125 kHz射频卡读卡器的天线设计

谷建明，杨光永

（云南民族大学电气信息工程学院，云南昆明650031）

125 kHz射频卡读卡器的天线设计

谷建明，杨光永

（云南民族大学电气信息工程学院，云南昆明650031）

125 kHz射频卡读卡器的天线是射频卡读卡器的重要部分，关系到射频卡读卡器的可靠性和灵敏度.首先对125 kHz射频卡天线的电流、磁场理论进行简要的分析，讨论读卡角度、读卡距离、天线线径和圈数与读卡器灵敏度的关系，寻求125 kHz射频卡天线设计的一般方法，以最大限度地满足普遍要求的30～100mm读卡距离.

射频识别卡；125 kHz天线；灵敏度

125 kHz射频卡天线工作在低频射频段，它与读卡器的读卡距离、覆盖范围、功耗、尺寸、成本、可靠性等技术参数密切相关［1］.天线设计是读卡器系统设计的关键环节，目前，国外一般采用专用EDA设计软件和射频测试工具，分析天线的能量谱密度［2］，得到实验条件下的天线尺寸，试制并检测，再结合经验数据［3-4］，对天线的尺寸进行调整，如此反复进行，直到在一定设计要求下的最优解.

但是，上述常规设计方法存在鲁棒性较差［5］、研发周期较长、研发成本较高等不足，特别是市场对射频卡产品系列的多样化需求，要求设计人员最大限度地降低开发平台的软硬件成本，快速、准确地计算天线的各项尺寸参数［6-7］，以满足读卡器天线的不同设计要求［8］.

为此，本文旨在寻求125 kHz射频卡天线设计的低成本、快速算法.拟从天线的电路原理分析入手，分析天线的电流和磁场强度的关系，得到表征天线灵敏度的重要参数：圈数·电流积，由此推导出天线影响读卡器灵敏度的主要参数，最终得出天线线圈的最优解.

1 125 kHz射频卡读卡器天线

125 kHz射频卡（RFID）应用系统利用125 kHz无线频率，对目标进行短距离的识别、定位、跟踪［9］.它一般由3部分组成：射频卡（或射频标签）、读卡器（含单片机）、天线，如图1所示.图1中，125 kHz振荡信号经天线发送出去，射频卡TK4100内部电感和电容对芯片充电后，反射携带卡信息的125 kHz信号.由于天线的感抗L与电容C组成LC滤波电路，其谐振频率fres为125 kHz频点：

将LC滤波电路的信号输出至检波电路，经整形、放大至单片机，按RFID标准即可解析射频卡的信息数据.

参见图2，需寻求：在满足常规读卡操作的条件下，读卡距离r取值在多大范围内最优？再进一步，在30～100 mm的读卡距离范围内，天线线径、圈数、直径如何影响读卡器的灵敏度和可靠性？

2 天线的电流与磁场的关系

根据安培定理，设环形天线的圈数为N，半径为a，流经天线的电流为I，当半径小于读卡距离r时（见图2），天线的磁感应强度Bz由方程（2）决定：

上式中，μ0为自由空间常数：

μ0＝4π×10-7H／m2.

方程（2）表明，天线的磁感应强度Bz与读卡距离r3成反比.

3 天线的感应电压

影响读卡器灵敏度的内因在于天线对125 kHz信号的感应电压V.设天线线圈的面积为S，α为射频卡法线与天线线圈平面的夹角（见图3），在此条件下，天线的感应电压V为：

当天线在125 kHz频点谐振时，电容两端的输出电压Vo达到最大值.对不同品质因素Q的天线（5≤Q≤50），输出电压相应改变：

当α＝0时，Vo达到最大值.

由此，可得一定条件下天线的磁感应强度B：

当射频卡（标签）的尺寸一定、天线的尺寸一定时：

f＝125 kHz；

N＝100；

S＝πa2＝100πmm2（射频卡／标签约为壹元硬币大小，即半径a＝10mm）；

Q＝18；

α＝0；

Vo＝7 V.

