引言

近年来，射频识别(RFID)技术取得了广泛的商业应用，特别是我国政府于2009年开始出台相关政策，提出要大力发展物联网技术与产业，而物联网的核心技术之一即为RFID。在RFID系统中，天线作为能量的转换器，在发送和接收信息的过程中实现了电磁能量的相互转换。因此，天线的性能好坏直接影响整个系统的性能。

本文设计的天线基于NXP公司的RC52X射频芯片，工作频率为13.56MHz，射频芯片通过匹配电路驱动天线工作。该天线尺寸只有普通RFID阅读器天线的30%～50%。通过安捷伦(Agilent)公司的ADS软件对天线及匹配电路进行仿真优化，天线S11小于-30dB，实现了很好的匹配。实测表明，该天线的读卡距离达到35mm。

一、天线设计

13.56MHzRFID读写器的工作频率位于高频频段，其工作原理属于磁场耦合方式，通信距离较近(远小于其工作波长)。天线根据具体使用环境一般设计成矩形、圆形等。

对于矩形天线，其关键几何参数有如下6个：天线线圈外围长度A;外围宽度B;导体宽度W;导体厚度t;线圈间距S与线圈圈数N，如图1所示。这些参数对天线主要电参数电感值L有如下影响：增加天线的尺寸(长×宽)，则电感增大;增加导体宽度W，则电感减小;增加线圈圈数N，则电感增大。常用天线的电感L一般小于5μH，否则阻抗匹配较难实现。综合以上因素以及电路加工工艺要求，本文设计的矩形天线的几何参数为：A=30mm，B=20mm，W=0.5mm，S=0.5mm，N=6，导体厚度t根据常用加工工艺取为0.035 mm。

天线基板采用的是柔性线路板(FPC)，厚度为普通PCB硬板的十几分之一，重量也比硬板轻很多。天线的外围尺寸只有普通阅读器天线的1/2～1/3，甚至更小，为阅读器节省了空间。由于FPC板材可自由弯曲、折叠、卷绕，而轻微的弯曲基本不会影响天线的性能，所以也为天线在阅读器中的空间布局提供了很大的便利。图2为加工制作的天线实物图。

二、天线等效及匹配电路

1、 天线的等效电路

天线自身可等效为图3所示的RLC电路。其中Rcoil为天线的等效电阻，L为天线电感，Ccoil为使用接地屏蔽层时，天线线圈与地之间的电容，而对于本文设计的天线，由于柔性电路板厚度很小，使用接地屏蔽将会导致天线自谐振频率很低，甚至小于天线工作频率13.56MHz，导致很难进行阻抗匹配，所以本文天线未使用接地层，此时Ccoil为天线上下层导带交叠引起的等效电容。

2 天线匹配电路

阅读器与天线之间可采用直接匹配电路连接，也可采用50Ω同轴电缆连接，前者适用于射频模块与天线间距离较小的系统，后者适用于射频模块与天线间距离较远的系统。实际应用中，天线一般置于阅读器内部，与射频模块之间的距离一般较小，所以直接匹配电路的连接方式取得了广泛的应用，本文设计的天线与阅读器之间即采用直接匹配电路相连。

RC52X射频芯片发送端口要求的阻抗为40～50Ω[5]，要想实现天线的正常工作，需要在天线与芯片发送端口之间加阻抗变换电路，实现天线与射频芯片端口的阻抗匹配。为消除高次谐波对其它电路的影响，在阻抗匹配电路中增加低通滤波环节[6]，整体电路如图4所示。

射频芯片发送端，两个发送端输出等幅反相的差分信号来驱动天线工作。TVSS为接地端，L0、C0构成低通滤波电路，Cs为串联电容，Cp为并联电容，Rext为外接可调电阻，用来调整电路的品质因数Q，由于：

式中的品质因数Q，根据ISO14443对数据调制方式的规定，可计算得到Q≤40.68，实际应用中一般取10～40，天线电感L与电阻Rcoil可通过相关经验公式计算求得，或者通过电磁场全波仿真软件获得，如ADS momentum或Q3D，亦可使用阻抗分析仪或者矢量网络分析仪测量得到。