用于智能钥匙柜的RFID 天线设计与实现*

张 岩王宗省孙胜凯刘 悦

(1.山东科技大学海洋科学与工程学院，山东青岛 266590；2.中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛 266555)

智能钥匙柜是在一些重要机关和场所对大量钥匙集中安全管理的设施，能够详细记录钥匙使用情况，能够对不同钥匙使用人进行单独授权，具有安全、方便、智能、管理功能强大的特点。传统的钥匙柜是每个钥匙栓孔位安装有一个射频识别芯片及天线来对钥匙栓中的RFID 标签进行读取，一般都较笨重且造价昂贵。研究了一种可通过射频开关切换的PCB 天线来实现使用一个射频识别芯片实现智能钥匙柜中12 个钥匙栓位的读取，降低了钥匙柜的重量和生产成本，电路硬件的精简也提高了系统的可靠性。

主要讲述13.56 MHz 射频识别天线的工作机理及设计仿真实现方法，使其能够在射频开关的切换下准确识别指定钥匙栓位上的射频标签且不被相邻钥匙栓位上的天线所识别。

1 智能钥匙柜方案设计

为了实现智能钥匙柜结构的简单、低成本、高可靠性，采用单个RFID 读写芯片TRF7970A，通过使用单刀十二掷开关SKY13412 切换12 个PCB 射频天线扫描的方式来实现对钥匙栓的读取，相邻的钥匙栓位中心距离为45 mm。

智能钥匙柜的工作流程是当栓有指定钥匙的钥匙栓触发钥匙栓位上的微触开关时，读取该钥匙栓中射频标签的信息，将信息保存到服务器。取钥匙时，根据服务器信息打开指定钥匙栓位上的电磁铁及LED 指示灯。

钥匙栓位的三维图如图1 所示，采用一个推拉式电磁铁来实现钥匙栓的锁住与开启状态，采用一个微触开关来实现对钥匙栓插入钥匙栓位的检测，采用2 个LED 灯来指示钥匙栓位的状态。

图1 钥匙栓位三维图

LED 灯、微触开关、推拉式电磁铁都为金属材料，会对天线性能产生一定的影响[1]，系统要求钥匙栓插入钥匙栓位触发微触开关后能够被准确识别，且不能被相邻的钥匙位识别。这就需要对天线进行特定的设计，以实现准确可靠识别[2]。

2 天线设计

2.1 天线结构选择

钥匙栓中标签的天线为铁氧磁体芯线圈，该智能钥匙柜系统是工作频率为13.56 MHz 的RFID 系统。由于其电磁波的波长远大于识别通信距离，识别天线不是传统意义上的天线，其与钥匙栓标签天线之间可视为变压器耦合。所以，选择电流分布基本一致的平面螺旋电感PCB 天线[3]。

平面螺旋电感天线由于其寄生电容、电阻很小，几乎可以忽略不计，所以常等效为一个电感L。平面螺旋电感天线在使用时常与电容C并联或串联组成LC谐振电路。在谐振频率时，识别天线可将电磁能量传递到钥匙栓中射频标签的天线上。谐振频率可通过式(1)计算出。

由式(1)可知当平面螺旋电感的电感值如果超过5 μH，电容C取值将会很小，这将导致匹配电容很难实现[4]，所以电感的取值常在0.8 μH～1.8 μH。

2.2 天线尺寸的确定

奥斯特实验证明了通电直导线周围存在磁场。由Biot-Savart 定律可知，通电导体产生的磁感应强度Bz与流经导体的电流i1成正比，与距离导体的距离的平方成反比。垂直于平面螺旋电感距其中心x处的磁感应强度Bz的大小为[5-6]:

式中:μ0为真空磁导率4π×10-7，i1为流经导体的电流，N1为平面螺旋电感匝数，a为平面螺旋电感天线边长，x为垂直于平面螺旋电感距其中心的距离。由式(2)可知，在x≤a范围内磁感应强度几乎不变。

当x≥a时，式(2)可化为:

式(3)表明，当x≥a时，磁感应强度Bz的大小与距离x的3 次方成反比。因此，距离平面螺旋电感中心一定范围的磁感应强度Bz变化很小，超过该距离后急剧减小。因此可推断出，对于任何一种期望识别距离都对应一个最佳的天线边长a。假设流经平面螺旋电感中的电流不变，设x为常数式，则式(2)可改写为:

式中:k＝μ0i1N1/2 为常数。式(4)对a求导，令其导数等于0，此时磁感应强度Bz取极值。解得，当a＝时磁感应强度Bz取得极大值，此时磁感应强度Bz最大。因此，平面螺旋电感天线的边长常设计为倍的最大期望识别距离。

经测量，钥匙栓中标签天线距离PCB 板距离约为15 mm，故读写器天线边长设为21 mm。

2.3 天线圈数的确定

根据Mohan S S 等人[7]中介绍，平面螺旋电感天线的电感值可以由以下公式计算得出[7-8]:

图2 平面螺旋电感天线

根据式(4)可以看出，当平面螺旋电感天线的匝数越多其磁场强度越强，因考虑到天线内部需要布置微触开关和2 个LED 指示灯，所以内径不能过小。内径不变的情况下，增多匝数需要较小的线宽及间距。平面螺旋电感天线的线宽及间距需考虑PCB 加工厂家的加工能力及加工误差，经了解调研，选取了线宽0.15 mm，线距0.29 mm，该尺寸能够满足绝大多数的PCB 加工工艺要求。

在上一小节确定外径尺寸为21 mm 的基础上，计算了不同匝数对应的内径及电感值如表1 所示，同时兼顾微触开关和LED 指示灯对内径的要求及2.1 节匹配电容对电感值的要求，选择了匝数为6 的平面螺旋电感天线。

