考虑反射阻抗的13.56MHz RFID 读写器天线设计

针对移动支付13.56MHz射频技术规范设计读卡器天线随着移动支付牌照的发放，各大运营商以及银行纷纷把下一个目标瞄准在移动支付领域。

移动支付领域的竞赛将趋于激烈化。

银联以及中国移动都先后制定了非接触IC卡支付终端的规范和标准。

本文以中国移动手机支付13.56MHz射频技术规范为例，应用NXP公司的射频芯片RC531设计出符合移动支付规范的读卡器天线及匹配电路。

1.天线外形设计天线做为一种能量变换器。

发射时，它把的高频电流转化为空间电磁波；接收时，它又把从空间截获的电磁波转换为高频电流。

对于设计一个小功率、短距离无线收发设备，天线设计是其中的重要部分。

良好的天线系统可以使通信距离和稳定性达到最佳状态。

中国移动手机支付13.56MHz射频技术规范中详细规定了读卡器天线的物理特性、功率传输与通信信号接口等技术要求。

规范中要求天线外圈尺寸为：80*60mm或55*40mm，并且天线与阻抗匹配网络臵于同一张PCB板上。

不仅如此，移动规范还规定了读卡器在规定的交易感应区域空间内的载波场强需保证在1.5A/m-7.5A/m以内。

场强测量区域如图1所示：图1由于移动规范所规定的场强测量半径非常大，已经接近了外圈天线尺寸，因此对于天线外形和绕圈方式应该谨慎处理：天线应采用两层或多层板走线；对于同一层电路板的线圈之间走线的距离应当尽量减小。

这样可以避免线圈总体宽度过大导致的外圈场强强度达不到规范所要求的1.5A/m-7.5A/m。

2.EMC电路设计NXP公司的射频芯片RC531使用的载波频率是13.56MHz，这个频率要用一个石英振荡器发生，但它同时也会产生高次谐波。

为了较好的抑制13.56MHz中的三次五次和高次谐波，我们使用如图2所示的低通滤波器：图2L0和C0是用于射频芯片RC531的输出信号TX1和TX2管脚的滤波，L0通常取值范围在0.56uH-2.2uH，根据截止频率在14MHz可以计算出C0的具体值。

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。

1、RFID介绍最初在技术领域，应答器是指能够传输信息回复信息的电子模块，近些年，由於射频技术发展迅猛，应答器有了新的说法和含义，又被叫做智能标签或标签。

RFID电子电梯合格证的阅读器（读写器）通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。

典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。

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。

RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。

系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成。

2、特性：（1）工作频率为13.56MHz，该频率的波长大概为22m；（2）除了金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是往往会降低读取距离，感应器需要离开金属一段距离；（3）该频段在全球都得到认可，并没有特殊的限制；（4）虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域；（5）该系统具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签；（6）数据传输速率比低频要快，价格不是很贵。

1、通过本实验了解RFID的原理特性2、熟悉RF500寄存器的相关配置3、熟悉RF500读卡的操作流程1、编写配置RF500 IO口及寄存器的程序。

2、编写RF500读卡操作函数1.4.1硬件部分1、RFID射频识别开发平台图1-12、PC主机一台3、J-Link仿真器一个4、13.56M读头模块一个图1-21.4.2软件部分Keil μVision4 开发环境，J-Link 驱动程序1.5实验知识图1-3标签进入磁场后，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

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。

RFID读写器天线设计与优化随着物联网的快速发展，RFID（Radio Frequency Identification）技术被广泛应用于各个领域，例如物流、零售、医疗等。

作为RFID系统中最重要的组成部分之一，RFID读写器天线的设计与优化对于整个RFID系统的性能至关重要。

本文将介绍RFID读写器天线的设计原理、优化技术和相关考虑因素。

首先，RFID读写器天线的设计目标是实现高效的信号收发和较长的有效距离。

天线的设计原理基于电磁感应原理，利用射频信号的电磁波传播特性进行数据的读取和写入。

常见的RFID读写器天线类型包括线圈天线、平面天线和分布式天线。

线圈天线是一种常见的RFID天线类型，其结构通常是一个由导线绕成的线圈。

线圈天线的设计中需要考虑到线圈的匝数、直径和材料等因素。

较高的线圈匝数和直径可以提高天线的发射和接收灵敏度，从而增加RFID系统的工作距离。

此外，使用导电材料制作线圈天线，如铜或铝，能够降低线圈的电阻，减少功率损耗。

平面天线是另一种常见的RFID天线类型，其结构通常是一个可印刷的金属或导电聚合物制成的平面。

平面天线具有较大的尺寸，并且可以设计成不同的几何形状，如圆形、矩形或椭圆形。

平面天线的设计中需要考虑到天线的面积、几何形状和材料等因素。

较大的天线面积能够增加天线的辐射效能，提高天线的读取范围。

此外，使用具有较低电阻的金属或导电聚合物材料制作平面天线，如铜或印刷电路板，能够减少天线的电阻，从而提高天线的效率。

除了上述常见的天线类型，分布式天线是一种适用于特定应用场景的天线设计。

分布式天线将天线分散在RFID读写器周围的不同位置，以实现更好的信号覆盖和传播。

分布式天线的设计中需要考虑到每个天线之间的相互作用和干扰，以避免信号质量的下降。

在RFID读写器天线的设计过程中，需要考虑到天线的工作频率、驻波比、增益、方向性和天线阻抗匹配等因素。

天线的工作频率与RFID标签的工作频率需要匹配，以实现可靠的数据传输。

RFID技术及应用实训报告二◦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^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专串口通信接口电路及电源电路组成。

