用于智能鑰匙柜的RFID 天線設計與實現*

張 巖王宗省孫勝凱劉 悅

(1.山東科技大學海洋科學與工程學院，山東青島 266590；2.中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東青島 266555)

智能鑰匙柜是在一些重要機關和場所對大量鑰匙集中安全管理的設施，能夠詳細記錄鑰匙使用情況，能夠對不同鑰匙使用人進行單獨授權，具有安全、方便、智能、管理功能強大的特點。傳統的鑰匙柜是每個鑰匙栓孔位安裝有一個射頻識別芯片及天線來對鑰匙栓中的RFID 標簽進行讀取，一般都較笨重且造價昂貴。研究了一種可通過射頻開關切換的PCB 天線來實現使用一個射頻識別芯片實現智能鑰匙柜中12 個鑰匙栓位的讀取，降低了鑰匙柜的重量和生產成本，電路硬件的精簡也提高了系統的可靠性。

主要講述13.56 MHz 射頻識別天線的工作機理及設計仿真實現方法，使其能夠在射頻開關的切換下準確識別指定鑰匙栓位上的射頻標簽且不被相鄰鑰匙栓位上的天線所識別。

1 智能鑰匙柜方案設計

為了實現智能鑰匙柜結構的簡單、低成本、高可靠性，采用單個RFID 讀寫芯片TRF7970A，通過使用單刀十二擲開關SKY13412 切換12 個PCB 射頻天線掃描的方式來實現對鑰匙栓的讀取，相鄰的鑰匙栓位中心距離為45 mm。

智能鑰匙柜的工作流程是當栓有指定鑰匙的鑰匙栓觸發鑰匙栓位上的微觸開關時，讀取該鑰匙栓中射頻標簽的信息，將信息保存到服務器。取鑰匙時，根據服務器信息打開指定鑰匙栓位上的電磁鐵及LED 指示燈。

鑰匙栓位的三維圖如圖1 所示，采用一個推拉式電磁鐵來實現鑰匙栓的鎖住與開啟狀態，采用一個微觸開關來實現對鑰匙栓插入鑰匙栓位的檢測，采用2 個LED 燈來指示鑰匙栓位的狀態。

圖1 鑰匙栓位三維圖

LED 燈、微觸開關、推拉式電磁鐵都為金屬材料，會對天線性能產生一定的影響[1]，系統要求鑰匙栓插入鑰匙栓位觸發微觸開關后能夠被準確識別，且不能被相鄰的鑰匙位識別。這就需要對天線進行特定的設計，以實現準確可靠識別[2]。

2 天線設計

2.1 天線結構選擇

鑰匙栓中標簽的天線為鐵氧磁體芯線圈，該智能鑰匙柜系統是工作頻率為13.56 MHz 的RFID 系統。由于其電磁波的波長遠大于識別通信距離，識別天線不是傳統意義上的天線，其與鑰匙栓標簽天線之間可視為變壓器耦合。所以，選擇電流分布基本一致的平面螺旋電感PCB 天線[3]。

平面螺旋電感天線由于其寄生電容、電阻很小，幾乎可以忽略不計，所以常等效為一個電感L。平面螺旋電感天線在使用時常與電容C并聯或串聯組成LC諧振電路。在諧振頻率時，識別天線可將電磁能量傳遞到鑰匙栓中射頻標簽的天線上。諧振頻率可通過式(1)計算出。

由式(1)可知當平面螺旋電感的電感值如果超過5 μH，電容C取值將會很小，這將導致匹配電容很難實現[4]，所以電感的取值常在0.8 μH～1.8 μH。

2.2 天線尺寸的確定

奧斯特實驗證明了通電直導線周圍存在磁場。由Biot-Savart 定律可知，通電導體產生的磁感應強度Bz與流經導體的電流i1成正比，與距離導體的距離的平方成反比。垂直于平面螺旋電感距其中心x處的磁感應強度Bz的大小為[5-6]:

