1356MHz+RFID阅读器天线的设计

考虑反射阻抗的13.56MHz RFID 读写器天线设计朱成卫上海交通大学微电子学院, 上海（200335）Email: dzhu@摘 要： 从能量的角度，可将应答器等价为读写器天线线圈上的反射阻抗。

应答器获得的能量和反射阻抗的功耗成正比。

在很多应用场合，反射阻抗远远大于读写器天线电感的内阻，在计算天线品质因数时是重要参数。

阻抗匹配的理想目标是使反射阻抗的功率最大，但为了衰减天线过高的空载品质因数往往偏离效率最高的设计方案。

读写器天线的谐振形式应包含反射阻抗进行计算并选择。

关键词： 射频识别；读写器；天线；反射阻抗；谐振；品质因数；阻抗匹配中图分类号 TN957.21. 引言大多数13.56MHz RFID 系统采用无源应答器。

当读写器、应答器天线面积接近、间距较小时，应答器功耗对读写器影响较大。

或者当工作磁场范围内存在多个应答器时，部分应答器按指令进入休眠之前的总功耗也较大。

有文献[1][2]为阻抗匹配而在天线上串、并电阻，但这并不等于应答器获得最大能量。

本文以应答器为负载，探讨了能量、品质因数和匹配问题。

2. 应答器得到的能量图1为13.56MHz 无源RFID 应答器的一种常见电路基本结构[3]。

应答器由天线和芯片组成，而芯片又包含整流(D 1~D 4)、储能(C 3)、降压(LDO)、EEPROM 、状态机、负载调制(D out 、M 1)等电路模块。

R 2是天线线圈L 2的内阻，C 2为谐振电容。

图1 应答器电路结构简图记P 2为应答器获得的能量在读写器发射时间内的平均值，记u 2为应答器天线的输出电压。

定义应答器等效负载 222||P u R L = (1)假设读写器天线线圈L 1和电容C 1串联谐振，且将天线前级抽象为输出电压u 1、阻抗Z S 的电压源，记R 1为L 1的内阻，则不包含读写器接收电路的RFID 系统可简化为图2。

图2 13.56MHz RFID 系统简化图 图3 以u Q2代替读写器 为减少高频辐射L 1上电流i 1应为简谐信号，即i 1=|i 1|cos ωt ，其变化率di 1 /dt = j ωi 1。

RFID读写器天线的研究与设计郑杰，徐晶（华中科技大学电信系，武汉 430074）来源：微计算机信息摘要：本文简要介绍了RFID技术的基本工作原理，指出天线设计是RFID系统设计的关键部分。

然后介绍了RFID读写器天线的基本工作原理，指明其相应的物理基础，说明了天线设计的基本步骤，并给出了一些优化措施。

关键词：RFID；读写器；天线；磁通量1．引言RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。

RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。

RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

通常情况下，RFID读写器发送的频率称为RFID系统的工作频率或载波频率。

对于所设计的工作于高频13.56MHz的RFID读写器，其标签采用的是能量来源于读写器电磁场的无源标签。

基本的工作原理是采用电磁耦合的方式使得标签从读写器耦合线圈的辐射近场中获得能量，从而达到与读写器进行数据交换的目的，这一过程如图1-1所示。

图 1-1 RFID读写器与标签耦合示意图由此可见，在该无源电感耦合式射频识别系统中，读写器的天线起着重要作用。

一方面,无源的RFID标签要启动电路工作需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面,天线决定了RFID标签与读写器之间的通讯信道和通讯方式。

因此研究该13.56MHzRFID系统的天线设计有着重要的意义，本文旨在对该系统的天线设计做一个综合性的研究与说明。

2．天线设计的物理基础对于一个RFID系统，当其所处理的标签进入到读写器的电磁场范围后，标签天线上就会产生感应电压，从而开始对存储电容充电，当充电达到了一定的电荷量以后标签芯片就可以开始工作，这一过程可以通过电感变压器模型来进行模拟，如图2-1所示。

