RFID系統(tǒng)中的PCB環(huán)型天線設(shè)計(jì)是怎樣子

發(fā)表時(shí)間:2020-10-22 13:00:41 人氣:2287

天線是一種轉(zhuǎn)能器。發(fā)射時(shí),它把發(fā)射機(jī)的高頻電流轉(zhuǎn)化為空間電磁波;接收時(shí),它又把從空間截獲的電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流送入接收機(jī)。對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于射頻識(shí)別系統(tǒng)中的小功率、短距離無(wú)線收發(fā)設(shè)備,天線設(shè)計(jì)是其中的重要部分。良好的天線系統(tǒng)可以使通信距離達(dá)到最佳狀態(tài)。天線的種類很多,不同的應(yīng)用需要不同的天線。在小功率、短距離的RFID系統(tǒng)中,需要一個(gè)通信可靠、價(jià)格低廉的天線系統(tǒng),PCB 環(huán)型天線是比較常用的一種。


所設(shè)計(jì)的RFID閱讀器使用的射頻芯片是RI-R6C-001A。由于該芯片要求的天線阻抗為50Ω,工作于13.56MHz,因此在設(shè)計(jì)中,采用PCB環(huán)型天線。PCB環(huán)型天線是電小環(huán)天線的一種。所謂電小環(huán)天線,一般定義為:



其:l 為天線的最大幾何尺寸;λ 為工作波長(zhǎng)。


1 PCB 環(huán)型天線的設(shè)計(jì)

天線主要是基于TI公司的ASIC設(shè)計(jì)的,用于200mW的低功率閱讀器,適合于所選的射頻芯片。圖1是制作的PCB環(huán)型天線。


圖2顯示了該矩形環(huán)型天線的幾何尺寸。


圖中將要在計(jì)算中用到的物理參數(shù)有以下4 個(gè):A1,環(huán)型天線寬度(m);A2,環(huán)型天線長(zhǎng)度(m);B1,環(huán)型導(dǎo)體厚度(m);B2,環(huán)型導(dǎo)體寬度(m)。


對(duì)于PCB環(huán)型天線,導(dǎo)線厚度B1就是TOP層上銅走線的厚度。在計(jì)算天線的參數(shù)時(shí),矩形天線可以簡(jiǎn)化為一個(gè)正方形等效電路模型,而二維平面的環(huán)型導(dǎo)體可以等效為圓形截面的導(dǎo)線。由圖2可知,正方形等效電路的邊長(zhǎng)為:


在靜電學(xué)上,等效圓導(dǎo)線半徑表示該半徑下的圓導(dǎo)線所具有的電容與截面是非圓形導(dǎo)體所具有的電容相等。下面分析環(huán)型天線的等效電路。環(huán)型天線激勵(lì)點(diǎn)的電壓和電流通過(guò)環(huán)的輸入阻抗聯(lián)系起來(lái),即V=ZI0。為了評(píng)估用于天線諧振的電容Z′IN,環(huán)型天線的輸入阻抗必須確定;同樣,為了評(píng)估天線效率和輻射阻抗,環(huán)型導(dǎo)體內(nèi)的歐姆損耗和其他歐姆損耗也必須確定下來(lái)。在發(fā)射模式下,環(huán)型天線輸入阻抗的等效電路如圖3所示。


式中:RR為輻射電阻;RL為環(huán)型導(dǎo)體損耗電阻;RX為額外歐姆損耗電阻;LA為環(huán)型天線電感;L1為環(huán)型導(dǎo)體電感。


環(huán)型導(dǎo)體損耗電阻為:


式中:l為金屬環(huán)形導(dǎo)體長(zhǎng)度,p為環(huán)形導(dǎo)體交叉部分的周長(zhǎng),RS為導(dǎo)體表面電阻,μ0為4π×10-7H/m;σ為導(dǎo)體電導(dǎo)率;R1單位為Ω。


額外歐姆損耗電阻主要來(lái)自電容CP上的等效串聯(lián)電阻:


式中:RX的單位為Ω。


環(huán)型天線的品質(zhì)因數(shù)Q主要決定于CP上的等效串聯(lián)電阻。一個(gè)與CP并聯(lián)的電阻RQ可以用來(lái)控制天線的品質(zhì)用數(shù)Q,這個(gè)電阻的加入會(huì)減小天線的輸入阻抗。圖3中,并聯(lián)于輸入阻抗ZIN 的電容CP起諧振天線的作用,用于抵消在工作頻率下的輸入阻抗ZIN 的虛部;CP也可用來(lái)表示分布寄生電容。CP(單位為F)由下式給出:


