RFID高频线圈设计原理

由于电磁波的波长远大于识别距离,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。

天线等效电路图:

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。

但在实际使用中,L值常用μH,C单位用pF,这时可按下式计算fo值

注意,这时fo单位是兆赫兹(MHz);L单位是微亨(μH);C单位是微微法(pF)。如果C单位取微法(μF),则fo单位应改成千赫(kHz)。由式1可看出,LC值的积上升n倍,则fo下降根号N倍。

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。

读写器天线的最佳边长值等于最大期望阅读 作用距离的√2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,线圈末方形(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。

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