图 2-1 读写器与标签间的等效电路图读写器通过天线将电磁场能量传递给标签。

.RFID技术及应用实训报告题目: 13.56MHz RFID读写器设计与制作班级:学号:姓名:指导教师:二〇一五年七月一日..目录第1章 RFID读写器的设计与制作 (1)1.1 读写器组成与分析 (1)1.2 读写器原理图与PCB设计 (2)1.2.1 读写器原理图 (2)1.2.2 读写器PCB设计 (5)1.3 读写器装配与功能测试 (5)1.3.1 装配 (5)1.3.2 功能调试 (6)第2章 RFID上位机软件开发与调试 (7)2.1 数据访问层设计与实现 (7)2.1.1 数据访问层设计 (7)2.1.2 实现过程及代码分析 (7)2.2 窗体表示层设计与实现 (7)2.2.1 设计与实现 (7)总结 (10)..第1章 RFID读写器的设计与制作1.1 读写器组成与分析13.56MHz RFID读写器广泛用于校园一卡通，公交自动收费系统等。

读写器一般由单片机最小系统电路、Mifare读写接口电路、天线匹配电路、声光提示电路、USB转串口通信接口电路及电源电路组成。

如图1-1所示。

图1-1 读写器的组成单片机最小系统由STC89C52单片机，时钟电路和复位电路组成，其中时钟电路与单片机的14,15号引脚相连，复位电路与单片机的4号引脚相连；Mifare读写接口电路的C4、C5、X2构成振荡电路，提供给MF RC500的时钟作为同步系统编码器和解码器的时基。

MF RC500的5,7和29引脚分别为射频信号收发端，需通过天线匹配电路连接天线；天线匹配电路利用变压器原理实现读写器和无源标签之间的能量传递和双向发送数据，因此要求读写器与标签一样，要有天线线圈；读卡器在读卡时需要声光提示，电路中三极管Q1、电阻R5、蜂鸣器Buz1构成声音提示电路，由单片机的P1.0口控制，在P1.0口输出低电平时，Buz1蜂鸣；发光二极管D1、电阻R4构成光提示电路，由单片机的P1.7口控制，在P1.7口输出低电平时，D1点亮。

用于RFID系统的天线设计RFID（无线射频识别）技术是一种非接触式的自动识别技术，通过无线电波传输信息，实现物品的自动识别和追踪。

RFID系统主要由标签和阅读器组成，而天线则是连接标签和阅读器的关键组件。

天线的设计对于RFID系统的性能和可靠性有着至关重要的影响。

RFID系统通过无线电波进行通信，通常使用的是56 MHz的频率。

标签内置天线，用于接收来自阅读器的信号，并将信号传输到芯片中。

阅读器则通过天线发送信号，同时接收来自标签的信号。

图像处理技术也常常被用于RFID系统，以识别和解析标签上的信息。

天线设计是RFID系统设计的关键部分，主要包括以下步骤：方案选择：首先需要确定天线的类型和结构，根据应用场景的不同，可以选择不同的天线方案。

参数确定：在设计过程中，需要确定的参数包括天线的频率、增益、阻抗、波束宽度等。

这些参数的计算和选择将直接影响天线的性能。

设计仿真：利用仿真软件对设计进行模拟和分析，以验证设计的可行性和性能。

实验验证：制作样品，进行实际测试，以验证设计的有效性和可靠性。

在RFID系统的天线设计中，可能会遇到以下技术难题：阻抗匹配：天线与标签和阅读器之间的阻抗匹配是影响信号传输的重要因素。

如果阻抗不匹配，将会导致信号传输效率降低，甚至无法传输。

信号噪声比较：在复杂的电磁环境中，信号可能会受到各种噪声的干扰，如何提高天线的信噪比是一个关键问题。

针对以上技术难题，以下是一些可能的解决方案：采用全向波瓣天线或圆形天线：这些类型的天线具有较好的阻抗匹配特性，可以有效提高信号传输效率。

优化天线结构：通过改变天线的结构，可以改善天线的电气性能，减少信号噪声的影响。

使用滤波技术：滤波技术可以有效地抑制噪声，提高信号的信噪比。

天线设计在RFID系统中具有至关重要的地位。

正确的天线设计可以保证RFID系统的高性能和可靠性，进而广泛应用于供应链管理、门禁系统、支付系统等领域。

本文介绍了RFID系统和天线的基本原理、设计流程以及可能遇到的技术难题和解决方案。

无源低频RFID电子标签的工作频率为120kHz~135kHz，因为其穿透力很强，可适应于液体、人体组织、建筑物等，标签识读性能力不受环境影响，因此在动物管理中有广泛应用，但无源低频RFID电子标签是通过磁场耦合实现与标签识读器之间的通信，磁场在自由空间传播衰减很快，因此该电子标签的读写距离很短，通常在10cm以内，该项缺陷严重限制了无源低频RFID电子标签的应用。

