一種RFID系統(tǒng)天線的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

電感量值的物理意義是：在電流包圍的總面積中產(chǎn)生的磁通量與導(dǎo)體回路包圍的電流強(qiáng)度之比。實(shí)際RFID天線調(diào)試的時(shí)候，讀寫器天線電感量值可以通過(guò)阻抗分析儀測(cè)出，在條件有限的情況下，也常采用估算公式進(jìn)行估算。假定導(dǎo)體的直徑d與導(dǎo)體回路直徑D之比很小(d/D0.001)，則導(dǎo)體回路的電感可簡(jiǎn)單地近似為：

式中：N為繞線天線的匝數(shù);R為天線線圈的半徑;d為導(dǎo)體的內(nèi)徑;μ0為自由空間磁導(dǎo)率。

線圈匝數(shù)還有以下的近似公式進(jìn)行估算，在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)公式可以進(jìn)行對(duì)照使用：

式中：L為線圈電感，單位為nH;A為天線線圈包圍面積，單位為cm2;D為導(dǎo)線直徑，單位為cm.

1.6 天線的品質(zhì)因數(shù)

天線的性能還與它的品質(zhì)因數(shù)有關(guān)。Q既影響能量的傳輸效率，也影響頻率的選擇性。過(guò)高的Q值雖然能使天線的輸出能量增大，但是同時(shí)，讀寫器的通帶特性也會(huì)受到影響。所以在實(shí)際調(diào)節(jié)Q值的時(shí)候，要進(jìn)行折中的考慮。調(diào)節(jié)Q值，是通過(guò)在R-L-C等效電路上面串接一個(gè)電阻R1實(shí)現(xiàn)的，具體的公式如下：

Q=ωL/(R+R1) (8)

2 實(shí)際調(diào)試

RFID天線的設(shè)計(jì)需要考慮很多因素，上述幾個(gè)是實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中的重要物理參量。明確了上述物理參量之后，在給定期望距離以及工作頻率等RFID系統(tǒng)要求之后，在條件有限的情況下，就可以根據(jù)需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的RFID天線設(shè)計(jì)了。下面給出一個(gè)應(yīng)用于軌道交通的RFID天線設(shè)計(jì)的實(shí)際例子。此處設(shè)計(jì)一個(gè)期望最大作用距離為1 cm,工作頻率在125 kHz的繞線天線，系統(tǒng)要求閱讀器天線線圈的半徑盡量小，不超過(guò)1 cm.具體步驟如下：

首先確定天線的最佳半徑，不宜太大也不宜太小，理想的最佳天線半徑應(yīng)當(dāng)為期望作用距離的2倍，在實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)計(jì)需求在設(shè)計(jì)中進(jìn)行折衷的考慮，在保證系統(tǒng)要求的前提下，盡可能地接近最佳值。本例中閱讀器天線的最佳半徑應(yīng)當(dāng)為1.4

cm,但是考慮到系統(tǒng)對(duì)于天線半徑尺寸的要求不超過(guò)1 cm,所以實(shí)際中取半徑為0.8

cm.在允許的條件下，為使效果更好，可以加入一個(gè)帶有適量鐵氧體的天線骨架、天線以及閱讀器板子，如圖3所示。

其次，再根據(jù)工作頻率以及系統(tǒng)本身的要求確定電感量的大致范圍，本系統(tǒng)中取電感量在600~800μH.再者，用電感量與匝數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式大致估計(jì)繞線的匝數(shù)。本例中，取電感量在700μH,用直徑為0.27 mm的銅導(dǎo)線進(jìn)行繞制天線。由公式

計(jì)算出匝數(shù)大概在266圈左右，繞完后，根據(jù)湯姆遜公式

選取所用的調(diào)諧電容。用相關(guān)的儀器(如頻譜儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)測(cè)量出諧振頻率，這個(gè)時(shí)候，由于電感只是估算的，而且選用的匹配電容也是具有一定標(biāo)稱值的，并不能做到與計(jì)算一致，所以總是會(huì)存在誤差。

由于調(diào)諧的電容是已知的，而且有固定的標(biāo)稱值，可以根據(jù)湯姆遜公式由這個(gè)時(shí)候測(cè)得的頻率反推出在恰好達(dá)到此頻率的時(shí)候所需要的電感的大小，即繞線線圈電感?？搭l率的偏移情況，按電感量估算公式逐步增加或者減少線圈匝數(shù)，直到達(dá)到指定的諧振頻率125 kHz.用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及頻譜儀測(cè)諧振頻率的實(shí)際圖片如圖4,圖5所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及頻譜分析儀的顯示，本RFID天線已經(jīng)成功諧振在125 kHz.接下來(lái)便可根據(jù)所提到的公式，計(jì)算出調(diào)Q值所用的電阻的大小，然后根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行進(jìn)一步的聯(lián)調(diào)測(cè)試了。實(shí)際工程中，RFID讀寫器及標(biāo)簽有各種電路結(jié)構(gòu)，但是歸根到底都是等效成R-L-C諧振電路的，比如說(shuō)PHILIPS的MIFARE系列讀寫器的天線設(shè)計(jì)，所以本文對(duì)于各種RFID系統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)具有普遍的指導(dǎo)意義。