13.56MHz RFID读卡器近场天线的设计方法

技术领域

本发明属射频识别技术领域，具体涉及一种13.56MHz RFID读卡器近场天线的设计方法。

背景技术

RFID（Radio Frequency Identification:射频识别）技术最早起源于雷达技术，利用雷达发送的无线电波，接收物体反射其电波来确定物体的位置和速度，从而形成了RFID技术基础。1948年Harry Stockman发表的“Communication by Means of Reflected Power”一文奠定了RFID的理论基础。RFID系统一般由电子标签、读卡器、计算机或其他智能设备组成，标签和读卡器都自带天线，实行数据和信息的交互。

RFID天线的研究是随着RFID技术的应用而发展的。随着RFID应用的快速发展，对RFID天线的设计也提出了更高的要求。读卡器天线是天线设计中的一个重点，在中、低频的识别系统中一般采用环形天线。

13.56MHz的工作频率属于中、低频工作的近距离射频识别系统，工作采用的耦合方式是电感耦合，在读卡器与天线之间建立变压器模型，即读卡器产生磁场，天线进入磁场作切割磁力线运动或者读卡器产生交变的磁场从而实现二者间的电场的互感。电感耦合系统的典型距离是10cm~20cm。李宝山于2009年12月在《内蒙古科技大学学报》上发表的“13.56MHz RFID读卡器天线设计”一文中，仅仅采用了官方提供的天线匹配电路来确定初值，并没有结合实际情况对线圈的电感以及电阻进行精确的计算，这就直接导致了具体实现时不可避免地在匹配电路中的各个电容旁都并联一个调谐电容，需要不断地人工调节并联电容的大小来最终达到调谐状态，对信号捕获和实际应用造成了极大的不便，设计不人性化。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种13.56MHz RFID读卡器近场天线的设计方法，其成本低，可靠性高，为读卡器与标签之间的信号捕获及通信协议的验证提供依据。

本发明提供的一种13.56MHz RFID读卡器近场天线的设计方法，具体步骤如下：

（1） 选择RFID读卡器型号；

（2） 根据读卡器手册获取读卡器的等效输出电容C_tun的值，确定谐振频率f₀的值，基于C_tun和f₀求得天线电感的初值L_ant，其计算公式如下所示：

                                                        ；

（3） 初定天线的模型，再在antenne.exe软件中，以步骤（2）中计算得到的L_ant作为初值，运用递归逼近算法进行辅助设计、修正，当模型设计的天线△L_ant≤2%时，得到一种具有理想尺寸的13.56MHz RFID读卡器近场天线。

本发明中，采用antenne.exe软件进行辅助设计，运用递归逼近算法进行时，矩形天线的等效电感取值由下式给出：

①_  d=(d_in+d_out)/2，以mm为单位，d表示天线环的直径，d_in表示矩形线圈的最内层宽度，d_out表示矩形线圈的最外层宽度；

②p=(d_in-d_out)/(d_in+d_out)，以mm为单位表示；

③K1、K2是基板介电参数，其取决于版图； 

④ N表示天线线圈的匝数；

⑤ μ₀表示磁感应常数。

本发明中，设计天线匹配电路时，读卡器与天线之间的串联等效模型和并联等效模型分别如图3、4所示，其中各参数的物理意义给定如下：

R_chip为标签的等效阻抗；

C_con为由读卡器和天线之间的连接电路产生的寄生电容；

R_con为由读卡器和天线之间的连接电路产生的寄生电阻；

R_{S_ant}为天线环的串联电阻；

R_{P_ant}为天线环的并联电阻；

L_ant为天线环的电感。

为了简化起见，模型可以进一步等效为图6，其中的R_eq可以由下式决定：

而R_{p_ant}又可以表示为：

，其中，ω是角频率，R_{S_ant}为天线环的串联电阻  。

鉴于对回波损耗的考虑，本发明在天线环路与前级的读卡器电路之间进行了50Ω阻抗匹配，因此需要构建一个匹配与谐振电路，其电路结构如图7所示，电容用来匹配天线线圈形成的感性负载，从而构建谐振回路；电阻的作用是用来降低谐振回路的Q值，从而保证可靠的天线设计。其中，C1为串行电容，C2、C3、C4是构成RC滤波网络的并行电容，其中C4为可变电容，用于调谐相位至零。

