论射频识别印制天线方法

0引言

射频识别(RadioFrequencyIDentification,RFID)技术是一种通信技术,可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触[1]。现在流行的MFRC500读写器是其一个应用,在该系统中,数据的传输都是通过电磁波载波进行的,而依靠电磁波来传递信息的系统是离不开天线的,它起到了高频电流和电磁波的转换作用。可见,在RFID系统中,天线性能的好坏是其能否正常工作的前提。天线与馈线之间的阻抗匹配程度直接影响到天线信号的传输效率。所以在制作天线时一定要有合适的匹配电路,使天线调谐[2]。Philips[3]给出了天线调谐的阻抗分析仪法和估算方法,并指出了用示波器调谐50Ω匹配天线的过程,李宝山等[4]也提出了用估算法来调谐天线,实现天线的阻抗匹配。本文分析了PCB印制天线参数的理论值计算,主要提供了一种用估算的方法,利用示波器实现直接匹配天线的调谐,并给出调试波形。

1MFRC500的应用电路和天线等效电路

1.1MFRC500的应用电路MFRC500芯片是基于ISO/IEC1443TYPEA、MFIFARE类PICC进行信息交互的读写器基站芯片,其载波频率是13.56MHz,集成了编码调制和解调解码的收/发电路,它的天线驱动电路仅需很少的元件就可以达到较理想的距离。天线电路有直接匹配天线和50Ω匹配天线两种模式。本设计采用的是直接匹配天线的模式。图1为MFRC500的典型应用电路。采用TX1和TX2两个驱动输出端,作用距离可以达10cm。13.56MHz载频由石英晶体振荡器产生,与此同时也产生了高次谐波,为了达到相关标准化组织的EMC规范,必须抑制3次、5次及高次谐波的辐射。利用L0和C0构成低通滤波器,抑制高次谐波。它们的参数值是:L0=(2.2±0.1)μΗ,C0=(47±0.2)pF。接收电路所需的直流电压由VMID引脚通过R1和R2分压器接入RX引脚;为滤除干扰,VMID引脚和地(AGND)间接入电容C4;天线电感线圈LANT和分压器间通过电容C3连接[5-7]。这些元件的推荐值为[8]:R1=(10±0.05)kΩ,R2=(820±0.05)Ω,C3=(15±0.02)pF,C4=(100±0.1)nF。

1.2天线的等效电路天线是一种转能器,起到了高频电流和电磁波的转换的作用,天线的调谐即是找一个谐振点使天线辐射的功率最大。本设计即是要找到合适的L和C使谐振频率能够达到f=13.56MHz,即找到合适的电感、电容使之满足关系[3,9]。参考MFRC500的天线设计手册,可以得到图2(a)的天线等效电路。其中:La和Lb是LANT中心点接地后两部分的电感值;中心点接地可以改善天线电路的EMC性能。Ra和Rb分别是电感La和Lb的自身损耗电阻;Ca和Cb是La和Lb的分布电容。由于考虑La和Lb之间的互感会给分析带来不便。因此采用图2(b)的天线等效电路[4]。

2射频模块发射接收天线及匹配电路

2.1天线尺寸的设计读写器的读写距离与天线的尺寸、天线匹配电路的品质因子Q及其周围环境有关。本设计采用在PCB上绕制矩形线圈的方式来制作天线。采用矩形线圈,在距离线圈为r处的磁感应强度B的大小为[8,10]式中:μ0=0.4μH/m;i1为线圈电流;a和b为矩形的边长;N为线圈匝数。磁场强度B随着r的变大而变弱,天线电感L的估算公式为式中:L为天线电感,nH;l为电感每圈的长度,cm;D为PCB的线宽,cm;K为形状系数(K=1.47);N为电感线圈的圈数。根据MFRC500的应用电路,选取N=3,D=0.15cm,l=24cm,L≈1.3μH,进行PCB设计,PCB印制天线图如图3所示。

2.2利用电路参数的理论值进行匹配电路调试由于天线本身的阻抗并不高,需要一个匹配电路连接射频模块。天线匹配电路设计的是否合理直接影响到天线是否能够正常工作。可以从理论上计算出天线参数的值,对天线进行匹配调谐。天线匹配电路如图4所示,图中,REXT/2为匹配电阻。品质因子Q是天线设计的重要的参数,高的Q会增加天线线圈中的电流强度,改善读写器的传输功率,但天线的传输带宽却与Q成反比关系,过高的Q会降低传输带宽,影响数据的正确传输。在M1卡应用中,Q=35较为合适。因此外接电阻[3,8]为了计算方便,可以利用电路的对衬性,对其中一个回路进行分析计算。根据理论推导,可以得出电容值为[11-13]式中,Za=350Ω,为输入匹配阻抗的一半值;ω=2πf。

2.3利用天线匹配电路初值进行调试由于所选用的板材不同,理论上的计算结果和实际偏差较大,在没有阻抗分析仪的情况下,用天线匹配电路初值进行调谐,参考值见表1[8](180//22为180或22,电容的精度为±2%),得到了很好的效果。本设计估算的天线电感值为1.3μH,取对应参数的电容值对匹配电路进行调试。

3天线电路的实际调试

在实际调试中,根据估算公式,天线电感约为1.3μH,代入参数匹配值,调试天线并未达到谐振。这是由于板材的不同和各种因素的影响,官方提供的匹配电容不一定能够使天线谐振。可以在A、C点之间加一个5~20pF的可调电容(天线的实际设计电路如图5所示[13-15],为了调试方便,把C2a、C2b分别分解成C2a1、C2a2和C2b1、C2b2),按照图6的调谐方法进行调谐。M1卡是无源IC卡,依靠吸收天线辐射的能量进行工作的。当卡渐进地靠近天线时,能量逐渐被吸收,导致天线测试点B的电压就会逐渐降低。天线调谐(达到合适的阻抗匹配)时,B点电压达到最大值。所以在调节可调电容的同时,用示波器时刻监视天线B点的电压。当B点电压达到最大值时,天线谐振。实际测得谐振时B点的均方根值为10.3V,读写距离可以达到7~8cm。由于可调电容值会随着外界环境的条件变化,这样会造成读写距离的改变。实际制作中,在之前调谐的基础上,去掉可调电容,对C2a、C2b进行微调(增加2CVAR到C2a、C2b),同时检测B点电压波形。调试中,由于电容值的不能连续可调,使B点电压较难达到谐振电压值,但是当B点电压的均方根值接近谐振电压时,读写器达到了应用所需的读写距离。当B点电压均方根值达到8V左右时,天线读写距离可达6~7cm。这样的读写距离虽然略有减小,但满足实际要求,同时也避免了由于可调电容的变化造成读写器的不稳定。最终调试结果为:在板材厚度为1.6mm,铜箔厚度为0.8mm,N=3圈,R1a(REXT/2)=0.1Ω,R1b(REXT/2)=0.1Ω,C1a=27pF,C1b=27pF,C2a1=100pF,C2b1=100pF,C2a2=100pF,C2b2=100pF情况下达到了谐振,读卡距离达到了6~7cm。调试时,天线谐振时B点示波器波形如图7所示。

4结语

本文主要介绍了一种利用示波器调谐MFRC500读写器PCB印制天线的方法。这种方法可以在没有阻抗分析仪的情况下简单制作,调谐天线,方便实用。从天线的理论匹配调试到估算匹配调试,最终得到了在没有可调电容情况下谐振的PCB印制天线,使读写器达到了较理想的读写距离。这样读写器就不会因为可调电容的变化而造成读写距离的改变,保证了系统的稳定性。该印制天线达到了预期目的,已投入产品试制中。