RFID系统中的PCB环型天线设计

引 言

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。

所设计的RFID阅读器使用的射频芯片是RI-R6C-001A。由于该芯片要求的天线阻抗为50 Ω，工作于13，56 MHz，因此在设计中，采用PCB环型天线。PCB环型天线是电小环天线的一种。

1 PCB环型天线的设计

天线主要是基于TI公司的ASIC设计的，用于200mW的低功率阅读器，适合于所选的射频芯片。图1是制作的PCB环型天线。

图2显示了该矩形环型天线的几何尺寸。图中将要在计算中用到的物理参数有以下4个：A1，环型天线宽度(m);A2，环型天线长度(m);B1，环型导体厚度(m);B2，环型导体宽度(m)。

对于PCB环型天线，导线厚度B1就是TOP层上铜走线的厚度。在计算天线的参数时，矩形天线可以简化为一个正方形等效电路模型，而二维平面的环型导体可以等效为圆形截面的导线。由图2可知，正方形等效电路的边长为：。这个等效边长在以后的环面积、感应系数的计算中都要用到。

环型导体等效导线截面圆半径B由下式给出：

在静电学上，等效圆导线半径表示该半径下的圆导线所具有的电容与截面是非圆形导体所具有的电容相等。

下面分析环型天线的等效电路。

环型天线激励点的电压和电流通过环的输入阻抗联系起来，即V=ZI0。为了评估用于天线谐振的电容Z′IN，环型天线的输入阻抗必须确定;同样，为了评估天线效率和辐射阻抗，环型导体内的欧姆损耗和其他欧姆损耗也必须确定下来。在发射模式下，环型天线输入阻抗的等效电路如图3所示。

环型天线输入阻抗ZIN可由下式给出：

式中：RR为辐射电阻;RL为环型导体损耗电阻;RX为额外欧姆损耗电阻;LA为环型天线电感;L1为环型导体电感。

辐射电阻为：

　　上面式中：为谐振频率，RR单位为Ω。

环型导体损耗电阻为：

式中：l为金属环形导体长度，p为环形导体交叉部分的周长，RS为导体表面电阻，μ0为4π×10-7H/m;Σ为导体电导率;R1单位为Ω。

额外欧姆损耗电阻主要来自电容CP上的等效串联电阻：

式中：RX的单位为Ω。

匹配将天线线圈直接连接到功率输出级，或通过同轴电缆馈送到天线线圈。图7为采用50Ω技术的电感耦合式射频识别系统的电路图。天线线圈L1在射频识别系统的工作频率范围内表现为阻抗ZL。为了实现与50Ω系统的功率匹配，必须通过无源的匹配电路将此阻抗转换为50 n，然后通过同轴电缆即可几乎无损失且无辐射地将此功率从阅读器末级传送到匹配电路。

结语

经过调试，所设计的 PCB 环型灭线已经可用于所设计的基于RI—R6c—001A射频芯片和PICl6F874控制器的阅读器，对研究 RFID 技术具有一定的参考价值。