为了减小天线环自身产生的电场的影响，在PCB设计过程中需要进行电磁屏蔽。在本发明中，采用了双层板的PCB设计，从顶层开始进行矩形环布线，两层均重复这样的布线形式，并且天线环的尺寸逐层递减，通过过孔连接到底层，构成不封闭的矩形天线环，从而消除自感的影响。

本发明采用了递归逼近算法，结合专用软件对矩形天线的电感系数进行了自动调整，从而最大程度上优化了天线参数，为低成本、高可靠性的读卡器天线设计提供了新思路。

附图说明

图1：天线设计流程图。

图2： antenne.exe界面。

图3： 矩形天线的尺寸图示。

图4： 串联等效模型。

图5： 并联等效模型。

图6： 简化后的等效模型。

图7： 匹配与谐振网络。

具体实施方式

以下结合附图进一步描述本发明。图1所示为本发明提供的一种13.56MHz RFID读卡器近场天线设计的流程图。

实施例1

本发明中选择了型号为SDI010RFID的读卡器，根据读卡器手册获取C_tun的值，其对应的C_tun=64pF，且当前的应用对应了f₀=13.56MH，则求得天线电感初值L_ant

本发明中，初定的天线模型如下：环形天线走线采用的是三圈不封闭的矩形走线，4个角均采用了倒角处理。其最外层的尺寸是72mm×42mm、线宽是0.2mm，矩形环相互之间的间距是2mm，如图2所示。

本发明中，用λ表示波长，I表示电路的尺寸，当波长λ>>I时，一个电路应该作为集总参数电路。但是本发明中涉及到的实际情况是：

因此设计的天线尺寸应适当的小一些，在初定天线模型后，再在antenne.exe软件中，运用递归逼近算法进行辅助设计、修正。本发明中，基板介电参数K1、K2根据PCB代工厂提供的信息，这里K1=2.34、K2=2.75。

当模型设计的天线△L_ant≤2%时，即得到一种具有理想尺寸的13.56MHz RFID读卡器近场天线。 

本发明采用递归算法对天线回路的电感取值进行优化，主要思想是比较相邻两次电感取值的差值，直至差值小于等于前一次取值的2%，则结束循环，继而将最后那次获取的电感值作为谐振回路中的电感取值L_ant。为了尽可能反映电路本身的特性，在修正电感取值的过程中，采用了antenne.exe软件来进行辅助设计。

如图2所示，antenne.exe的界面的输入参数主要包括矩形线圈的拐点数、线圈的长度、宽度、走线本身的线宽。

本发明中运用递归算法，得到最终环形天线的最外层的尺寸为72mm×42mm、转角半径为5mm时，误差容限保持在，L_ant=2.15uH；如图3所示是矩形天线的尺寸图示，其中节点A、B、GND分别是PCB环形走线的顶层起始点、底层终点、接地点。

本发明中，读卡器与天线之间的串联等效模型和并联等效模型分别如图4、5所示，简化起见，模型可以进一步等效为图6 。

匹配与谐振电路的电路结构如图7所示，表1为 针对ISO/IEC 14443-3/4协议提出的10373-6 RFID专用测试协议给出的天线匹配网络元器件参数表。本实施例中，元件的实际取值及说明如下：

1. 根据表1的参考值，R_ext取0.94Ω，可以采用4个4.7Ω、2W的电阻并联；

2. 鉴于电路的对称性，R_ext同样可以放置在图7中的虚线框内，具体摆放位置没有原则上的差异；

3. 当PCD与天线之间的场强达到7.5A/m的时候，R_ext可以考虑选用较大功率的4W的电阻。

其中，R_ext及R_ant分别相当于前文所述的R_{s_ant}和R_{p_ant}。由公式可知，此时有：

 。

表1    

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