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天线的原理
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2 天线的设计步骤
进行天线设计，主要是根据实际要求确定天线的机械尺寸、线圈匝数、电感以及等效电路的电容等，从而使天线的工作效率最高，下面介绍天线设计的一般步骤。
2.1 优化磁场耦合因子
耦合因子仅仅与线圈排列的机械尺寸（如线圈直径、阅读距离、线圈方位角）和磁场中线圈附近的物质有关。与阅读器天线或应答器天线的电感无关。为了提高耦合因子，应该选择尽量小的传输距离，而且阅读器和应答器的天线轴线要平行。如果阅读距离确定，阅读器天线线圈直径和磁场耦合因子k就可以根据这个特定距离进行优化设计。磁场强度可以由式（3）来计算：
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其中：H——磁场强度；
UR——阅读器天线电压；
LR——阅读器天线电感；
f0——工作频率；
μ0——磁场常数，μ0＝1.257×10－6；
r——天线线圈半径；
d——阅读距离。
根本式（3），磁场强度和天线结构有直接关系，而磁场耦合因子k也取决于线圈排列的结构尺寸，所以磁场强度和k也是成比例的。优化耦合因子就是要确定天线效率最高时天线半径和阅读距离的关系，图2是在一定条件下，磁场强度随线圈半径变化的情况。图2的测定条件是：f0＝125kHz，LR＝737μH，r＝5～55mm，d＝20mm。
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从图2中可以看出，如果阅读距离d为常数，当r＜d时，场强H随r的增大而急剧上升；当r＝d为时，场强H达到最大值；当r＞d时，场强基本按比例减小；由此可以得出：天线线圈的最佳半径为r≈d。
2.2 确定磁场的耦合因子
为确定耦合因子，可利用Temic公司提供的试验应答线圈（TTC）及电路进行测试，测试原理如图3所示。TTC可以放在实际应答器的位置上。当阅读器天线在信号发生器的激励下工作时，通过TTC的电压UT就可以被测出。
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图4是TTC和测量设备相连的等效电路模型。
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Cpara是线圈的内部寄生电容、Ccable和Cprobe是测量设备的电缆电容和负载电容。这些电容对测量电压都会产生影响。为了使测量效果更加准确，这里引入了修正因子Ak，计算公式如下：
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其中：Ak——修正因子（＜1）；
LT——应答器线圈电感（3.95mH）；
UT——应答器线圈电压；
UR——阅读器天线电压；
LR——阅读器天线电感；
w＝2π×125kHz。
图5表明阅读距离不同的情况下，测得的耦合因子的结果。
2.3 如何满足实际的频率容许偏差
图6是当操作频率固定，阅读器电感为不同值时总的天线容许频偏随着磁场耦合因子k的变成曲线。从图6中可以看出，总体容许频偏随k的增大而增大，随阅读器线圈电感值的增大而减小。值得注意的是，天线电感与流过天线的电流成反比。对U2270B来说，最大天线电流（IRpp）被限制在400mA，如果考虑到阅读器天线线圈的电压，天线的电感LR不能小于413μH。在图6中，纵坐标总的天线容许频偏和横坐标磁场耦合因子对应着一个点，大于413μH且小于在对应点之上最近曲线所对应的电感的任何电感值都可以被选取。确定了LR后，在工作频率固定的情况下，天线电容可以通过式（6）来计算：
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其中f0≈125kHz。
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天线线圈的匝数可以通过式（7）来计算：
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3 天线设计实例
假如条件如下：
阅读器线圈的容许频偏为±3％；应答器线圈的容许频偏为±4％；标称阅读距离为20mm。
第1步：为了使磁场耦合效果最佳，选取阅读器线圈半径为r＝20mm。
第2步：根据图5可以确定耦合因子k＝1.2％。
第3步：计算总的频率容许频偏为±3％与±4％之和±7％，由图6可以看出，只有LR＝1.24mH的曲线在点（k＝1.2％，±7％）之下，所以LR可以取413μH和850μH之间的任何值。这里取LR＝737μH。通过式（7）可以计算线圈匝数N＝97，通过式（6）可以计算出CR＝2.2nF。
结语
本文主要针对U2270B分析了射频识别系统的天线设计的一般步骤，外界干扰等因素还可能会给设计的过程带来一些特殊的问题，本文只希望能够射频识别系统研究提供一点启示。
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