本文提出一种远距离无源低频RFID电子标签的设计，可以使无源低频RFID电子标签的读距离增加到1米以上，使低频电子标签可以作为地埋式电子标签，应用于地下管道管理，扩展无源低频RFID电子标签的应用。

1远距离低频RFID电子标签原理1.1识读器终端天线的磁场无源低频RFID电子标签天线与识读器天线之间的作用是基于电磁感应原理。

当低频电子标签置于低频标签识读器天线的电磁场中，电子标签天线线圈上感应有电压。

电子标签线圈上感应电压的示意图如图1所示。

如果识读器线圈的匝数为N1，标签天线线圈的匝数为N2，磁芯的相对导磁率为，线圈都为圆形，线圈的半径分别为r1和r2，两个线圈圆心之间的距离为d，两个线圈平行放置，由法拉利电磁感应定律可以得到电子标签线圈上感应的电压为：其中：ψ为穿过标签天线回路的磁通量；M为识读器天线和标签天线两个线圈之间的互感。

1.2电子标签谐振回路的输出电压电子标签射频前端采用并联谐振电路，其等效电路如图2所示。

其中L1为识读器天线电感，L2为标签线圈电感，R2为标签线圈的内阻，C2为标签的谐振电容，是标签芯片片内、片外谐振电容的总和，RL为标签谐振回路的等效负载，是标签芯片实际工作负载和谐振电容寄生的并联电阻所产生负载的总和。

互感M在L2上产生的电压作为L2回路的信号源，等效回路的输出电压表达式为：1.3多层圆环天线圈的电感为了在有限的空间中制作出大的电感，采用多层线圈是一种很有效的方法。

图3示出了多层圆形电感线圈的截面图。

本科毕业论文（设计）题目： 13.56MHz 射频识别系统硬件电路设计院 系 信息科学与技术学院专 业 电子信息工程教务处制西北大学本科毕业论文摘要射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术是一种非接触的自动识别技术。

RFID技术以其高度安全保密性、同时识别多个标签和高速运动物体、操作快捷方便等优点，使得在各领域的应用中异军突起，应用前景十分广阔。

研究、开发射频识别读写器，对其发展有着重要的实际意义。

论文首先介绍了RFID技术的发展历史及国内外应用现状，接着对RFID系统基本工作原理进行了概述；其次描述了射频识别系统的体系结构和基本功能，并着重介绍了国际标准ISO/IEC 15693空中接口协议；然后，按照该协议提出了一种基于TI公司S6700芯片的13.56MHz射频识别读写器的硬件设计和实现方案；详细阐述了S6700应用电路、天线设计、以及基于AT89S52单片机的控制电路、RS232串口通信电路的设计，本设计实现了对Tag_it卡的读写操作，并与上位机进行通信；最后，在硬件设计和软件设计基础上，根据制作的实物和测试结果做出总结论述，并提出了一些尚待解决的问题。