式中:μ0為真空磁導率4π×10-7，i1為流經導體的電流，N1為平面螺旋電感匝數，a為平面螺旋電感天線邊長，x為垂直于平面螺旋電感距其中心的距離。由式(2)可知，在x≤a范圍內磁感應強度幾乎不變。

當x≥a時，式(2)可化為:

式(3)表明，當x≥a時，磁感應強度Bz的大小與距離x的3 次方成反比。因此，距離平面螺旋電感中心一定范圍的磁感應強度Bz變化很小，超過該距離后急劇減小。因此可推斷出，對于任何一種期望識別距離都對應一個最佳的天線邊長a。假設流經平面螺旋電感中的電流不變，設x為常數式，則式(2)可改寫為:

式中:k＝μ0i1N1/2 為常數。式(4)對a求導，令其導數等于0，此時磁感應強度Bz取極值。解得，當a＝時磁感應強度Bz取得極大值，此時磁感應強度Bz最大。因此，平面螺旋電感天線的邊長常設計為倍的最大期望識別距離。

經測量，鑰匙栓中標簽天線距離PCB 板距離約為15 mm，故讀寫器天線邊長設為21 mm。

2.3 天線圈數的確定

根據Mohan S S 等人[7]中介紹，平面螺旋電感天線的電感值可以由以下公式計算得出[7-8]:

圖2 平面螺旋電感天線

根據式(4)可以看出，當平面螺旋電感天線的匝數越多其磁場強度越強，因考慮到天線內部需要布置微觸開關和2 個LED 指示燈，所以內徑不能過小。內徑不變的情況下，增多匝數需要較小的線寬及間距。平面螺旋電感天線的線寬及間距需考慮PCB 加工廠家的加工能力及加工誤差，經了解調研，選取了線寬0.15 mm，線距0.29 mm，該尺寸能夠滿足絕大多數的PCB 加工工藝要求。

在上一小節確定外徑尺寸為21 mm 的基礎上，計算了不同匝數對應的內徑及電感值如表1 所示，同時兼顧微觸開關和LED 指示燈對內徑的要求及2.1 節匹配電容對電感值的要求，選擇了匝數為6 的平面螺旋電感天線。

表1 內徑電感值與匝數的關系

2.4 天線CST 仿真

在三維電磁場仿真軟件CST 中仿真設計的平面螺旋電感天線。為了使仿真結果與實際情況更貼近，在如圖3 的仿真模型中除天線外加入了推拉式電磁鐵、微觸開關、LED 燈的模型。眾所周知，導電材料會對磁場產生影響，塑料玻璃基本不會對強磁場產生顯著影響，方便起見將推拉式電磁鐵、微觸開關、LED 燈均設為理想導電體PEC。

圖3 CST 仿真模型

仿真結果顯示，工作頻率為13.56 MHz 時，該平面螺旋電感天線的阻抗為1.45+j108.3，計算其電感為1.271 μH，理論計算的電感值1.255 μH 與仿真結果接近，仿真結果可信。

通過添加磁場監視器，對平面螺旋電感天線的磁場進行仿真。通過調整電磁鐵、LED、按鍵的位置，降低其對線圈產生的磁場的影響。調整后仿真的磁場分布如圖4、圖5 所示。

圖4 垂直天線方向磁場分布圖

圖5 平行天線方向磁場分布圖

從二維平面磁場強度可以看出距離平面螺旋天線越近磁場強度越大，與之前理論分析一致。根據圖5 平行天線方向磁場圖可看出，磁場主要分布于平面螺旋電感天線的內部，外部的磁場強度很小，這就避免了相鄰鑰匙栓位天線的干擾，避免引起誤識別。從圖中可以看出，推拉式電磁鐵、微觸開關、LED 指示燈對磁場的分布產生了一定的影響，但該影響主要集中在天線附近。在距離天線15 mm 的標簽識別區未對磁場分布產生顯著的影響，在距離天線中心45 mm 的相鄰天線的磁場強度極小。故設計的平面螺旋電感天線適合于該智能鑰匙柜應用。

