阅读器的天线设计

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RFID(Radio Frequency Identification)技术目前应用广泛,常见的有门禁系统、公交刷卡系统、图书管理系统等。
 
RFID系统通常由应答器、阅读器、和应用软件系统组成。应答器和应用系统这里不作赘述,主要对阅读器进行讨论。阅读器也就是我们通常所说的读卡器,主要由三部分组成:射频芯片、天线、耦合元件。
 
因物联网的火热,很多半导体厂家将射频芯片高度集成并封装成了一个很小的IC上,例如迈来芯公司生产的MLX90121。MLX90121一般是用来做标签的,也就是应答器。我们这里先对MLX90121做一个简单的测评分析:
 
MLX90121结构设计框图如下:
 
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原理图如下:
 
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上图中值得叙述的是CV1这颗可调电容,可以通过对它的电容值调节来调整阻抗匹配到最优的50ohm,这样可以使得天线读卡距离更远。除了CV1以外,天线PCB设计也尤为重要,我们来详细说说。
 
要设计一款阅读器,首先要确定其板子大小,板子尺寸确定了也就基本确定了天线的尺寸,我们采用天线围着板子边缘绕圈圈,将射频芯片和其他元器件包围在圈圈之内的方式,因为这样天线可以做到最大化,天线越大对读卡距离越有优势。如下图所示:
 
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确定了天线的大小和圈数之后,我们建议采用4层板布线,这样做的目的是在顶层和底层可以加入屏蔽层,屏蔽层可以减少天线线圈本身产生的电场。需要注意的是这个屏蔽层(上图灰色部分)绝对不可以形成回路,这样不仅可以提供电子屏蔽,还可以对EMC起到改良作用。天线的内部结构如下图所示:
 
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除了布线之外,在设计之初,天线的电感值是一个很重要的参数,但是我们不可能精确的计算出来,也没有这个必要。但是可以进行简单的估算。建议采用环形或者矩形天线的设计方法,电感值的估算公式如下:
 
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上述公式可以简单的估算出电感值,但实际天线的电感值由以下几点确定:
1)PCB的类型
2)导线的厚度
3)线圈间距
4)屏蔽层
 
除了天线的设计以外,环境的变化也会对读卡器的效果产生影响。任何变化磁场都会在靠近读卡器天线的金属元件上感应出电压,这个感应电压会在金属平面上产生涡流,而涡流会导致天线去调并减弱磁场。这些效应的结果是减少工作距离以及可能产生传输出错。天线本身和匹配电路的电子参数温度漂移也可能会产生去调结果,会减少天线的发送功率并减少工作距离。
 
以上手段只是从画图角度尽量使得阅读器有更好的读卡效果,但远远达不到产品化的水平,各位大神在设计之时,一定要多多查找学习该类产品的设计方法,必要时候也可以借助示波器和阻抗分析仪进行调谐,使得阅读器达到最远和最佳的读卡效果。
 
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