13.56 MHz RFID读写器天线的设计与仿真

戴彩艳，蔡坚勇，陈银燕，朱 雨，林李金，黄永亮，晏 嫚

(福建师范大学光电与信息工程学院，福建福州350007)

0 引言

射频识别(RFID)技术是一项利用射频信号进行非接触式双向通信，自动识别目标对象并获取相关数据的无线通信技术。在众多中自动识别技术中，它具有精度高、适应环境能力强、阅读速度快、抗干扰能力强、便于应用等优点，实现了非接触式操作，无机械磨损，寿命长，支持读/写数据，可重复使用，使用了防冲撞技术，能同时识别多个高速运动物体。目前，RFID技术在国内外发展非常迅速，在物流、仓储、零售、制造业、军事、交通、电力、食品和环境等行业已经有了广泛应用，其实现的主要功能有身份识别、物品防伪、资产管理、人员定位、图书、档案管理和汽车防盗等，其应用前景十分可观。

RFID天线系统包括读写器天线和标签天线。基于13.56 MHz的被动式RFID系统，电子标签与读写器采用电感耦合方式进行能量传递与通信。读写器的天线线圈产生高频强电磁场，磁场穿过线圈的横截面和线圈周围空间，使得靠近读写器天线线圈的标签天线在交变磁场中产生感应电压。工作于13.56 MHz的RFID天线系统采用变压器原理，遵循法拉第电磁感应定律，天线线圈在功能上等效于电感，其实际电感值取决于天线的结构、导线的厚度、线圈之间的距离、天线的尺寸以及天线绕制的圈数等。下面基于射频芯片MF RC500，对13.56 MHz RFID读写器的天线设计的方法进行了探究。

1 天线结构的选择与等效电路

高频RFID读写器天线可以采用空心电感线圈或者铁氧体磁芯线圈，也可由印刷PCB板或其他介质基材的导电线路构成［1］，常见的天线线圈形式有短圆柱形、环形、方形和矩形。对工作于高频(13.56 MHz)的RFID系统，由于其电磁波的波长远大于识别距离，读写器和应答器之间可等效为变压器耦合方式，采用电流分布基本一致的小型环形或方形天线为其最佳选择［2］，这里选用方形形状的线圈。

读写器的天线线圈可以用图1的等效电路表示。

图1 天线线圈等效电路

线圈的电感为Lant，Rant为线圈的电阻损耗，Cant为线圈之间和连接器之间的电容损耗。将Cant电容与天线线圈并联或者串联起来组成LC谐振电路，通过此谐振电路，读写器可将能量传输至射频卡，并与卡进行通信，谐振电路的谐振频率可调谐到读写器的工作频率13.56 MHZ，其值由汤姆逊公式［4］得出:

图2 电容与电感关系曲线

2 天线的设计

2.1 天线最佳尺寸设计的理论依据

安培定理指出，当电流流过一个导体时，在此导体的周围产生磁场，磁场的磁感应强度与流经导体的电流i1成正比，与距导体的距离成反比。根据毕奥—萨伐尔定律得，距环形或方形线圈中心垂直距离为x处的点的磁感应强度Bz的大小［3］为:

式中，i1为电流;N1为线圈匝数;a为线圈边长;x为离线圈中心的垂直距离;μ0为真空磁导率。当x＜＜a时，由式(2)可知，在x＜＜a范围内磁感应强度几乎不变。当x=0时，公式简化为:

当x＞＞a时，式(2)可化为:

式(4)表明，当x＞＞a时，磁感应强度的衰减和距离x的3次方成正比。由上可知，从线圈中心到一定距离的磁场强度几乎不变，而后急剧下降。这就意味着:对于每种RFID系统的可识别距离都对应有一个最佳的天线边长a。最佳天线线圈边长a求解如下［4］，假定天线线圈中电流不变，设 x为常数，式(2)可改写为:

式中，k=μ0i1N1/2为常数。令式(5)两端同时对a求导，并令dBz/da=0，可解得Bz具有极大值时的条件，即a=，此时可获得最大磁场强度。由此可知，读写器天线的最佳边长值等于最大期望阅读作用距离的倍。

2.2 天线电感值与Q值的计算

天线线圈的电感一般采用阻抗分析仪测量得到，在条件不允许的情况下，也可由公式估算。环形和方形天线电感值可由如下公式估算［5］:

