13.56 MHz RFID讀寫器天線的設計與仿真

戴彩艷，蔡堅勇，陳銀燕，朱 雨，林李金，黃永亮，晏 嫚

(福建師范大學光電與信息工程學院，福建福州350007)

0 引言

射頻識別(RFID)技術是一項利用射頻信號進行非接觸式雙向通信，自動識別目標對象并獲取相關數據的無線通信技術。在眾多中自動識別技術中，它具有精度高、適應環境能力強、閱讀速度快、抗干擾能力強、便于應用等優點，實現了非接觸式操作，無機械磨損，壽命長，支持讀/寫數據，可重復使用，使用了防沖撞技術，能同時識別多個高速運動物體。目前，RFID技術在國內外發展非常迅速，在物流、倉儲、零售、制造業、軍事、交通、電力、食品和環境等行業已經有了廣泛應用，其實現的主要功能有身份識別、物品防偽、資產管理、人員定位、圖書、檔案管理和汽車防盜等，其應用前景十分可觀。

RFID天線系統包括讀寫器天線和標簽天線。基于13.56 MHz的被動式RFID系統，電子標簽與讀寫器采用電感耦合方式進行能量傳遞與通信。讀寫器的天線線圈產生高頻強電磁場，磁場穿過線圈的橫截面和線圈周圍空間，使得靠近讀寫器天線線圈的標簽天線在交變磁場中產生感應電壓。工作于13.56 MHz的RFID天線系統采用變壓器原理，遵循法拉第電磁感應定律，天線線圈在功能上等效于電感，其實際電感值取決于天線的結構、導線的厚度、線圈之間的距離、天線的尺寸以及天線繞制的圈數等。下面基于射頻芯片MF RC500，對13.56 MHz RFID讀寫器的天線設計的方法進行了探究。

1 天線結構的選擇與等效電路

高頻RFID讀寫器天線可以采用空心電感線圈或者鐵氧體磁芯線圈，也可由印刷PCB板或其他介質基材的導電線路構成［1］，常見的天線線圈形式有短圓柱形、環形、方形和矩形。對工作于高頻(13.56 MHz)的RFID系統，由于其電磁波的波長遠大于識別距離，讀寫器和應答器之間可等效為變壓器耦合方式，采用電流分布基本一致的小型環形或方形天線為其最佳選擇［2］，這里選用方形形狀的線圈。

讀寫器的天線線圈可以用圖1的等效電路表示。

圖1 天線線圈等效電路

線圈的電感為Lant，Rant為線圈的電阻損耗，Cant為線圈之間和連接器之間的電容損耗。將Cant電容與天線線圈并聯或者串聯起來組成LC諧振電路，通過此諧振電路，讀寫器可將能量傳輸至射頻卡，并與卡進行通信，諧振電路的諧振頻率可調諧到讀寫器的工作頻率13.56 MHZ，其值由湯姆遜公式［4］得出:

圖2 電容與電感關系曲線

2 天線的設計

2.1 天線最佳尺寸設計的理論依據

安培定理指出，當電流流過一個導體時，在此導體的周圍產生磁場，磁場的磁感應強度與流經導體的電流i1成正比，與距導體的距離成反比。根據畢奧—薩伐爾定律得，距環形或方形線圈中心垂直距離為x處的點的磁感應強度Bz的大小［3］為:

式中，i1為電流;N1為線圈匝數;a為線圈邊長;x為離線圈中心的垂直距離;μ0為真空磁導率。當x＜＜a時，由式(2)可知，在x＜＜a范圍內磁感應強度幾乎不變。當x=0時，公式簡化為:

當x＞＞a時，式(2)可化為:

式(4)表明，當x＞＞a時，磁感應強度的衰減和距離x的3次方成正比。由上可知，從線圈中心到一定距離的磁場強度幾乎不變，而后急劇下降。這就意味著:對于每種RFID系統的可識別距離都對應有一個最佳的天線邊長a。最佳天線線圈邊長a求解如下［4］，假定天線線圈中電流不變，設 x為常數，式(2)可改寫為:

式中，k=μ0i1N1/2為常數。令式(5)兩端同時對a求導，并令dBz/da=0，可解得Bz具有極大值時的條件，即a=，此時可獲得最大磁場強度。由此可知，讀寫器天線的最佳邊長值等于最大期望閱讀作用距離的倍。

2.2 天線電感值與Q值的計算

天線線圈的電感一般采用阻抗分析儀測量得到，在條件不允許的情況下，也可由公式估算。環形和方形天線電感值可由如下公式估算［5］:

式中，l1為一圈(匝)導線環的長度(cm);D1為線圈導線的寬度(mm);K=1.07(環形天線)/1.47(方形天線);N為線圈的匝數;ln為自然對數函數。由式(6)可知，天線線圈電感L與線圈匝數N的1.8次方成正比，增加匝數N會使得線圈的電感L增大，而根據式(1)可知，線圈的電感過大，將導致匹配電容難以取感值為 1.6 μH，一圈導線環的長度 l1=16 cm、線圈形式為方形(K為1.47)，可根據式(1)和式(6)求出線圈匝數與與線寬的變化關系如圖3所示，其中，線寬一般取值為0.5 ～1.5 mm。

