基于基于U2270B的射频识别系统天线设计的射频识别系统天线设计
天线作为射频识别系统设计的关键器件,直接影响着系统的性能。U2270B是一种典型的发射频率为125 kHz的
非接触性IC卡射频基站芯片。文章在介绍射频识别系统基本原理的基础上,说明天线设计的重要性;重点阐述
U2270B基站芯片天线设计的关键部分和具体步骤,并通过实例作进一步说明。
近年来,自动识别方法在服务领域、货物销售、后勤分配、商业、生产企业和材料流通等领域得到了快速的发展,而其中
的射频识别技术更是发展迅速,已逐步成为一个独立的跨学科的专业领域,主要包括高频技术、半导体技术、电磁兼容技术、
数据安全保密技术、电信和制造技术等。天线作为射频识别系统设计的关键器件直接影响着系统的性能。
1射频识别系统的原理射频识别系统的原理
射频识别系统(
在RFID系统中有两个LC电路:由基站线圈和连接电容组成的LRCR电路以及由应答器线圈和连接电容组成的LTCT电路。
在单线圈系统中,要求两个LC 电路调谐在相同的谐振频率上。如果基站和应答器的谐振频率不匹配,零调制就会产生,从
而降低系统的性能。在系统设计成型后,天线的电感是固定的,因此要改变LC电路的谐振频率,只有调节回路中的电容量。
阅读器基站天线是由电感、电容和电阻组成的串联谐振电路,如图1所示。其特性用谐振频率fo和Q因子表示[3]。fo是RFID
系统的工作频率,由天线的电感和电容共同决定,可以由式(1)来计算:
一般设计采用阅读器工作在单一频率的模式,对U2270B而言,可以取,fo=125 kHz。Q因子(QR)与天线的带宽B和谐振频
率fo的关系为B=fo/QR。高QR值会得到较高的阅读器天线电压,从而可增加传输到应答器的能量。高 QR值的缺点是减小了
天线带宽,进而当应答器频率发生偏移时减小了应答器所感应的数据信号电压,从而导致射频卡的解调困难[4]而无法正常工
作。耦合因子为阅读器基站的电磁场产生线圈和应答器线圈之间的耦合,耦合因子取决于系统的结构参数,直接影响阅读器与
应答器的阅读距离。优化耦合因子将对能量传输通道和信号传输通道有利。为确定耦合因子,可利用Temic公司提供的试验应
答线圈(TTC)及电路进行测试。QR的取值范围要控制在5~15,一般取QR= 12,可以适合于大多数应用情况的要求。如果天
线的电感确定,那么QR因子可以通过式(2)由RR进行调整:
2 天线的设计步骤天线的设计步骤
进行天线设计,主要是根据实际要求确定天线的机械尺寸、线圈匝数、电感以及等效电路的电容等,从而使天线的工作效
率最高。下面介绍天线设计的一般步骤。
2.1优化磁场耦合因子优化磁场耦合因子
耦合因子仅仅与线圈排列的机械尺寸(如线圈直径、阅读距离、线圈方位角)和磁场中线圈附近的物质有关,与阅读器天线或
应答器天线的电感无关。为了提高耦合因子,应该选择尽量小的传输距离,而且阅读器和应答器的天线轴线要平行。如果阅读
距离确定,阅读器天线线圈直径和磁场耦合因子k就可以根据这个特定距离进行优化设计。磁场强度可以由式(3)来计算: