13.56 MHz RFID读卡器天线的设计

2009 年 12 月 第 28 卷 4 期 内蒙古科技大学学报 Journal of Inner Mongolia University of Science and Technology 文章编号: 1004 - 9762 (2009) 04 - 0333 一 04 13.56 MHz RFID 读卡器天线的设计* 李宝山张慧元侯宁2 December ,2009 Vo1.28 , No .4 (1.内蒙古科技大学信息工程学院，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: RC500 ; 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 13.56 MHz 射频日片 MFRC500 设计的 RFID 读卡器，重点论述该读卡器天线的设计与实现. 经实践证明，t;五天线臭南良好的性能，使用该天线的阅读器工作稳足. The design of 13.56 MHz RFID reader antenna LI Bao-shan1 ,ZHANG Hui-yuan 1 ,HOU Yu2 ( 1. Information Engineering School , Inner Mongolia University of SciencC' and Technology , Baotou 014010 , China; 2. Harbin Electric Corporation (Qinhuangdao) Heavy Equipment Co. ， L时， Qinhuangdao 066206 ,China) Key words: RC500 ; RFID ; antenna; reader Abstract: RFID reader designed by 13.56 MHz radio frequency chips RC500 was briefly described. The main focuses were on the de- sign and realization of the reader antenna. The result shows that the antenna has good performance , and the reader using this antenna works steadily. 天线是一种转能器.发射时，它把发射机的高频 电流转化为空间电磁波;接收时，它又把从空间截获 的电磁波转换为高频电流送人接收机.对于设计一 个应用于射频识别系统中的小功率、短距离元线收 发设备，天线设计是其中的重要部分[1] 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 所设计的读卡器中使用的天线.由于该芯片 要求的天线阻抗为 70 n ，工作于 13.56 MHz ，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，一般定义为: 1/λ 运 1/2 7T ， 其中 ， 1 为天线的最大几何尺寸 ;λ 为工 作波长[2] * 收稿日期 :2009 - 01 一 11 1 天线的设计 天线线圈等效电路图如图 l 所示，其中 R 为Tl 与T2之间天线线圈电阻损耗， C 为线圈与Tl和T2 之间的电容损耗 ， L 为天线线圈电感. TXl TX2 图 l 天线线圈等效电路 Fig. 1 The equivalent circuit of antenna coils 作者简介:卒"iULI (I 965 - ) ，刃，河北WIII人，内结 jli.t"1 技大学副教授 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，阅读器可将能量传 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 13.56 MHz ，其值由汤 姆逊公式得出[ 3] f= 一」工二(1) 27T' "JLC 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 L 就越大，相对的电容 C 就需要变小.一旦天线的电感超过 5μH 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5μH，并且天线导体的宽度应在 O. 5 - 1. 5 mm 内. 阅读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 50 n 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 射顿中莫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 13.56 MHz 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 13.56 MHz 中的三次、 R7 飞，'1但D RXO 五次和高次谐波，设计电路时在射频模块发送端口 即 TXl 脚， TX2 脚和地 TVSS 脚之间引人一个低通 滤波器电路旧，该低通滤波器电路如图 2 所示，其中 电感 L ， 和 L2 均为 2.2μH ，电容 C20 ， C2 ， 均为 47 pF. TXl L1 Antenna TXl I 了J 2.2 flH Ant巳nna TX2 图 2 低通滤波电路 Fig. 2 Circuit of low-pass filter 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 0.1μF 电容 C'8 ， 同时 在 RXO 和 VMID 引脚间连接了一个 820 n 的电阻 R7 作为分压器[4J 图 3 为接收电路的原理图. QJ C Antelma RX 15 pF 当币。 图 3 接收电路 Fig. 3 Receiving circuit 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: hx N x 1 xα2 B = 厅厅， (2) 27T' X (^v亏+ X2 ) [ (^v亏) + X2 ] 式中 ，B 为磁通量密度 ;UO = 47T' X 10-7 H/m ，其为磁 场常数 ;N 为天线线圈的臣数 ;1 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 李宝山等: 13.56 MHz RFID 读卡器天线的设计 感值，天线电感的估算公式如下: L(nH)=2 × II × [ln(i)-K] × NlB , (3) L ..., D 1 / 式中 ， L 为天线电感估计值 ， nH;ll 为一圈天线导线 环的长度 ， cm;D1 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;N为 线国臣数.从式(2) 和 (3) 中可看出，增加线圈的臣 数 N 可增大线圈的磁通量密度 B ， 延线线固的有效 工作距离，而天线线圈电感L与线圈臣数N的1. 8 次 方成正比，增加臣数 N会使线圈的电感 L增大，又由 式(1)知，线围的电感不应超过 5μH ，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臣 数 N 尽可能的小.综合以上考试，天线线圈臣数采 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 1 mm，矩形长宽分别为 72 mm x 37 mm. 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，5] 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. ←-u-王-c:::::s---c= Cb l lZN RCOIl 'lfd h .-一......... 335 La=Ll ，Z=Zl=Z旦.根据天线设计手册，线圈电2 感 L 由式(3) 估算得 :L = 1. 3μF，线圈电阻测得为 R = 0.7 O ,Za = Z J, = 3500 •• R"t Rcoll G 图 5 简化的E配电路 Fig. 5 Simple matching circuit .匹配电路中的 C1a ， CII" C2a ， C2b 和 ReXl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-xi =÷(RLj) , (4) 其中 ， RL 亏，ω = 27Tf ,f = 13.56 MHz , Q为品质因 素，在 mifare 卡应用中 ， Q = 35. C2a C21. ωL ,? R2 + 川2L2 川 Lω I ( 一一)"一一一」亏一+一旦一 laII a R Za - Za - Z. R2 + (ωL 一一ι) (5) C1a C 11.唱 ω\...2 1". (6) 坐(ωL -~一)-E C2ωC2 ' C 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 初值进行设计，如1. 表 l 显示了天线线圈电感值与电容 C1a ， C II" 图 4 天线匹配电路 C2a ， C21.之间的对应关系，表 1 中的电容值仅为参考 Fig.4 Antenna matching circuit 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. 3μH，故根据表 1 ，匹配电路中 C1a 图中线圈电阻R = 2R""il' 线圈电感L 二 La + L1.' 和 C 1 1.均为 27 pF , C2a 和 C21，均为 180 pF. 336 内蒙古科技大学学报 2009 年 12 月 第 28 卷第 4 期 表 1 天线E配电路参考值 Table 1 Reference value of antenna matching circuit 天线线圈电 C1a CII, C2a C2I, 感量/μH /pF /pF /pF /pF 1. 0 27 27 220 270 1. 1 27 27 180 11 22 220 1. 2 27 27 180 180 11 22 1. 3 27 27 180 180 1. 4 27 27 150 180 (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，再加人匹配电路中.通过对整 个系统的调试，最终确定匹配电路中 Cla 和 C1b 均为 15 pF , C2a 和 C2b 均为 150 pF. 并且得到了较为理想 的效果. 2 结束语 基于 13.56 MHz 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 30 mm，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 13.56 MHz 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 J Finkenzeller K. 射频识到(RFID)技术[M]. 陈大才.北 京:电子工山出版社，200 1. 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