射频识别技术漫谈(21)——RC系列射频芯片的天线设计

个人感觉使用RC系列射频芯片开发卡片读写器，主要的关键点有两个，分别涉及硬件和软件。软件上的关键是如何正确设置RC系列射频芯片内部的64个寄存器，硬件上的关键则是RC系列射频芯片的天线设计。天线提供了卡片和读写器交换数据的物理通道，直接决定了读写器的读写性能和读写距离，在此基础上加上对64个寄存器的正确操作，读写器才能正常高效的工作。
    在数字电路中设计模拟信号的天线还是比较复杂的，因为天线设计牵扯到好多因素，诸如电磁感应、场强、共振、干扰、Q值等等。好在芯片的制造商为了推销产品，多数都提供了参考的电路设计，芯片的使用者在参考电路的基础上设计自己的电路，则要容易的多，RC系列芯片的天线设计也提供了参考电路，如下图所示。

天线结构上可以分为四部分：EMC滤波、匹配电路、天线线圈和接收电路。
    EMC滤波电路是一个低通滤波，L0为1uH,C01和C02都是68pF，这些都是典型值，实际电路中可以围绕典型值上下调节以满足设计要求；
    天线电路中的天线线圈直接布线在PCB板上，采用中间抽头接地的对称方式，一般的应用中天线直径4-6公分，天线直径直接影响读卡距离，直径小读卡距离近，但也并不是直径越大越好。天线的圈数一般2-6圈，也就是说对称接地的情况下每一边1-3圈。
    匹配电路用来连接天线电路和EMC滤波电路，匹配电路中的电容与天线电感组成谐振电路。C1a和C1b可取16pF或27pF，对读写距离影响不大，C2a和C2b是谐振电容，这两个电容值非常关键，它们直接影响谐振程度，进而影响天线电压的振荡幅度，最终影响读写距离。通常天线电压的峰峰值大于10伏就可以读到卡片，也并不是峰峰值越大越好，还要看卡片或标签上天线的大小、天线周围的干扰，尤其是金属干扰等因素。C2a和C2b通常可在82pF-220pF的范围内调节。
    接收电路中的C3容量为1nF，C4为100nF，R1与R2组成分压电路，R2固定为820Ω，R1根据天线的震荡幅度在470Ω-10KΩ的范围内调节，典型值为2.2KΩ。
    电路中的电阻和电容一般使用0402、0603或0805的贴片封装。稳定性要好，误差不能太大。
    以上的参考电路可以说是懒汉设计法，更好的设计应该使用精密仪器，严格测量天线的电感值，等效的电容值，然后用公式计算，并对天线的Q值进行校核。不过估计大部分开发人员的测量工具也就仅限于万用表和示波器，在此情况下，使用参考电路基本上能满足要求。
   设计读写器天线的时候，通常我们最关心的指标是读写距离，影响天线读写距离的因素主要有以下几方面：
   (1)读写器和卡片的天线尺寸
   (2)天线本身的匹配程度
   (3)天线和匹配电路的品质因数
   (4)读写器的功率
   (5)环境影响
    卡片上天线的尺寸我们没办法改变，我们只能设计天线的大小。好像有个理论说最大设计的读写距离应该等于天线的半径，而RC系列芯片的最大操作距离都是10公分，我们总不能做个直径20厘米的天线吧，除非特殊要求，这样的巨无霸很难有市场。
    天线的匹配程度、品质因数和功率通过调整参考电路的元件参数是可以调节的。周围环境影响因素中金属干扰最为严重，金属干扰将导致操作距离减小，数据传输出错。金属与读写器天线之间的距离应大于有效的操作距离，为减小金属的影响，应使用铁氧体进行屏蔽。最好金属与天线的距离大于10cm，最小也要3cm，而且使用紧贴的铁氧体屏蔽。
    另外，设计天线时为天线增加屏蔽可以有效抑制干扰，比如天线设计使用4层板，在两个中间层布天线线圈，在顶层和底层对应中间层线圈的地方布上一圈屏蔽地，当然这一圈屏蔽地本身不能闭合。
    调整天线的最好方法还是直接用卡片或标签试验，边调节元件参数边测试读写距离，直到满足设计要求为止，时间长了，对天线电路的习性就心中有数了。

审核编辑 黄宇