一種RFID系統天線的設計和實現

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

式中：N為繞線天線的匝數;R為天線線圈的半徑;d為導體的內徑;μ0為自由空間磁導率。

線圈匝數還有以下的近似公式進行估算，在實際應用中，兩個公式可以進行對照使用：

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為導線直徑，單位為cm.

1.6 天線的品質因數

天線的性能還與它的品質因數有關。Q既影響能量的傳輸效率，也影響頻率的選擇性。過高的Q值雖然能使天線的輸出能量增大，但是同時，讀寫器的通帶特性也會受到影響。所以在實際調節Q值的時候，要進行折中的考慮。調節Q值，是通過在R-L-C等效電路上面串接一個電阻R1實現的，具體的公式如下：

Q=ωL/(R+R1) (8)

2 實際調試

RFID天線的設計需要考慮很多因素，上述幾個是實際的調試過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系統要求之后，在條件有限的情況下，就可以根據需要進行簡單的RFID天線設計了。下面給出一個應用于軌道交通的RFID天線設計的實際例子。此處設計一個期望最大作用距離為1 cm,工作頻率在125 kHz的繞線天線，系統要求閱讀器天線線圈的半徑盡量小，不超過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當為期望作用距離的2倍，在實際設計的時候，應當根據設計需求在設計中進行折衷的考慮，在保證系統要求的前提下，盡可能地接近最佳值。本例中閱讀器天線的最佳半徑應當為1.4

cm,但是考慮到系統對于天線半徑尺寸的要求不超過1 cm,所以實際中取半徑為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，再根據工作頻率以及系統本身的要求確定電感量的大致范圍，本系統中取電感量在600~800μH.再者，用電感量與匝數關系的經驗公式大致估計繞線的匝數。本例中，取電感量在700μH,用直徑為0.27 mm的銅導線進行繞制天線。由公式

計算出匝數大概在266圈左右，繞完后，根據湯姆遜公式

選取所用的調諧電容。用相關的儀器(如頻譜儀和矢量網絡分析儀)測量出諧振頻率，這個時候，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稱值的，并不能做到與計算一致，所以總是會存在誤差。

由于調諧的電容是已知的，而且有固定的標稱值，可以根據湯姆遜公式由這個時候測得的頻率反推出在恰好達到此頻率的時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，直到達到指定的諧振頻率125 kHz.用矢量網絡分析儀以及頻譜儀測諧振頻率的實際圖片如圖4,圖5所示。

3 結 語

根據矢量網絡分析儀以及頻譜分析儀的顯示，本RFID天線已經成功諧振在125 kHz.接下來便可根據所提到的公式，計算出調Q值所用的電阻的大小，然后根據系統的要求進行進一步的聯調測試了。實際工程中，RFID讀寫器及標簽有各種電路結構，但是歸根到底都是等效成R-L-C諧振電路的，比如說PHILIPS的MIFARE系列讀寫器的天線設計，所以本文對于各種RFID系統的天線設計具有普遍的指導意義。