式中，l1为一圈(匝)导线环的长度(cm);D1为线圈导线的宽度(mm);K=1.07(环形天线)/1.47(方形天线);N为线圈的匝数;ln为自然对数函数。由式(6)可知，天线线圈电感L与线圈匝数N的1.8次方成正比，增加匝数N会使得线圈的电感L增大，而根据式(1)可知，线圈的电感过大，将导致匹配电容难以取感值为 1.6 μH，一圈导线环的长度 l1=16 cm、线圈形式为方形(K为1.47)，可根据式(1)和式(6)求出线圈匝数与与线宽的变化关系如图3所示，其中，线宽一般取值为0.5 ～1.5 mm。

品质因子QL值表示电感线圈的损耗性能，QL值越高，天线的输出能量越高，然而太高的QL值会干扰读写器的带通特性。天线的品质因子由下面的公式定义［6］:

式中，wR=2πfR，fR为谐振频率;Rant为天线等效电阻;Lant为天线的等效电感。一般RFID系统的品质因子在 10 ～30 取值，最大不要超过 60［2，7］，以保证足够的带宽，使得读写器无失真地传送用于数据调制的副载波信号［8］。在实际测量天线线圈的电感量和品质因子时，以频带宽、精度高的阻抗分析仪为最佳测量仪器。

图3 电感值为1.6 μH时线宽与匝数的关系

3 建模与结果分析

根据上述的天线设计方法，采用业界公认的三维电磁仿真软件Ansoft HFSS进行建模仿真以验证方法的可行性。为更好地模拟实际印刷电路板制作天线，天线的基板选用具有较高机械性能和介电性能的玻璃布基板FR－4，基板厚度为1 mm，电感线圈的厚度设为0.035 mm，电感材质选用导电性能良好的铜箔，以减少天线线圈的电阻损耗，若选定线宽为0.8 mm，由图3可知，电感匝数为约为4匝。考虑到实际制作天线时线间距越小，加工精度要求越高，加工成本也越高，所以设线间距为0.3 mm。根据需要，要使得x=30 mm，根据Bz取得极大值时的条件，即a=，L约为42 mm，即取方形面积为42 mm×42 mm，模型中采用单端集总端口激励，将上述参数值代入式(6)可算出天线线圈电感值为1 579.63 nH，约为 1.58 μH。据此，用 HFSS 软件建立PCB平面方形结构螺旋式电感的模型，设置中心频率为13.56 MHz，采用快速扫描方式，扫描范围为11～15 MHz，输入功率设为1 W。利用HFSS自带分析工具进行分析后，可得到电感值在这个频段内随频率变化的关系，仿真结果如图4所示。由图4可知，在频率为 13.56 MHz时，电感值约为1.55 μH，与理论计算值相差 0.03 μH。考虑到天线的寄生电容，本次设计在天线线圈末端加开路的补偿线圈，避免产生地电流而降低天线线圈的磁场强度［1］。

图5和图6分别是加补偿线圈前和加补偿线圈后的磁场强度标量图。图中，白色区域表示磁场覆盖区，白色区越大表示磁场覆盖区越广，白色块越集中表示磁场强度越大。

图4 电感随频率变化关系曲线

图5 无补偿线圈时的磁场强度标量

图6 有补偿线圈时的磁场强度标量

比较图5和图6可知，加补偿线圈后电感线圈表面的磁场强度有所加强。原因分析:电感线圈存在寄生电容，在末端加上开路线圈后，开环的感应电流与电感线圈里寄生电容的电流大小几乎相等，但方向相反，这样就抵消了电感线圈的寄生电容所产生的电流，相当于避免地电流的产生，减小了电感线圈的功率损耗，从而相对提高了电感的磁场强度。

4 结束语

根据13.56 MHz RFID系统的工作原理，探讨了RFID读写器天线的设计方法，并模拟实际制作PCB平面电感的方法，采用业界公认的三维电磁仿真软件Ansoft HFSS建立一个方形结构螺旋式的平面电感模型，仿真所得的电感值与理论计算值相差0.03 μH。此外，仿真所得的电感磁场标量图表明，在电感线圈末端加开路的补偿线圈有利于增强天线磁场强度。对13.56 MHz RFID读写器天线的最佳尺寸设计方法所进行的探索，对实际制作PCB平面RFID读写器天线具有较好的参考价值。

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