如图1-1所示。

电源电路图1-1读写器的组成单片机最小系统由STC89C5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MFRC5O0勺时钟作为同步系统编码器和解码器的时基。

MF RC5O0勺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。

1.2读写器原理图与PCB 设计1.2.1读写器原理图实训所采用的13.25MHz RFID 读写器电路原理有以下结构： (1)单片机最小系统电路原理单片机最小系统由STC89C5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，其电路 原理如图1-2-1-1所示。

13.56MHzRFID阅读器直接匹配天线的设计1引言近年来，射频识别(RFID)技术取得了广泛的商业应用，特别是我国政府于2009年开始出台相关政策，提出要大力发展物联网技术与产业，而物联网的核心技术之一即为RFID。

在RFID系统中，天线作为能量的转换器，在发送和接收信息的过程中实现了电磁能量的相互转换。

因此，天线的性能好坏直接影响整个系统的性能。

本文设计的天线基于NXP公司的RC52X射频芯片，工作频率为13.56MHz，射频芯片通过匹配电路驱动天线工作。

该天线尺寸只有普通RFID阅读器天线的30%～50%。

通过安捷伦(Agilent)公司的ADS软件对天线及匹配电路进行仿真优化，天线S11小于-30dB，实现了很好的匹配。

实测表明，该天线的读卡距离达到35mm。

2天线设计13.56MHz的工作频率位于高频频段，其工作原理属于磁场耦合方式，通信距离较近(远小于其工作波长)[1]。

天线根据具体使用环境一般设计成矩形、圆形等[2-4]。

对于矩形天线，其关键几何参数有如下6个：天线线圈外围长度A;外围宽度B;导体宽度W;导体厚度t;线圈间距S与线圈圈数N，如图1所示。

这些参数对天线主要电参数电感值L有如下影响：增加天线的尺寸(长×宽)，则电感增大;增加导体宽度W，则电感减小;增加线圈圈数N，则电感增大。

常用天线的电感L一般小于5μH，否则阻抗匹配较难实现。

综合以上因素以及电路加工工艺要求，本文设计的矩形天线的几何参数为：A=30mm，B=20mm，W=0.5mm，S=0.5mm，N=6，导体厚度t根据常用加工工艺取为0.035 mm。

图1 天线的几何尺寸天线基板采用的是柔性线路板(FPC)，厚度为普通PCB硬板的十几分之一，重量也比硬板轻很多。

天线的外围尺寸只有普通阅读器天线的1/2～1/3，甚至更小，为阅读器节省了空间。

由于FPC板材可自由弯曲、折叠、卷绕，而轻微的弯曲基本不会影响天线的性能，所以也为天线在阅读器中的空间布局提供了很大的便利。

13.56MHz频率相对300MHz以上频段是比较低的，其工作波长大于20米以上！一般采用四分之一波长来做收发天线（发射效果比较好的天线谐振长度是在一个波长或者在二分之一波长。

降低收发效能时，可以采用四分之一波长的非对称天线），就算你使用该频点的天线1/4λ谐振长度也会超过5米，你总不可能扛着一根5米的金属天线杆的电子标签卡吧，呵呵。

因此，对这类收发天线，就不能采用终端谐振匹配的无线电波开路发射的方式，而是改用线圈加感缩短天线体的磁场/电场交变方式来产生电磁波。

天线是缩小紧凑了，但是，在13.56MHz频率点上谐振而产生的磁场能与电场能相比，主要是磁场在起主要作用，而磁场的作用距离在离开线圈的轴向不远处，磁场强度会急剧下降，，导致这种天线结构方式的电子标签卡的工作距离，一般极限值应用时（高功率读写机具和高效率门形天线），都不会超过2米的。

由于不是开路发射，因此一般不用对13.56MHz标签天线作仿真设计。

线圈的电感量，可以采用集中参数的计算式球得：加载其电感量按下式计算:线圈公式:阻抗(ohm) = 2 x3.14159 x F(工作频率) x电感量(mH)，设定需用360ohm阻抗，因此：电感量(mH)=阻抗(ohm)÷(2*3.14159)÷F(工作频率)=360÷(2*3.14159)÷7.06 =8.116mH据此可以算出绕线圈数：圈数= [电感量* { ( 18*圈直径(吋)) + ( 40 *圈长(吋))}]÷圈直径(吋) 圈数= [8.116 * {(18*2.047) + (40*3.74)}]÷2.047 = 19圈空心电感计算公式:空心电感计算公式：L(mH)=(0.08D.D.N.N)/(3D+9W+10H)D------线圈直径N------线圈匝数d-----线径H----线圈高度W----线圈宽度单位分别为毫米和mH。