤波器电路4。，该低通滤波器电路如图2所示，其中 电感￡，和￡2均为2．2“H，电容C20，C21均为47pF． TXl 2．2州 Antenna—T)(2 图2低通滤波电路 Fig．2Circuitoflow·passfilter 1．2射频模块接收端口接收电路 RC500内部接受电路是利用射频卡的返回应答 信号在副载波的双边带上都有调制这一概念来工作 的．根据RC500的芯片手册，由RC500芯片内部所 产生的VMID作为接收信号引脚RX的输入偏置． 为了减少干扰，提供一个稳定的参考电压，在VMID 和地TVSS之间连接了一个0．1心电容C¨同时 在RX0和VMID引脚间连接了一个820Q的电阻 尺，作为分压器HJ．图3为接收电路的原理图． 19 l 竺!竺!=坠 56n 15pF 图3接收电路 Fig．3Receivingcircuit 1．3 射频模块发射接收天线及其匹配电路 阅读器的工作距离由三方面要素决定：阅读器 的天线尺寸，天线匹配电路的品质因子Q和阅读器 周围环境的影响．因此，设计天线的时候要充分考虑 这三方面的因素． 1．3．1天线尺寸的设计 阅读器的天线有多种形状，最常见的有两种：环 形天线和矩形天线．本文的阅读器天线采用矩形天 线，这种天线的距其中心垂直距离为x处的磁通量 密度可由式(2)算出： B：——半掣坚竖害—一，(2) 。 2仃×(√}+r)[(√寺)+r] 式中，口为磁通量密度；U0=4儡r×10～H／m，其为磁 场常数；J7v为天线线圈的匝数；，为线圈中电流强度． 磁通量B与距离x成反比，磁场强度随着距离变远 而弱．天线线圈的电感可由阻抗分析仪测量得到．若 没有分析仪，可采用公式估算的方法得到近似的电 万方数据 李宝山等：13．56MHzRFID读卡器天线的设计 335 感值，天线电感的估算公式如下： ， L(，lH)=2×zl×[In(百s,1)一K]×N1’8，(3) 上，l 式中，￡为天线电感估汁值，nH；Z．为一圈天线导线 环的长度，cm；D，为PCB线圈导线的宽度；若线圈为 环形，则K=1．07，若线圈为矩形，则K=1．47；Ⅳ为 线圈匝数．从式(2)和(3)中可看出，增加线圈的匝 数Ⅳ可增大线圈的磁通量密度B，延线线圈的有效 工作距离，而天线线周电感￡与线圈匝数，v的1．8次 方成正比，增加匝数Ⅳ会使线圈的电感L增大，又由 式(1)知，线圈的电感不应超过5“H，所以必须在 线圈能提供足够大的磁通量密度情况下保证线圈匝 数N尽可能的小．综合以上考试，天线线圈匝数采 用3圈． 为了制作出电感较小的天线线圈，采用在PCB 板上用导线绕制成矩形线圈的方式制作天线线圈． 环绕的导线线宽为1mm，矩形长宽分别为72mm× 37mm．PCB设计成2层结构，天线线圈在PCB板的 底层，顶层布有不闭合的屏蔽环，这种布板设计较好 的吸收了天线线圈PCB本身产生的电场，改良了天 线的EMC性能． 1．3．2天线匹配电路的设计 由于天线本身的阻抗并不高，需要一个匹配电 路连接射频模块．天线匹配电路设计的是否合理直 接影响到天线是否能够正常工作．这里分为理论和 实际两部分对天线匹配电路进行讨论． (1)理论设计po 图4为天线的匹配电路，由于电路的对称性，可 将电路简化为图5的电路图． ● L。 ● Lb 图4天线匹配电路 Fig．4Antennamatchingcircuit 图中线圈电阻R=2R酬，线圈电感L=L。+￡b， t=瓦，互=z。=争．根据天线设计手册，线圈电 感L由式(3)估算得：￡一1．3IxF，线圈电阻测得为 R=0．7Q，Z。=Zb=350Q 图5简化的匹配电路 Fig．5Simplematchingcircuit ．匹配电路中的Ch，Clb，C：。，C：。和尺。。都可以 由两种方法得到： ①第一种方法是通过式(4)，(5)，(6)计算得 到． R。．=÷(尺￡一R)， (4) 其中，Rc=芳州=2们rfJ=13．56MHz,Q为品质因 素，在mifare卡应用中，Q=35． C2。=C2b2 ．toL+1 1—7 Za (5) R2+(wL一．导)G。“仆=瓦_南 (6)(cJL，T l 、 “ 百㈨L一石卜i 本设计中由于没有设备对线圈的电感以及电阻 进行准确的测量，只能对其进行估算，所以利用公式 计算的这种方法将产生很大的误差，因此在这种情 况下一般采用这种方法． ②第二种方法是利用官方提供的天线匹配电路 初值进行没计，如1． 表1显示了天线线圈电感值与电容Ch，C。。， C：。，C：。之间的对应关系，表l中的电容值仅为参考 值，最终结果要由天线的调谐确定．本文设计的天线 电感估算值为1．3斗H，故根据表1，匹配电路中CI。 和Clb均为27pF，c2。和c2b均为180pF． 万方数据 336 内蒙古科技大学学报 2009年12月第28卷第4期 表1天线匹配电路参考值 Table1 Referencevalueofantennamatchingcircuit (2)实际设计 在理论设计中，匹配电路中各个电容都使用了 参考值，而在实际的系统当中，由于各种因素的影 响，该匹配电路不一定能取得预想的效果．所以，具 体的电容值还需要由天线的调谐来确定．调试方法 为：在和的两端分别并联一个可调电容，在系统工作 过程中不断调节电容的大小，最终以达到调谐状态 并记下可调电容的值，再加入匹配电路中．通过对整 个系统的调试，最终确定匹配电路中Ch和C¨均为 15pF，c2。和C：。均为150pF．并且得到了较为理想 的效果． (上接第329页) 和分析具有很大的应用优势和价值，同时对实现医 学图像存档与通信系统和远程医疗具有重要意义． 参考文献： [1]全海英，杨源．DICOM数据集与DCM文件[J]． 计算机应用，2001，21(8)：14-146． [2]韩学为，费向东．数字医疗图像的显示技术及实现 [J]．徽型电脑应用，2005，21(2)：4144． [3]王恒，朱玉全，吴徽．D1COM医学图像文件的信息 提取及图像显示的实现[J]．医疗设备信息，2007，22 (9)：1-3． [4]吕晓琪，刘建勋，赵建峰．基于Windows平台的DICOM 2 结束语 基于13．56MHz射频芯片RC500的RFID阅读 器的天线设计，经实践验证，天线的有效读卡距离可 达到30mm，并且具有良好的性能．使用此天线的阅 读器运行稳定，制作成本低廉．对于13．56MHz RFID阅读器的开发具有很好的参考价值和实用意 义． 参考文献： [1]FinkenzellerK．射频识gU(RFID)技术[M]．陈大才．北 京：电子工业出版社，2001． [2]康行健．天线原理与设计[M]．北京：国防工业出版 社，1995． [3]林吕禄．天线工程手册[M]．北京：电子工业出版社， 2002． [4]PhihpsSemiconductors．MifareMFRC500HighlyInte- 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