另外,天線的Q值必須與用來(lái)調(diào)諧天線到正確頻率的電容相匹配。環(huán)型天線的Q值可以根據(jù)下式來(lái)選擇:


式中:tol變量是電容的誤差值。這一等式的基礎(chǔ)是假定由電容變化引起的輻射功率變化不超過(guò)3dB。


2 PCB 環(huán)型天線的調(diào)試

設(shè)計(jì)的PCB環(huán)型天線必須再接一些附加元件才可以使用。調(diào)試的過(guò)程就是通過(guò)專用儀器確定這些附加的參數(shù),以保證天線的輸入阻抗等于50Ω;同時(shí)使輸入信號(hào)的相移最小(最好是0),調(diào)試電路如圖4所示,作用是調(diào)節(jié)所設(shè)計(jì)的天線的兩個(gè)可調(diào)電容。具體做法是接上電容值盡可能接近理論值的c。、G,然后分別并聯(lián)一個(gè)理論值為l/5~1/10 的呵調(diào)電容,反復(fù)調(diào)節(jié),使輸入阻抗盡可能接近50Ω,同時(shí)相移最小。


將調(diào)試好的C1、C2接到PCB板天線上,然后通過(guò)同軸電纜接到閱讀器上,即可滿足要求。具體調(diào)試流程如圖5 所示。


在輸入阻抗為50Ω情況下,如果相移大于O,則減小C1;如果相移小于O,則增大C1。在相移等于O的情況下,如果阻抗小于50Ω,則減小C2;如果阻抗大于50Ω,則增大G2。


3 天線調(diào)諧和天線匹配的研究

3.1 調(diào)諧電容的研究


帶有天線的閱讀器的等效電路如圖6所示,產(chǎn)生交變磁場(chǎng)所需的導(dǎo)體回路由線圈L1表示,串聯(lián)電阻R1相當(dāng)于導(dǎo)體回路L1中線繞電阻的歐姆損耗。為了在閱讀器的工作頻率為fTX的情況下在導(dǎo)體回路L1中獲得最大的電流,從而產(chǎn)生最大磁場(chǎng)強(qiáng)度H,經(jīng)電容器C1 的串聯(lián)形成了諧振頻率fRES=fTX的串聯(lián)諧振電路。


對(duì)諧振頻率fRES來(lái)說(shuō),L1和C2的阻抗相互抵消??傋杩筞1儀由R1確定,并達(dá)到最小值。此時(shí),天線電流i1在諧振頻率的情況下達(dá)到最大值,并且(假?zèng)]為理想電壓源的情況下Ri=0)由發(fā)送器終端級(jí)的電源電壓u0和線圈電阻R1可以算出:


跨導(dǎo)體回路電感的電壓u1和電容器C1上的電壓uC1是反相的,并且由于電流


i1在諧振頻率的情況下相互抵消。然而,單項(xiàng)值可能很大。盡管電源電壓u0很小,多為幾伏,但在L1和C1上很容易達(dá)到幾百伏的數(shù)值。因此,在設(shè)計(jì)具有高電流的回路天線時(shí),一定要注意使用的元件;特別是電容器應(yīng)有足夠的耐壓強(qiáng)度,否則很容易被擊穿破壞。


3.2 天線連接的匹配研究


根據(jù)閱讀器所使用的頻率范圍,使用不同的方法將滅線線圈連接到閱讀器發(fā)送


器的輸出端.通過(guò)功率匹配將天線線圈直接連接到功率輸出級(jí),或通過(guò)同軸電纜饋送到天線線圈。圖7為采用50Ω技術(shù)的電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的電路圖。


天線線圈L1在射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為阻抗ZL。為了實(shí)現(xiàn)與50Ω 系統(tǒng)的功率匹配,必須通過(guò)無(wú)源的匹配電路將此阻抗轉(zhuǎn)換為50n,然后通過(guò)同軸電纜即可幾乎無(wú)損失且無(wú)輻射地將此功率從閱讀器末級(jí)傳送到匹配電路。


結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)調(diào)試,所設(shè)計(jì)的PCB環(huán)型天線已經(jīng)可用于所設(shè)計(jì)的基于RI—R6c—001A射


頻芯片和PIcl6F874控制器的閱讀器,對(duì)研究RFID技術(shù)具有一定的參考價(jià)值。


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