一种RFID系统天线的设计和实现

中有电流通过时，线圈的周围就会产生磁常当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势（电动势用以表示有源元件理想电源的端电压），这就是自感。两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。

　　电感量值的物理意义是：在电流包围的总面积中产生的磁通量与导体回路包围的电流强度之比。实际RFID天线调试的时候，读写器天线电感量值可以通过阻抗分析仪测出，在条件有限的情况下，也常采用估算公式进行估算。假定导体的直径d与导体回路直径D之比很小（d/D<0.001），则导体回路的电感可简单地近似为：

　　式中：N为绕线天线的匝数；R为天线线圈的半径；d为导体的内径；μ0为自由空间磁导率。

　　线圈匝数还有以下的近似公式进行估算，在实际应用中，两个公式可以进行对照使用：

式中：L为线圈电感，单位为nH;A为天线线圈包围面积，单位为cm2;D为导线直径，单位为cm.

　　1.6 天线的品质因数

　　天线的性能还与它的品质因数有关。Q既影响能量的传输效率，也影响频率的选择性。过高的Q值虽然能使天线的输出能量增大，但是同时，读写器的通带特性也会受到影响。所以在实际调节Q值的时候，要进行折中的考虑。调节Q值，是通过在R-L-C等效电路上面串接一个电阻R1实现的，具体的公式如下：

　　Q=ωL/（R+R1） （8）

　　2 实际调试

　　RFID天线的设计需要考虑很多因素，上述几个是实际的调试过程中的重要物理参量。明确了上述物理参量之后，在给定期望距离以及工作频率等RFID系统要求之后，在条件有限的情况下，就可以根据需要进行简单的RFID天线设计了。下面给出一个应用于轨道交通的RFID天线设计的实际例子。此处设计一个期望最大作用距离为1 cm,工作频率在125 kHz的绕线天线，系统要求阅读器天线线圈的半径尽量小，不超过1 cm.具体步骤如下：

　　首先确定天线的最佳半径，不宜太大也不宜太小，理想的最佳天线半径应当为期望作用距离的2倍，在实际设计的时候，应当根据设计需求在设计中进行折衷的考虑，在保证系统要求的前提下，尽可能地接近最佳值。本例中阅读器天线的最佳半径应当为1.4

　　cm,但是考虑到系统对于天线半径尺寸的要求不超过1 cm,所以实际中取半径为0.8

　　cm.在允许的条件下，为使效果更好，可以加入一个带有适量铁氧体的天线骨架、天线以及阅读器板子，如图3所示。

其次，再根据工作频率以及系统本身的要求确定电感量的大致范围，本系统中取电感量在600~800μH.再者，用电感量与匝数关系的经验公式大致估计绕线的匝数。本例中，取电感量在700μH,用直径为0.27 mm的铜导线进行绕制天线。由公式

　　计算出匝数大概在266圈左右，绕完后，根据汤姆逊公式

　　选取所用的调谐电容。用相关的仪器（如频谱仪和矢量网络分析仪）测量出谐振频率，这个时候，由于电感只是估算的，而且选用的匹配电容也是具有一定标称值的，并不能做到与计算一致，所以总是会存在误差。

　　由于调谐的电容是已知的，而且有固定的标称值，可以根据汤姆逊公式由这个时候测得的频率反推出在恰好达到此频率的时候所需要的电感的大小，即绕线线圈电感。看频率的偏移情况，按电感量估算公式逐步增加或者减少线圈匝数，直到达到指定的谐振频率125 kHz.用矢量网络分析仪以及频谱仪测谐振频率的实际图片如图4,图5所示。

3 结 语

　　根据矢量网络分析仪以及频谱分析仪的显示，本RFID天线已经成功谐振在125 kHz.接下来便可根据所提到的公式，计算出调Q值所用的电阻的大小，然后根据系统的要求进行进一步的联调测试了。实际工程中，RFID读写器及标签有各种电路结构，但是归根到底都是等效成R-L-C谐振电路的，比如说PHILIPS的MIFARE系列读写器的天线设计，所以本文对于各种RFID系统的天线设计具有普遍的指导意义。