电路设计_13.56MHz RFID读写器天线的设计和仿真

实用软件：Ansoft HFSS

电磁耦合 电磁感应

变压器原理 

法拉第电磁感应原理

由于电磁波的波长远大于识别距离（为什么是远大于），可等效为变压器耦合方式，采用小型环形或方形天线为其最佳选择。

天线等效电路：

通过此谐振电路，读写器可将能量传输至射频卡，并与卡进行通信，谐振频率可调谐到读写器的工作频率13.56MHz，由汤姆逊公式得出：

当电感超过5uH时，电容取值很小，电感在0.8~1.8uH时，电容的匹配较容易实现。

天线尺寸理论依据：

磁场的磁感应强度与流经导体的电流Ia成正比，与距导体的距离成反比。

根据毕奥萨伐尔定律得，距环形或方形线圈中心垂直距离为x处的点的磁感应强度Bx的大小为：

式中，i为电流；N 为线圈匝数；a为线圈边长；x为 离线圈中心的垂直距离；u为真空磁导率。

从线圈中心到一定距离的磁场强度几乎不变，而后急剧下降。对于每种RFID系统的可识别距离都对应有一个最佳的天线边长a。

（求导，计算极大值，数学知识补充）

读写器天线的最佳边长值等于最大期望阅读 作用距离的 倍。

天线电感值与Q值的计算：

环形 和方形天线电感值可由如下公式估算

式中，l1为一圈(匝)导线环的长度(cm)；D 为线圈 导线的宽度(mm)；K=1.07(环形天线)或1.47(方 形天线)；N为线圈的匝数；In为自然对数函数。

假设电感取值1.6uH，一圈导线环的长度l1=16cm，线圈未方形（K为1.47），可求出线圈匝数与线宽的变化关系，线宽一般取值为0.5~1.5mm。

品质因子Q值表示电感线圈的损耗性能，Q 值越高，天线的输出能量越高，然而太高的Q值会 干扰读写器的带通特性。

天线的品质因子由下面的公式定义：

式中，w=2πf，f为谐振频率；R 为天线等效 电阻；L 为天线的等效电感。一般RFID系统的品 质因子在10～30取值，最大不要超过60，以保证足够的带宽。

加补偿线圈后电感线圈表 面的磁场强度有所加强。原因分析：电感线圈存在寄 生电容，在末端加上开路线圈后，开环的感应电流与 

电感线圈里寄生电容的电流大小几乎相等，但方向相反，这样就抵消了电感线圈的寄生电容所产生的电 流，相当于避免地电流的产生，减小了电感线圈的功率损耗，从而相对提高了电感的磁场强度。