关键词：射频识别，RFID，读写器，13.56MHz，电子标签，S6700，ISO15693I西北大学本科毕业论文AbstractRFID (Radio Frequency Identification, RFID) technology is an automatically identifying technology that requires no direct contact. Advantages such as high degree of safety and confidentiality, the ability to identify multi-tag and objects with high speed, and the convenient operation entitles RFID technology with wide application in all fields and great prospects. Therefore, the development of RFID reader has significant practical significance.The thesis will firstly give a general introduction on the history of RFID technology, its application both at home and abroad, and the overview of the basic working principle. Secondly, it focuses on the RFID’s sy stem construction and fundamental functions, with an emphasis on the international standard ISO/IEC 15693 air interface protocol.Thirdly, according to the protocol, the paper proposes a hardware design program based on 13.56MHz RFID reader of S6700 Chip of TI Cooperation, elaborating the applied circuit of S6700, antenna design, and based on the control circuit based on the design of AT89S52 MCU and RS232 serial communication circuit. This design realizes the reading and writing function of Tag_it card, and also realizes the communication with the host computer. At last, based on the design of hardware and software as well as the testing results and the products, the paper will draw a conclusion and made a number of unsolved issues.Key words: RFID, Reader, 13.56MHz, Electronic Tag, S6700, ISO15693II目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1 射频识别系统概述 (1)1.1.1初识射频识别技术（RFID） (1)1.1.2射频识别技术发展历史及应用现状 (1)1.2 射频识别系统工作原理 (2)1.3 研究意义及论文结构 (3)第二章射频识别系统体系结构 (5)2.1 阅读器概述 (5)2.1.1读写器的基本结构 (5)2.1.2 读写器的基本功能 (6)2.2电子标签（Tag）概述 (6)2.3 ISO/IEC的RFID空中接口标准 (6)2.3.1 ISO/IEC 15693系列标准介绍 (7)2.3.2 ISO/IEC 15693标准的防冲突机制 (7)第三章 RFID系统读写器设计 (9)3.1 系统结构技术指标 (9)3.2 设计方案 (9)3.2.1 系统设计总体构思 (9)3.2.2 TRF7960芯片的功能与特点 (10)3.2.3 S6700芯片的功能与特点 (11)3.3 读写器硬件电路设计 (13)3.3.1 射频电路设计 (14)3.3.2 天线设计 (15)3.3.3 控制电路设计 (17)3.3.4接口电路设计 (18)第四章总结与展望 (19)致谢 (21)参考文献 (23)西北大学本科毕业论文第一章绪论1.1 射频识别系统概述1.1.1初识射频识别技术（RFID）RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)是一种应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动的获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。

远距离RFID天线设计摘要：采用TI的专用读卡器，配合自行设计的天线，将13.56MHz的读卡器有效读卡距离拓展到60cm，实现了远距离识别，极大地提高了RFID的应用性能。

关键词：天线；无线射频识别；读卡器引言RFID(Radio Frequency Identification)，中文称为无线射频身份识别是一种非接触式IC卡技术。

它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。

RFID技术具有很多突出的优点：防水、防磁、耐高温、无机械磨损、寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等。

通常情况下，RFID阅读器发送的频率称为RFID系统的工作频率或载波频率。

RFID 载波频率基本上有3个范围：低频(30kHz～300kHz)、高频(3MHz～30MHz)和超高频(300MHz～3GHz)。

常见的工作频率有低频125kHz与134.2kHz、高频13.56MHz、超高频433MHz、860MHz～930MHz、2.45GHz等。

一个完整的RFID系统由阅读器(Reader)、标签(Tag)和应用程序三部分组成。

其工作原理为：由Reader发射一个特定频率的无线电波，将能量传送给Tag，激活Tag 内部电路，然后Tag将其IDCode发送出去，此信号被Reader接收后解码，再发送给应用程序做进一步处理应用。

一般来说，工作频率为13.56MHz的射频标签被称为高频段标签，但是其识别原理同低频类似，即采用电磁耦合的方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得能量，标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。

阅读距离一般情况下小于1m。

天线设计在天线的设计时，主要考虑两方面，一是设计尺寸合适的天线，二是搭建天线与阅读器的匹配电路。

天线尺寸天线线圈是一个谐振电路，在特定频率上，当感应阻抗(X L)等于电容阻抗(X C)时，天线会产生谐振，它们之间的关系如下式所示：增加线圈尺寸必然带来电感值的增大，就需要一个比较小的电容。

13.56 MHz RFID读卡器天线的设计
作者：李宝山， 张慧元， 侯宇， LI Bao-shan， ZHANG Hui-yuan， HOU Yu
作者单位：李宝山,张慧元,LI Bao-shan,ZHANG Hui-yuan(内蒙古科技大学信息工程学院,内蒙古,包头,014010)， 侯宇,HOU Yu(哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司,河北,秦皇岛,066206)
刊名：
内蒙古科技大学学报
英文刊名：JOURNAL OF INNER MONGOLIA UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
年，卷(期)：2009，28(4)
被引用次数：0次
1.Finkenzeller K.陈大才射频识gU(RFID)技术 2001
2.康行腱天线原理与设计 1995
3.林吕禄天线工程手册 2002
4.Philips Semiconductors Mifare MF RC500 Highly Integrated IS014443A Reader IC 2001
5.Philips Semiconductors EMC-Fiher and Impedance Matching for MF RC500 and SL RC400 2001
本文链接：/Periodical_btgtxyxb200904011.aspx
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下载时间：2010年9月27日。