品質因子QL值表示電感線圈的損耗性能，QL值越高，天線的輸出能量越高，然而太高的QL值會干擾讀寫器的帶通特性。天線的品質因子由下面的公式定義［6］:

式中，wR=2πfR，fR為諧振頻率;Rant為天線等效電阻;Lant為天線的等效電感。一般RFID系統的品質因子在 10 ～30 取值，最大不要超過 60［2，7］，以保證足夠的帶寬，使得讀寫器無失真地傳送用于數據調制的副載波信號［8］。在實際測量天線線圈的電感量和品質因子時，以頻帶寬、精度高的阻抗分析儀為最佳測量儀器。

圖3 電感值為1.6 μH時線寬與匝數的關系

3 建模與結果分析

根據上述的天線設計方法，采用業界公認的三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS進行建模仿真以驗證方法的可行性。為更好地模擬實際印刷電路板制作天線，天線的基板選用具有較高機械性能和介電性能的玻璃布基板FR－4，基板厚度為1 mm，電感線圈的厚度設為0.035 mm，電感材質選用導電性能良好的銅箔，以減少天線線圈的電阻損耗，若選定線寬為0.8 mm，由圖3可知，電感匝數為約為4匝。考慮到實際制作天線時線間距越小，加工精度要求越高，加工成本也越高，所以設線間距為0.3 mm。根據需要，要使得x=30 mm，根據Bz取得極大值時的條件，即a=，L約為42 mm，即取方形面積為42 mm×42 mm，模型中采用單端集總端口激勵，將上述參數值代入式(6)可算出天線線圈電感值為1 579.63 nH，約為 1.58 μH。據此，用 HFSS 軟件建立PCB平面方形結構螺旋式電感的模型，設置中心頻率為13.56 MHz，采用快速掃描方式，掃描范圍為11～15 MHz，輸入功率設為1 W。利用HFSS自帶分析工具進行分析后，可得到電感值在這個頻段內隨頻率變化的關系，仿真結果如圖4所示。由圖4可知，在頻率為 13.56 MHz時，電感值約為1.55 μH，與理論計算值相差 0.03 μH。考慮到天線的寄生電容，本次設計在天線線圈末端加開路的補償線圈，避免產生地電流而降低天線線圈的磁場強度［1］。

圖5和圖6分別是加補償線圈前和加補償線圈后的磁場強度標量圖。圖中，白色區域表示磁場覆蓋區，白色區越大表示磁場覆蓋區越廣，白色塊越集中表示磁場強度越大。

圖4 電感隨頻率變化關系曲線

圖5 無補償線圈時的磁場強度標量

圖6 有補償線圈時的磁場強度標量

比較圖5和圖6可知，加補償線圈后電感線圈表面的磁場強度有所加強。原因分析:電感線圈存在寄生電容，在末端加上開路線圈后，開環的感應電流與電感線圈里寄生電容的電流大小幾乎相等，但方向相反，這樣就抵消了電感線圈的寄生電容所產生的電流，相當于避免地電流的產生，減小了電感線圈的功率損耗，從而相對提高了電感的磁場強度。

4 結束語

根據13.56 MHz RFID系統的工作原理，探討了RFID讀寫器天線的設計方法，并模擬實際制作PCB平面電感的方法，采用業界公認的三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS建立一個方形結構螺旋式的平面電感模型，仿真所得的電感值與理論計算值相差0.03 μH。此外，仿真所得的電感磁場標量圖表明，在電感線圈末端加開路的補償線圈有利于增強天線磁場強度。對13.56 MHz RFID讀寫器天線的最佳尺寸設計方法所進行的探索，對實際制作PCB平面RFID讀寫器天線具有較好的參考價值。

［1］劉 英，龔書喜.移動通信系統中的天線［M］.北京:電子工業出版社，2011:252－254.

［2］李寶山.無源高頻RFID系統讀寫器天線的設計［J］.無線電工程，2008，38(5):35－38.

［3］LEE Y.Antenna Circuit Design.AN710-Application Notemicro ID 13.56 MHz-RFID System Designguide［M］.Microchip，2004:93－139.

［4］單承贛，單玉峰，姚 磊，等.射頻識別(RFID)原理與應用［M］.北京:電子工業出版社，2008:32－34.

［5］黃 冕，羅志祥.基于13.56 MHz RFID閱讀器的天線設計與實現［J］.計算機與數字工程，2007，35(7):151－153.

［6］CHENG Da，WANG Zhong，ZHOU Quan.Analysis of Distance of RFID System Working Under 13.56 MHz［C］∥ IEEE Wireless Communications，Networking and Mobile Computing，2008:219－230.

［7］鄭 潔，徐 晶.RFID讀寫器天線的研究與設計［J］.微計算機信息(嵌入式與 SOC)，2007，23(8－2):228－229.

［8］朱 軼，王 剛，王洪金.13.56 MHz RFID閱讀器天線的設計［J］.微波學報，2008，24(5):22－26.