引 言
天線是一種轉(zhuǎn)能器。發(fā)射時，它把發(fā)射機的高頻電流轉(zhuǎn)化為空間電磁波；接收時，它又把從空間截獲的電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流送入接收機。對于設(shè)計一個應(yīng)用于射頻識別系統(tǒng)中的小功率、短距離無線收發(fā)設(shè)備，天線設(shè)計是其中的重要部分。良好的天線系統(tǒng)可以使通信距離達到最佳狀態(tài)。天線的種類很多，不同的應(yīng)用需要不同的天線。在小功率、短距離的RFID系統(tǒng)中，需要一個通信可靠、價格低廉的天線系統(tǒng)，PCB環(huán)型天線是比較常用的一種。
所設(shè)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(shè)計中，采用PCB環(huán)型天線。PCB環(huán)型天線是電小環(huán)天線的一種。
所謂電小環(huán)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(huán)型天線的設(shè)計
天線主要是基于TI公司的ASIC設(shè)計的，用于200mW的低功率閱讀器，適合于所選的射頻芯片。圖1是制作的PCB環(huán)型天線。

圖2顯示了該矩形環(huán)型天線的幾何尺寸。圖中將要在計算中用到的物理參數(shù)有以下4個：A1，環(huán)型天線寬度(m)；A2，環(huán)型天線長度(m)；B1，環(huán)型導(dǎo)體厚度(m)；B2，環(huán)型導(dǎo)體寬度(m)。

對于PCB環(huán)型天線，導(dǎo)線厚度B1就是TOP層上銅走線的厚度。在計算天線的參數(shù)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(huán)型導(dǎo)體可以等效為圓形截面的導(dǎo)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(huán)面積、感應(yīng)系數(shù)的計算中都要用到。
環(huán)型導(dǎo)體等效導(dǎo)線截面圓半徑B由下式給出：

在靜電學(xué)上，等效圓導(dǎo)線半徑表示該半徑下的圓導(dǎo)線所具有的電容與截面是非圓形導(dǎo)體所具有的電容相等。
下面分析環(huán)型天線的等效電路。
環(huán)型天線激勵點的電壓和電流通過環(huán)的輸入阻抗聯(lián)系起來，即V=ZI0。為了評估用于天線諧振的電容Z′IN，環(huán)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(huán)型導(dǎo)體內(nèi)的歐姆損耗和其他歐姆損耗也必須確定下來。在發(fā)射模式下，環(huán)型天線輸入阻抗的等效電路如圖3所示。

環(huán)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(huán)型導(dǎo)體損耗電阻；RX為額外歐姆損耗電阻；LA為環(huán)型天線電感；L1為環(huán)型導(dǎo)體電感。
輻射電阻為：

式中：為諧振頻率；RR單位為Ω。
環(huán)型導(dǎo)體損耗電阻為：

式中：l為金屬環(huán)形導(dǎo)體長度，p為環(huán)形導(dǎo)體交叉部分的周長，RS為導(dǎo)體表面電阻，μ0為4π10-7H／m；σ為導(dǎo)體電導(dǎo)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(lián)電阻：

式中：RX的單位為Ω。
環(huán)型天線的品質(zhì)因數(shù)Q主要決定于CP上的等效串聯(lián)電阻。一個與CP并聯(lián)的電阻RQ可以用來控制天線的品質(zhì)用數(shù)Q，這個電阻的加入會減小天線的輸入阻抗。圖3中，并聯(lián)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(diào)諧天線到正確頻率的電容相匹配。環(huán)型天線的Q值可以根據(jù)下式來選擇：

式中：tol變量是電容的誤差值。這一等式的基礎(chǔ)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(huán)型天線的調(diào)試
設(shè)計的PCB環(huán)型天線必須再接一些附加元件才可以使用。調(diào)試的過程就是通過專用儀器確定這些附加的參數(shù)，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(diào)試電路如圖4所示，作用是調(diào)節(jié)所設(shè)計的天線的兩個可調(diào)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(lián)一個理論值為l／5～1／10的呵調(diào)電容，反復(fù)調(diào)節(jié)，使輸入阻抗盡可能接近50Ω，同時相移最小。

將調(diào)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(diào)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(diào)諧和天線匹配的研究
3．1 調(diào)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(chǎn)生交變磁場所需的導(dǎo)體回路由線圈L1表示，串聯(lián)電阻R1相當(dāng)于導(dǎo)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(dǎo)體回路L1中獲得最大的電流，從而產(chǎn)生最大磁場強度H，經(jīng)電容器C1的串聯(lián)形成了諧振頻率fRES=fTX的串聯(lián)諧振電路。

圖6中，閱讀器的發(fā)送器出口產(chǎn)生高頻電壓u2，接收器直接與天線線圈L1相連接。串聯(lián)諧振電路的總阻抗Z1為各項單阻抗之和，即：