表1 内径电感值与匝数的关系

2.4 天线CST 仿真

在三维电磁场仿真软件CST 中仿真设计的平面螺旋电感天线。为了使仿真结果与实际情况更贴近，在如图3 的仿真模型中除天线外加入了推拉式电磁铁、微触开关、LED 灯的模型。众所周知，导电材料会对磁场产生影响，塑料玻璃基本不会对强磁场产生显著影响，方便起见将推拉式电磁铁、微触开关、LED 灯均设为理想导电体PEC。

图3 CST 仿真模型

仿真结果显示，工作频率为13.56 MHz 时，该平面螺旋电感天线的阻抗为1.45+j108.3，计算其电感为1.271 μH，理论计算的电感值1.255 μH 与仿真结果接近，仿真结果可信。

通过添加磁场监视器，对平面螺旋电感天线的磁场进行仿真。通过调整电磁铁、LED、按键的位置，降低其对线圈产生的磁场的影响。调整后仿真的磁场分布如图4、图5 所示。

图4 垂直天线方向磁场分布图

图5 平行天线方向磁场分布图

从二维平面磁场强度可以看出距离平面螺旋天线越近磁场强度越大，与之前理论分析一致。根据图5 平行天线方向磁场图可看出，磁场主要分布于平面螺旋电感天线的内部，外部的磁场强度很小，这就避免了相邻钥匙栓位天线的干扰，避免引起误识别。从图中可以看出，推拉式电磁铁、微触开关、LED 指示灯对磁场的分布产生了一定的影响，但该影响主要集中在天线附近。在距离天线15 mm 的标签识别区未对磁场分布产生显著的影响，在距离天线中心45 mm 的相邻天线的磁场强度极小。故设计的平面螺旋电感天线适合于该智能钥匙柜应用。

2.5 天线匹配电路的设计

该系统需要使用射频开关进行识别天线的选择，射频芯片与天线之间有一定的距离，所以使用50 Ω 匹配电路更加合适。TRF7970A 的天线接口已经通过匹配电路匹配到50 Ω，这就需要将设计的平面螺旋电感天线的阻抗匹配到50 Ω。使用史密斯圆图工具进行匹配电路设计非常方便，匹配电路采用并联电容、并联电阻、串联电容3 元件匹配电路的形式。

设计时需考虑电路的品质因数Q，品质因数Q是衡量RFID 识别系统工作性能的重要指标。增大Q值会提高传输效率减小损耗，但过高的Q值会导致电感烧毁、电容击穿、电路震荡、系统带宽减小。查阅TRF7970A 芯片手册，其不同协议最高需求带宽是1.5 MHz，考虑到误差，将带宽设置为1.8 MHz，根据品质因数与带宽BW 的关系[9]:

对匹配电路R进行参数扫描，结果如图6 所示，当R＝800 时，有着需要的带宽并且匹配良好。考虑到实际应用，将R取值为820 Ω。

图6 回波损耗随电阻R 变化曲线

通过图7 史密斯圆图进行匹配电路的设计[10]。天线的阻抗设置为仿真的阻抗1.45+j108.3。并联56 pF 电容将阻抗旋转至阻抗点2。接下来，通过并联820 Ω 电阻将阻抗从阻抗点2 旋转到阻抗点3；此时阻抗近似在50 Ω 圆上。最后的匹配元件是一个串联的57 pF 电容器，它将阻抗从阻抗点3 旋转到61.888-j0.371，这个电容器被分成47 pF 和10 pF 2 个并联电容器，方便对天线频率的微调，同时减少寄生成分。

图7 史密斯圆图阻抗匹配仿真

如图8 所示设计的匹配电路使用ADS 进行仿真计算，仿真的S11曲线如图9 所示。

图8 天线及阻抗匹配电路

图9 ADS 仿真结果

3 天线测试

电路板设计采用2 mm 厚的FR4 板材。顶层焊接微触开关、LED 灯及匹配电路。第2 层为天线线圈及大范围地，大范围地保证了传输线的阻抗，进而保证了射频信号传输的信号完整性。

加工完成后的天线及电路如图10 所示，安装上钥匙栓座、推拉式电磁铁、LED 灯、微触开关后使用中电41 所的AV3620 矢量网络分析仪进行测试[11]，设置起始频率12 MHz、终止频率15 MHz，测试结果如图11 所示。

图10 天线及电路实物图

图11 测试结果

测试结果表明，设计的天线及其匹配电路10 dB回波损耗带宽为1.118 MHz，从经验法则来看，天线的3 dB 带宽是10 dB 回波损耗带宽的2 倍，故天线的带宽为2.236 MHz。仿真计算结果与测试结果相近。

通过编写STM32 嵌入式程序，对图10 电路板中的TRF7970A 射频识别芯片进行读标签测试[12]，测试发现可以对插入钥匙栓位中的钥匙栓标签ID进行准确读取，长时间读取未发现读取失败现象。当相邻钥匙栓位有标签时，也未发现误读现象。设计的平面螺旋电感天线适合于该智能钥匙柜应用。

4 结论

(1)通过对平面螺旋电感天线的理论分析、设计仿真、实物测试，证明了平面螺旋电感天线在智能钥匙柜中应用的可行性。

(2)使用三维电磁场仿真软件CST 对平面螺旋电感天线进行电感值和磁场仿真，使仿真的平面螺旋电感的电感值更加准确，利于后期的匹配电路设计。磁场的仿真增加了设计的准确性，对RFID 射频天线的设计具有较好的参考价值。

(3)最后，通过编写程序，对系统进行整体测试，结果表明设计的平面螺旋电感天线达到了预期的效果。