近年來，射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)取得了廣泛的商業(yè)應(yīng)用，特別是我國政府于2009年開始出臺(tái)相關(guān)政策，提出要大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，而物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一即為RFID。在RFID系統(tǒng)中，天線作為能量的轉(zhuǎn)換器，在發(fā)送和接收信息的過程中實(shí)現(xiàn)了電磁能量的相互轉(zhuǎn)換。因此，天線的性能好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。

　　本文設(shè)計(jì)的天線基于NXP公司的RC52X射頻芯片，工作頻率為13.56MHz，射頻芯片通過匹配電路驅(qū)動(dòng)天線工作。該天線尺寸只有普通RFID閱讀器天線的30%～50%。通過安捷倫(Agilent)公司的ADS軟件對(duì)天線及匹配電路進(jìn)行仿真優(yōu)化，天線S11小于-30dB，實(shí)現(xiàn)了很好的匹配。實(shí)測(cè)表明，該天線的讀卡距離達(dá)到35mm。

　　2天線設(shè)計(jì)

　　13.56MHz的工作頻率位于高頻頻段，其工作原理屬于磁場(chǎng)耦合方式，通信距離較近(遠(yuǎn)小于其工作波長)[1]。天線根據(jù)具體使用環(huán)境一般設(shè)計(jì)成矩形、圓形等[2-4]。

　　對(duì)于矩形天線，其關(guān)鍵幾何參數(shù)有如下6個(gè)：天線線圈外圍長度A;外圍寬度B;導(dǎo)體寬度W;導(dǎo)體厚度t;線圈間距S與線圈圈數(shù)N，如圖1所示。這些參數(shù)對(duì)天線主要電參數(shù)電感值L有如下影響：增加天線的尺寸(長×寬)，則電感增大;增加導(dǎo)體寬度W，則電感減小;增加線圈圈數(shù)N，則電感增大。常用天線的電感L一般小于5μH，否則阻抗匹配較難實(shí)現(xiàn)。綜合以上因素以及電路加工工藝要求，本文設(shè)計(jì)的矩形天線的幾何參數(shù)為：A=30mm，B=20mm，W=0.5mm，S=0.5mm，N=6，導(dǎo)體厚度t根據(jù)常用加工工藝取為0.035 mm。

　　圖1 天線的幾何尺寸

　　天線基板采用的是柔性線路板(FPC)，厚度為普通PCB硬板的十幾分之一，重量也比硬板輕很多。天線的外圍尺寸只有普通閱讀器天線的1/2～1/3，甚至更小，為閱讀器節(jié)省了空間。由于FPC板材可自由彎曲、折疊、卷繞，而輕微的彎曲基本不會(huì)影響天線的性能，所以也為天線在閱讀器中的空間布局提供了很大的便利。圖2為加工制作的天線實(shí)物圖。

　　圖2 天線實(shí)物圖

　　圖3 天線的等效電路

　　3 天線等效及匹配電路

　　3.1 天線的等效電路

　　天線自身可等效為圖3所示的RLC電路。其中Rcoil為天線的等效電阻，L為天線電感，Ccoil為使用接地屏蔽層時(shí)，天線線圈與地之間的電容，而對(duì)于本文設(shè)計(jì)的天線，由于柔性電路板厚度很小，使用接地屏蔽將會(huì)導(dǎo)致天線自諧振頻率很低，甚至小于天線工作頻率13.56MHz，導(dǎo)致很難進(jìn)行阻抗匹配，所以本文天線未使用接地層，此時(shí)Ccoil為天線上下層導(dǎo)帶交疊引起的等效電容。

　　3.2 天線匹配電路

　　閱讀器與天線之間可采用直接匹配電路連接，也可采用50Ω同軸電纜連接，前者適用于射頻模塊與天線間距離較小的系統(tǒng)，后者適用于射頻模塊與天線間距離較遠(yuǎn)的系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用中，天線一般置于閱讀器內(nèi)部，與射頻模塊之間的距離一般較小，所以直接匹配電路的連接方式取得了廣泛的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)的天線與閱讀器之間即采用直接匹配電路相連。

　　RC52X射頻芯片發(fā)送端口要求的阻抗為40～50Ω[5]，要想實(shí)現(xiàn)天線的正常工作，需要在天線與芯片發(fā)送端口之間加阻抗變換電路，實(shí)現(xiàn)天線與射頻芯片端口的阻抗匹配。為消除高次諧波對(duì)其它電路的影響，在阻抗匹配電路中增加低通濾波環(huán)節(jié)[6]，整體電路如圖4所示。

　　圖4 天線匹配電路

　　圖中TX1、TX2為射頻芯片發(fā)送端，兩個(gè)發(fā)送端輸出等幅反相的差分信號(hào)來驅(qū)動(dòng)天線工作。TVSS為接地端，L0、C0構(gòu)成低通濾波電路，Cs為串聯(lián)電容，Cp為并聯(lián)電容，Rext為外接可調(diào)電阻，用來調(diào)整電路的品質(zhì)因數(shù)Q，由于：

　　式中的品質(zhì)因數(shù)Q，根據(jù)ISO14443對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)制方式的規(guī)定，可計(jì)算得到Q≤40.68，實(shí)際應(yīng)用中一般取10～40，天線電感L與電阻Rcoil可通過相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算求得，或者通過電磁場(chǎng)全波仿真軟件獲得，如ADS momentum或Q3D，亦可使用阻抗分析儀或者矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量得到。

　　4結(jié)果和分析