2.5 天線匹配電路的設計

該系統需要使用射頻開關進行識別天線的選擇，射頻芯片與天線之間有一定的距離，所以使用50 Ω 匹配電路更加合適。TRF7970A 的天線接口已經通過匹配電路匹配到50 Ω，這就需要將設計的平面螺旋電感天線的阻抗匹配到50 Ω。使用史密斯圓圖工具進行匹配電路設計非常方便，匹配電路采用并聯電容、并聯電阻、串聯電容3 元件匹配電路的形式。

設計時需考慮電路的品質因數Q，品質因數Q是衡量RFID 識別系統工作性能的重要指標。增大Q值會提高傳輸效率減小損耗，但過高的Q值會導致電感燒毀、電容擊穿、電路震蕩、系統帶寬減小。查閱TRF7970A 芯片手冊，其不同協議最高需求帶寬是1.5 MHz，考慮到誤差，將帶寬設置為1.8 MHz，根據品質因數與帶寬BW 的關系[9]:

對匹配電路R進行參數掃描，結果如圖6 所示，當R＝800 時，有著需要的帶寬并且匹配良好。考慮到實際應用，將R取值為820 Ω。

圖6 回波損耗隨電阻R 變化曲線

通過圖7 史密斯圓圖進行匹配電路的設計[10]。天線的阻抗設置為仿真的阻抗1.45+j108.3。并聯56 pF 電容將阻抗旋轉至阻抗點2。接下來，通過并聯820 Ω 電阻將阻抗從阻抗點2 旋轉到阻抗點3；此時阻抗近似在50 Ω 圓上。最后的匹配元件是一個串聯的57 pF 電容器，它將阻抗從阻抗點3 旋轉到61.888-j0.371，這個電容器被分成47 pF 和10 pF 2 個并聯電容器，方便對天線頻率的微調，同時減少寄生成分。

圖7 史密斯圓圖阻抗匹配仿真

如圖8 所示設計的匹配電路使用ADS 進行仿真計算，仿真的S11曲線如圖9 所示。

圖8 天線及阻抗匹配電路

圖9 ADS 仿真結果

3 天線測試

電路板設計采用2 mm 厚的FR4 板材。頂層焊接微觸開關、LED 燈及匹配電路。第2 層為天線線圈及大范圍地，大范圍地保證了傳輸線的阻抗，進而保證了射頻信號傳輸的信號完整性。

加工完成后的天線及電路如圖10 所示，安裝上鑰匙栓座、推拉式電磁鐵、LED 燈、微觸開關后使用中電41 所的AV3620 矢量網絡分析儀進行測試[11]，設置起始頻率12 MHz、終止頻率15 MHz，測試結果如圖11 所示。

圖10 天線及電路實物圖

圖11 測試結果

測試結果表明，設計的天線及其匹配電路10 dB回波損耗帶寬為1.118 MHz，從經驗法則來看，天線的3 dB 帶寬是10 dB 回波損耗帶寬的2 倍，故天線的帶寬為2.236 MHz。仿真計算結果與測試結果相近。

通過編寫STM32 嵌入式程序，對圖10 電路板中的TRF7970A 射頻識別芯片進行讀標簽測試[12]，測試發現可以對插入鑰匙栓位中的鑰匙栓標簽ID進行準確讀取，長時間讀取未發現讀取失敗現象。當相鄰鑰匙栓位有標簽時，也未發現誤讀現象。設計的平面螺旋電感天線適合于該智能鑰匙柜應用。

4 結論

(1)通過對平面螺旋電感天線的理論分析、設計仿真、實物測試，證明了平面螺旋電感天線在智能鑰匙柜中應用的可行性。

(2)使用三維電磁場仿真軟件CST 對平面螺旋電感天線進行電感值和磁場仿真，使仿真的平面螺旋電感的電感值更加準確，利于后期的匹配電路設計。磁場的仿真增加了設計的準確性，對RFID 射頻天線的設計具有較好的參考價值。

(3)最后，通過編寫程序，對系統進行整體測試，結果表明設計的平面螺旋電感天線達到了預期的效果。