远距离RFID阅读器天线设计

引言

　　RFID(Radio Frequency Identification)，中文称为无线射频身份识别是一种非接触式IC卡技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。RFID技术具有很多突出的优点：防水、防磁、耐高温、无机械磨损、寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等。通常情况下，RFID阅读器发送的频率称为RFID系统的工作频率或载波频率。RFID载波频率基本上有3个范围：低频(30kHz～300kHz)、高频(3MHz～30MHz)和超高频(300MHz～3GHz)。常见的工作频率有低频125kHz与134.2kHz、高频13.56MHz、超高频433MHz、860MHz～930MHz、2.45GHz等。

　　一个完整的RFID系统由阅读器(Reader)、标签(Tag)和应用程序三部分组成。其工作原理为：由Reader发射一个特定频率的无线电波，将能量传送给Tag，激活Tag内部电路，然后Tag将其IDCode发送出去，此信号被Reader接收后解码，再发送给应用程序做进一步处理应用。

　　一般来说，工作频率为13.56MHz的射频标签被称为高频段标签，但是其识别原理同低频类似，即采用电磁耦合的方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得能量，标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。阅读距离一般情况下小于1m。

天线设计

　　在天线的设计时，主要考虑两方面，一是设计尺寸合适的天线，二是搭建天线与阅读器的匹配电路。

天线尺寸

　　天线线圈是一个谐振电路，在特定频率上，当感应阻抗(XL)等于电容阻抗(XC)时，天线会产生谐振，它们之间的关系如下式所示：

　　增加线圈尺寸必然带来电感值的增大，就需要一个比较小的电容。当电感值超过5μH，电容的匹配就会有问题，所以我们使用低阻抗的铜管来制作天线，尺寸为50cm×50cm，铜管直径15mm，其电感值为L=2.2μH。

　　天线的作用有两个，一个是建立稳定的激励磁场，另一个是接受来自标签的调制信号。标签要在距天线一定距离的地方获得稳定的工作电源，就必须和天线有较大的互感系数，同时天线的磁通也要尽可能的大。天线要在与标签保持一定距离的地方获得较强的调制信号，就必须有合适的品质因数。

　　品质因数(Q)
　　天线的性能与它的品质因数有关。一般来说，Q值越高，天线的输出能量越高，不过，Q值太高，容易干扰读取器的带通特性，而且无法遵从协议标准。一般来说，Q值取20比较适当。

　　当品质因数Q=20时，系统带通特性较好，带宽也比较大。一般情况下，大多数系统的最佳品质因数为10～30，最大不能超过60。

　　天线的品质因数可以通过频谱分析仪来进行测量，将频谱分析仪的刻度调节为1dB/div，调节频率直到信号的最大振幅都能完全显示在屏幕上，通过降低和升高频率，可以在屏幕上找到上下-3dB的点，并记录其频率。然后通过下面的公式来计算：

　　天线的带宽计算公式为

　
匹配电路
　　为了增加天线所产生的磁场强度，需要增大天线线圈中的电流。本系统采用变压器匹配的方法增大电流。如图1所示。

图1　匹配电路

　　其中，不平衡变压器可以平衡负载，使天线线圈中的电流不干扰接收电路的信号。匹配电压器用来放大天线线圈中的电流。根据变压器的原理，N1/N2=I2/I1，其N1/N2为变压器两个绕组的匝数比，通过控制匝数比，可以相应的增加天线线圈中的电流。实际电路中的匝数比可以通过下式来计算：

　　式中，Rin为输入电阻，Rpar为匹配电阻，L为电感。

　　为了使天线在13.56MHz频段上达到谐振，即满足公式(1)，应当选取适当的电容Cpar，

　　在实际设计过程中，我们使用了一个10～80pF的可调云母电容和一个0.8 ～10pF的气隙可调电容并联，通过改变可调电容的值来达到电路的谐振。

卷标天线
为了增强读取器与卷标之间的互感，可以增大卷标上的天线。由于卡片尺寸的限制，本系统卷标天线的尺寸为3cm×3cm，使用细铜丝绕制。

结束语

　　本系统经过实际使用表明，天线有效距离增大，单个天线的有效读卡距离达到60cm，当两个天线并联使用时，最大有效距离可以达到120cm，极大的提高了系统的使用价值。