13.56MHz RFID 阅读器直接匹配天线的设计

2016-12-09 by:CAE仿真在线来源:互联网

1引言

近年来,射频识别(RFID)技术取得了广泛的商业应用,特别是我国政府于2009年开始出台相关政策,提出要大力发展物联网技术与产业,而物联网的核心技术之一即为RFID。在RFID系统中,天线作为能量的转换器,在发送和接收信息的过程中实现了电磁能量的相互转换。因此,天线的性能好坏直接影响整个系统的性能。

本文设计的天线基于NXP公司的RC52X射频芯片,工作频率为13.56MHz,射频芯片通过匹配电路驱动天线工作。该天线尺寸只有普通RFID阅读器天线的30%~50%。通过安捷伦(Agilent)公司的ADS软件对天线及匹配电路进行仿真优化,天线S11小于-30dB,实现了很好的匹配。实测表明,该天线的读卡距离达到35mm。

2天线设计

13.56MHz的工作频率位于高频频段,其工作原理属于磁场耦合方式,通信距离较近(远小于其工作波长)[1]。天线根据具体使用环境一般设计成矩形、圆形等[2-4]。

对于矩形天线,其关键几何参数有如下6个:天线线圈外围长度A;外围宽度B;导体宽度W;导体厚度t;线圈间距S与线圈圈数N,如图1所示。这些参数对天线主要电参数电感值L有如下影响:增加天线的尺寸(长×宽),则电感增大;增加导体宽度W,则电感减小;增加线圈圈数N,则电感增大。常用天线的电感L一般小于5µH,否则阻抗匹配较难实现。综合以上因素以及电路加工工艺要求,本文设计的矩形天线的几何参数为:A=30mm,B=20mm,W=0.5mm,S=0.5mm,N=6,导体厚度t根据常用加工工艺取为0.035 mm。

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图1 天线的几何尺寸

天线基板采用的是柔性线路板(FPC),厚度为普通PCB硬板的十几分之一,重量也比硬板轻很多。天线的外围尺寸只有普通阅读器天线的1/2~1/3,甚至更小,为阅读器节省了空间。由于FPC板材可自由弯曲、折叠、卷绕,而轻微的弯曲基本不会影响天线的性能,所以也为天线在阅读器中的空间布局提供了很大的便利。图2为加工制作的天线实物图。

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图2 天线实物图

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图3 天线的等效电路

3 天线等效及匹配电路

3.1 天线的等效电路

天线自身可等效为图3所示的RLC电路。其中Rcoil为天线的等效电阻,L为天线电感,Ccoil为使用接地屏蔽层时,天线线圈与地之间的电容,而对于本文设计的天线,由于柔性电路板厚度很小,使用接地屏蔽将会导致天线自谐振频率很低,甚至小于天线工作频率13.56MHz,导致很难进行阻抗匹配,所以本文天线未使用接地层,此时Ccoil为天线上下层导带交叠引起的等效电容。

3.2 天线匹配电路

阅读器与天线之间可采用直接匹配电路连接,也可采用50Ω同轴电缆连接,前者适用于射频模块与天线间距离较小的系统,后者适用于射频模块与天线间距离较远的系统。实际应用中,天线一般置于阅读器内部,与射频模块之间的距离一般较小,所以直接匹配电路的连接方式取得了广泛的应用,本文设计的天线与阅读器之间即采用直接匹配电路相连。

RC52X射频芯片发送端口要求的阻抗为40~50Ω[5],要想实现天线的正常工作,需要在天线与芯片发送端口之间加阻抗变换电路,实现天线与射频芯片端口的阻抗匹配。为消除高次谐波对其它电路的影响,在阻抗匹配电路中增加低通滤波环节[6],整体电路如图4所示。

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图4 天线匹配电路

图中TX1、TX2为射频芯片发送端,两个发送端输出等幅反相的差分信号来驱动天线工作。TVSS为接地端,L0、C0构成低通滤波电路,Cs为串联电容,Cp为并联电容,Rext为外接可调电阻,用来调整电路的品质因数Q,由于:

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式中的品质因数Q,根据ISO14443对数据调制方式的规定,可计算得到Q≤40.68,实际应用中一般取10~40,天线电感L与电阻Rcoil可通过相关经验公式计算求得,或者通过电磁场全波仿真软件获得,如ADS momentum或Q3D,亦可使用阻抗分析仪或者矢量网络分析仪测量得到。

4结果和分析

使用ADS的原理图与momentum版图对天线及匹配电路进行联合仿真优化。电路模型如图5。

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图5 ADS优化电路模型

通过优化调整,确定匹配电路各元件的具体参数如表1所示。表中的元件值除Cp需用两个电容并联实现外,其余元件均为具有标称值的单个元件。

按表1中元件参数进行阻抗匹配后,仿真得到天线的输入阻抗及S11分别如图6及图7所示。由图6可以看出,经过阻抗匹配后的天线,在工作频率处,输入阻抗的实部为48Ω,虚部接近为0,满足射频芯片模块的端口阻抗要求;由图7可以看出,工作频段内,S11低于-30dB,反射很小,说明天线实现了良好的匹配。

表1 匹配电路参数表

元件名	参数值
L0	1µH
C0	120pF
串联电容Cs	22pF
并联电容Cp	190pF
外接电阻Rext	2.2Ω

按照上述优化后的元件参数实际制作的匹配电路分别与天线及阅读器连接,经实际测量,天线的有效读卡距离为35mm。阅读器工作正常、稳定。

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图6 阻抗匹配后的天线输入阻抗Z

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图7 阻抗匹配后天线的S11

5结论

本文设计的RFID阅读器天线,基于FPC软板印制,天线尺寸只有普通阅读器天线的30%~50%,为阅读器节省了空间,减轻了重量,也为天线在阅读器中的空间布局提供了很大的便利。仿真结果表明,S11低于-30dB,天线实现了很好的匹配。经实际测量验证,天线的读卡距离达到35mm。该天线在小型便携式RFID阅读器中具有广阔的应用前景。

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