引言
RFID(Radio Frequency Identification)，中文稱為無線射頻身份識別是一種非接觸式IC卡技術(shù)。它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)。RFID技術(shù)具有很多突出的優(yōu)點：防水、防磁、耐高溫、無機械磨損、壽命長、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更改自如等。通常情況下，RFID閱讀器發(fā)送的頻率稱為RFID系統(tǒng)的工作頻率或載波頻率。RFID載波頻率基本上有3個范圍：低頻(30kHz～300kHz)、高頻(3MHz～30MHz)和超高頻(300MHz～3GHz)。常見的工作頻率有低頻125kHz與134.2kHz、高頻13.56MHz、超高頻433MHz、860MHz～930MHz、2.45GHz等。
一個完整的RFID系統(tǒng)由閱讀器(Reader)、標(biāo)簽(Tag)和應(yīng)用程序三部分組成。其工作原理為：由Reader發(fā)射一個特定頻率的無線電波，將能量傳送給Tag，激活Tag內(nèi)部電路，然后Tag將其IDCode發(fā)送出去，此信號被Reader接收后解碼，再發(fā)送給應(yīng)用程序做進一步處理應(yīng)用。
一般來說，工作頻率為13.56MHz的射頻標(biāo)簽被稱為高頻段標(biāo)簽，但是其識別原理同低頻類似，即采用電磁耦合的方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得能量，標(biāo)簽與閱讀器進行數(shù)據(jù)交換時，標(biāo)簽必須位于閱讀器天線輻射的近場區(qū)內(nèi)。閱讀距離一般情況下小于1m。
天線設(shè)計
在天線的設(shè)計時，主要考慮兩方面，一是設(shè)計尺寸合適的天線，二是搭建天線與閱讀器的匹配電路。
天線尺寸
天線線圈是一個諧振電路，在特定頻率上，當(dāng)感應(yīng)阻抗(XL)等于電容阻抗(XC)時，天線會產(chǎn)生諧振，它們之間的關(guān)系如下式所示：
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增加線圈尺寸必然帶來電感值的增大，就需要一個比較小的電容。當(dāng)電感值超過5μH，電容的匹配就會有問題，所以我們使用低阻抗的銅管來制作天線，尺寸為50cm×50cm，銅管直徑15mm，其電感值為L=2.2μH。
天線的作用有兩個，一個是建立穩(wěn)定的激勵磁場，另一個是接受來自標(biāo)簽的調(diào)制信號。標(biāo)簽要在距天線一定距離的地方獲得穩(wěn)定的工作電源，就必須和天線有較大的互感系數(shù)，同時天線的磁通也要盡可能的大。天線要在與標(biāo)簽保持一定距離的地方獲得較強的調(diào)制信號，就必須有合適的品質(zhì)因數(shù)。
品質(zhì)因數(shù)(Q)
天線的性能與它的品質(zhì)因數(shù)有關(guān)。一般來說，Q值越高，天線的輸出能量越高，不過，Q值太高，容易干擾讀取器的帶通特性，而且無法遵從協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，Q值取20比較適當(dāng)。
當(dāng)品質(zhì)因數(shù)Q=20時，系統(tǒng)帶通特性較好，帶寬也比較大。一般情況下，大多數(shù)系統(tǒng)的最佳品質(zhì)因數(shù)為10～30，最大不能超過60。
天線的品質(zhì)因數(shù)可以通過頻譜分析儀來進行測量，將頻譜分析儀的刻度調(diào)節(jié)為1dB/div，調(diào)節(jié)頻率直到信號的最大振幅都能完全顯示在屏幕上，通過降低和升高頻率，可以在屏幕上找到上下-3dB的點，并記錄其頻率。然后通過下面的公式來計算：
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天線的帶寬計算公式為
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匹配電路
為了增加天線所產(chǎn)生的磁場強度，需要增大天線線圈中的電流。本系統(tǒng)采用變壓器匹配的方法增大電流。如圖1所示。
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圖1 匹配電路
其中，不平衡變壓器可以平衡負載，使天線線圈中的電流不干擾接收電路的信號。匹配電壓器用來放大天線線圈中的電流。根據(jù)變壓器的原理，N1/N2=I2/I1，其N1/N2為變壓器兩個繞組的匝數(shù)比，通過控制匝數(shù)比，可以相應(yīng)的增加天線線圈中的電流。實際電路中的匝數(shù)比可以通過下式來計算：
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式中，Rin為輸入電阻，Rpar為匹配電阻，L為電感。
為了使天線在13.56MHz頻段上達到諧振，即滿足公式(1)，應(yīng)當(dāng)選取適當(dāng)?shù)碾娙軨par，
在實際設(shè)計過程中，我們使用了一個10～80pF的可調(diào)云母電容和一個0.8 ～10pF的氣隙可調(diào)電容并聯(lián)，通過改變可調(diào)電容的值來達到電路的諧振。
卷標(biāo)天線
為了增強讀取器與卷標(biāo)之間的互感，可以增大卷標(biāo)上的天線。由于卡片尺寸的限制，本系統(tǒng)卷標(biāo)天線的尺寸為3cm×3cm，使用細銅絲繞制。
結(jié)束語
本系統(tǒng)經(jīng)過實際使用表明，天線有效距離增大，單個天線的有效讀卡距離達到60cm，當(dāng)兩個天線并聯(lián)使用時，最大有效距離可以達到120cm，極大的提高了系統(tǒng)的使用價值。
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