射频识别系统

1 射频识别系统的原理

射频识别系统（rfid）一般由阅读器（pcd）和应答器（picc）两部分组成。一台典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及与应答器连接的耦合元件[1]。应答器是射频识别系统真正的数据载体。通常，应答器由耦合元件以及微电子芯片组成，应答器没有自己独立的供电电源，只是在阅读器的响应范围之内，接受来自阅读器的射频电源，应答器工作所需要的能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过耦合单元非接触传输而获得的[2]，因此，实现耦合的元件——天线，在本系统中具有关键作用，天线的设计直接关系到系统的通信距离和数据传输的可靠性。下面主要以射频基站芯片u2270b为例，讨论射频识别系统的天线设计。

在rfid系统中有两个lc电路：由基站线圈和连接电容组成的lrcr电路以及由应答器线圈和连接电容组成的ltct电路。在单线圈系统中，要求两个lc电路调谐在相同的谐振频率上。属于基站和应答器的谐振频率不匹配，零调制就会产生，从而降低系统的性能，在系统设计成型后，天线的电感是固定的，因此要改变lc电路的谐振频率，只有调节电路中的电容量。

阅读器基站天线是由电感、电容和电阻组成的串联谐振电路。如图1所示。其特性用谐振频率f0和q因子表示[3]。f0是rfid系统的工作频率，由天线的电感和电容共同决定，可以由式（1）来计算：

一般设计采用阅读器工作在单一频率的模式，对u2270b而言，可以取f0＝125khz。q因子（qr）与天线的带宽b和谐振频率f0的关系为b＝f0/qr。高qr值会得到较高的阅读器天线电压，从而可增加传输到应答器的能量，高qr值的缺点是减小了天线带宽，进而当应答器频率发生偏移时减小了应答器所感应的数据信号电压，从而导致射频卡的解调困难[4]而无法正常工作。耦合因子为阅读器基站的电磁场产生线圈和应答器之间的耦合，耦合因子取决于系统的结构残素，直接影响阅读器与应答器的阅读距离。优化耦合因子将对能量传输通道和信号传输通道有利。为确定耦合因子，可利用temic公司提供的试验应答线圈（ttc）及电路进行测试。qr的取值范围要控制在5～15，一般取qr＝12，可以适合于大多数应用情况的要求，如果天线的电感确定，那么qr因子可以通过式（2）由rr进行调整：

2 天线的设计步骤

进行天线设计，主要是根据实际要求确定天线的机械尺寸、线圈匝数、电感以及等效电路的电容等，从而使天线的工作效率最高，下面介绍天线设计的一般步骤。

2.1 优化磁场耦合因子

耦合因子仅仅与线圈排列的机械尺寸（如线圈直径、阅读距离、线圈方位角）和磁场中线圈附近的物质有关。与阅读器天线或应答器天线的电感无关。为了提高耦合因子，应该选择尽量小的传输距离，而且阅读器和应答器的天线轴线要平行。如果阅读距离确定，阅读器天线线圈直径和磁场耦合因子k就可以根据这个特定距离进行优化设计。磁场强度可以由式（3）来计算：

其中：h——磁场强度；

　　　ur——阅读器天线电压；

　　　lr——阅读器天线电感；

　　　f0——工作频率；

　　　μ0——磁场常数，μ0＝1.257