引 言

　　天線是一種轉能器。發射時，它把發射機的高頻電流轉化為空間電磁波;接收時，它又把從空間截獲的電磁波轉換為高頻電流送入接收機。對于設計一個應用于射頻識別系統中的小功率、短距離無線收發設備，天線設計是其中的重要部分。良好的天線系統可以使通信距離達到最佳狀態。天線的種類很多，不同的應用需要不同的天線。在小功率、短距離的RFID系統中，需要一個通信可靠、價格低廉的天線系統，PCB 環型天線是比較常用的一種。

　　所設計的RFID 閱讀器使用的射頻芯片是RI-R6C-001A。由于該芯片要求的天線

阻抗為50 Ω，工作于13，56 MHz，因此在設計中，采用PCB 環型天線。PCB 環型天線是電小環天線的一種。所謂電小環天線，一般定義為其中：l 為天線的最大幾何尺寸;λ 為工作波長。

　　1 PCB 環型天線的設計

　　天線主要是基于TI 公司的ASIC 設計的，用于200mW 的低功率閱讀器，適合于所選的射頻芯片。

圖中將要在計算中用到的物理參數有以下4 個：A1，環型天線寬度(m);A2，環型天線長度(m);B1，環型導體厚度(m);B2，環型導體寬度(m)。

　　對于PCB 環型天線，導線厚度B1 就是TOP 層上銅走線的厚度。在計算天線的參數時，矩形天線可以簡化為一個正方形等效電路模型，而二維平面的環型導體可以等效為圓形截面的導線。由圖2 可知，正方形等效電路的邊長為：

　　這個等效邊長在以后的環面積、感應系數的計算中都要用到。環型導體等效導線截面圓半徑B 由下式給出：

　　在靜電學上，等效圓導線半徑表示該半徑下的圓導線所具有的電容與截面是非圓形導體所具有的電容相等。下面分析環型天線的等效電路。環型天線激勵點的電壓和電流通過環的輸入阻抗聯系起來，即V=ZI0。為了評估用于天線諧振的電容Z′IN，環型天線的輸入阻抗必須確定;同樣，為了評估天線效率和輻射阻抗，環型導體內的歐姆損耗和其他歐姆損耗也必須確定下來。在發射模式下，環型天線輸入阻抗的等效電路如圖3 所示。

　　環型天線輸入阻抗ZIN 可由下式給出：

　　式中：RR 為輻射電阻;RL 為環型導體損耗電阻;RX 為額外歐姆損耗電阻;LA 為環型天線電感;L1 為環型導體電感。

　　輻射電阻為：

式中：

　　為諧振頻率;RR 單位為Ω。

　　環型導體損耗電阻為：

　　式中：l 為金屬環形導體長度，p 為環形導體交叉部分的周長，RS 為導體表面電阻，μ0 為4π×10-7H/m;σ 為導體電導率;R1 單位為Ω。

　　額外歐姆損耗電阻主要來自電容CP 上的等效串聯電阻：

　　式中：RX 的單位為Ω。

　　環型天線的品質因數Q 主要決定于CP 上的等效串聯電阻。一個與CP 并聯的電阻RQ可以用來控制天線的品質用數Q，這個電阻的加入會減小天線的輸入阻抗。圖3 中，并聯于輸入阻抗ZIN 的電容CP 起諧振天線的作用，用于抵消在工作頻率下的輸入阻抗ZIN 的虛部;CP 也可用來表示分布寄生電容。CP(單位為F)由下式給出：

　　另外，天線的Q 值必須與用來調諧天線到正確頻率的電容相匹配。環型天線的Q

　　值可以根據下式來選擇

　　式中：tol 變量是電容的誤差值。這一等式的基礎是假定由電容變化引起的輻射功

　　率變化不超過3 dB。

　　2 PCB 環型天線的調試

　　設計的PCB環型天線必須再接一些附加元件才可以使用。調試的過程就是通過專

　　用儀器確定這些附加的參數，以保證天線的輸入阻抗等于50Ω;同時使輸入信號的相移最小(最好是0)，調試電路如圖4 所示，作用是調節所設計的天線的兩個可調電容。具體做法是接上電容值盡可能接近理論值的c。、G，然后分別并聯一個理論值為l/5～1/10 的呵調電容，反復調節，使輸入阻抗盡可能接近50Ω，同時相移最小。

　　將調試好的C1、C2 接到PCB 板天線上，然后通過同軸電纜接到閱讀器上，即可

　　滿足要求。具體調試流程如圖5 所示。

　　在輸入阻抗為50Ω 情況下，如果相移大于O，則減小C1;如果相移小于O，則增

　　大C1。在相移等于O 的情況下，如果阻抗小于50Ω，則減小C2;如果阻抗大于50Ω，則增大G2。3 天線調諧和天線匹配的研究

　　3.1 調諧電容的研究

　　帶有天線的閱讀器的等效電路如圖6 所示，產生交變磁場所需的導體回路由線

　　圈L1 表示，串聯電阻R1 相當于導體回路L1 中線繞電阻的歐姆損耗。為了在閱讀器的工作頻率為fTX的情況下在導體回路L1 中獲得最大的電流，從而產生最大磁場強度H，經電容器C1 的串聯形成了諧振頻率fRES=fTX 的串聯諧振電路。

　　圖6 中，閱讀器的發送器出口產生高頻電壓u2，接收器直接與天線線圈L1 相連

接。串聯諧振電路的總阻抗Z1 為各項單阻抗之和，即：

　　對諧振頻率fRES 來說，L1 和C2 的阻抗相互抵消。總阻抗Z1 儀由R1 確定，并達到最小值。此時，天線電流i1 在諧振頻率的情況下達到最大值，并且(假沒為理想電壓源的情況下Ri=0)由發送器終端級的電源電壓u0 和線圈電阻R1 可以算出：

　　跨導體回路電感的電壓u1 和電容器C1 上的電壓uC1 是反相的，并且由于電流

　　i1 在諧振頻率的情況下相互抵消。然而，單項值可能很大。盡管電源電壓u0 很小，多為幾伏，但在L1 和C1 上很容易達到幾百伏的數值。因此，在設計具有高電流的回路天線時，一定要注意使用的元件;特別是電容器應有足夠的耐壓強度，否則很容易被擊穿破壞。

　　3.2 天線連接的匹配研究

　　根據閱讀器所使用的頻率范圍，使用不同的方法將滅線線圈連接到閱讀器發送

　　器的輸出端.通過功率匹配將天線線圈直接連接到功率輸出級，或通過同軸電纜饋送到天線線圈。圖7 為采用50Ω 技術的電感耦合式射頻識別系統的電路圖。天線線圈L1 在射頻識別系統的工作頻率范圍內表現為阻抗ZL。為了實現與50Ω 系統的功率匹配，必須通過無源的匹配電路將此阻抗轉換為50 n，然后通過同軸電纜即可幾乎無損失且無輻射地將此功率從閱讀器末級傳送到匹配電路。

　　結語

　　經過調試，所設計的PcB 環型天線已經可用于所設計的基于RI—R6c—001A 射

　　頻芯片和PIcl6F874 控制器的閱讀器卜，對研究RFID 技術具有一定的參考價值。