在此常规条件下，磁感应强度B与输出电压成正比：

此外，根据方程（2）可得表征天线灵敏度的一个重要参数NI（圈数·电流积）［1-2］，即：

当读卡距离r为40 mm，磁感应强度为1.57 μW／m2时，天线的圈数·电流积NI为：

当读卡距离r为80 mm，磁感应强度为1.57 μW／m2时，天线的圈数·电流积NI为：

由此可看出，当读卡距离r＜30 mm时，天线的圈数越多，圈数·电流积越大；当30mm＜r＜80mm时，天线的圈数与圈数·电流积成反比例关系，如图4所示.

4 天线线圈对读卡器灵敏度的影响

将方程（6）的圈数·电流积NI对天线线圈半径a求微分：

因a≠0，r≠0.

故a2-2r2＝0.

即：

此即为保证一定读卡距离的条件下（取30～50 mm），天线线圈的最优解.常用天线线圈的最优解见表1.

表1 天线线圈的最优解

除了上述线圈半径对读卡器灵敏度的影响外，天线的导线直径也是一个不容忽视的重要参数.导线直径变化，直接影响LC滤波器在谐振点的直流阻抗RDC和交流阻抗RAC：

其中，σ为导线的电导率，S为导线横截面积，l为导线长度，f为谐振频率.当选定导线长度l、导线材料σ和S，读卡器工作在特定频率（谐振点）之后，天线的直流阻抗RDC是一个常数，而交流阻抗RAC与天线的半径成正比（与谐振频率f也成正比）.此时，天线的半径越大，交流阻抗也越大.在有限的能量范围内，反而降低了读卡器的灵敏度，增加功率消耗，这往往是得不偿失的.

5 结语

125 kHz射频卡天线的设计过程中，天线的灵敏度与天线的尺寸、读卡距离要求密切相关，本文从天线的电流与磁场理论分析入手，在满足天线的感应电压、磁场强度的条件下，得出不同设计要求下的天线线圈尺寸的圈数电流积最优解.

［1］Microchip Technology Inc.MicroIDTM125 kHz RFID system design guide［R］.1998：33-40.

［2］LIU Wen-ming，NING Huan-sheng，WANG Bao-fa.REID antenna design of highway ETC in ITS［C］／／Antennas，Propagation＆EM Theory，2006.ISAPE′06.7th International Symposium on，IEEE.China：Guilin，2006：1-4.

［3］LI Xiu-ping.RFID antenna design technology［D］.北京：北京邮电大学，2008.

［4］LEE Y.Antenna circuit design for RFID applications［R］.Microchip Technology Inc，1999：5-49.

［5］Motorola.RFID Antenna family，RFID antennas for fixed readers［R］.Motorola Inc，2007.

［6］Laird Technologies.RFID antennas introduction［EB／OL］.（2012-08-01）.www.lairdtech.com／RFID-CAT-English-1108.

［7］Impinj.RFID technology series，the RFID antenna：maximum power transfer［EB／OL］.［2005-10-05］http：／／www.impinj.cn／download／ipj_antennamaximumpowertransfer_ 20051001.pdf.

［8］LAUDIEN M.Radio frequency identification（RFID）antenna and system design［C］／／Converge—An Applications Workshop for High-Performance Design.2006：1-19.

［9］单承赣，单玉峰，姚磊，等.射频识别（RFID）原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2008：32-39.

（责任编辑 庄红林）

Design for the antenna of 125 kHz RF card-reader

GU Jian-ming，YANG Guang-yong
（School of Electrical and Information Engineering，Yunnan University of Nationalities，Kunming 650031，China）

125 kHz antenna coil plays an important role in Radio Frequency Identification Card（RFID）reader， which it is concerned with its feasibilities and sensitivity.The paper analyzes the basic theories of current and magnetic fields of125 kHz antenna coil，and studies the relations between the sensitivity of RFID reader and its orientation dependency，distance，wire type，resistance and size.The result shows that this 125 kHz antenna coil performs well for the general requirement of the identification range from 30 mm to 100 mm.

RFID；125 kHz antenna；sensitivity

TN820

：A

：1672-8513（2014）01-0015-03

2013-06-08.

无线传感器网络云南省高校重点实验室开放基金（ZK2011002）.

谷建明（1958-），男，本科，实验师.主要研究方向：电子技术与实验.

杨光永（1970-），男，硕士，副教授.主要研究方向：微系统与先进传感器技术.