【经验】基于标签传感器/数据采集器的两种环形天线设计

时间： 2018-04-12 来源：Melexis

技术问答

MELEXIS推出标签传感器/数据采集器 MLX90129，内置工作频率13.56MHz的转发器，为低功耗、低压电池以及无电池应用提供优化的设计方案。

为了在RFID阅读器和MLX90129之间实现能量传输和数据交换，RFID接口需要连接合适的天线。天线尺寸和形状决定了耦合系数的大小，从而影响系统的传输能量和读取距离。本文给出两种天线结构的设计方法，便于用户实现快捷的系统开发。

天线介绍

本文采用印制在PCB的环形天线，按结构可分为矩形天线和圆形天线，如图1所示。

图1 矩形和圆形天线示意图

天线电感值作为调谐的重要参数，其中矩形天线的电感计算公式为：

N：匝数

w：矩形宽度/m

h：矩形高度/m

a：导线宽度/m

圆形天线的电感计算公式为：

D：内直径/inch

s：导线间距/inch

w：导线宽度/inch

N：匝数

天线设计

1、谐振频率

MLX90129天线设计为简单的LC谐振电路，L对应天线电感，C对应并联调谐电容。基于ISO 15693标准，系统调谐频率为13.56MHz。谐振频率采用下面的公式定义：

MLX90129提供典型值75pF的内部调谐电容,为了实现13.56MHz调谐频率，通过天线尺寸设计来匹配电容。如图2所示，天线电感值应尽可能地接近1.837μH。

图2 直接匹配

如果环形天线的电感值存在限制，可以在MLX90129内部电容的两端并联一个外部电容。例如环形天线电感值要求低于1μH，需要额外添加68pF的外部电容：

图3 并联电容匹配

那么，电感值0.963μH即可满足天线的设计需求。在计算天线电感值时，还需要考虑内部调谐电容最大和最小值（72pF~77pF）、封装杂散电容（约1pF~2pF）的影响。

2、品质因数

根据ISO 15693标准的标签设计原则，MLX90129最佳天线品质因数应为9~16，通过电感计算公式得到环形天线的参数，从而转换成PCB上真实的天线形状。

3、微调

为了进一步增强系统性能，对以下参数进行微调：

--谐振频率：当阅读器天线和标签天线具有相同的形状系数时（如具备高耦合系数），标签谐振频率就会受阅读器天线失谐的影响。解决方案为将标签调谐至更高频率（比如14.5MHz），那么发生失谐时标签谐振频率将收敛到13.56MHz。此外，如果在RFID读取范围内具有多个标签天线，还需考虑其他标签失谐造成的影响。

--品质因数：通过天线品质因数的微调，可以增加系统的能量传输和读取距离。

4、PCB布线原则

PCB布线遵循原则如下：

--MLX90129的COL1和COL2引脚需要与天线紧密连接，较长的连接导线会影响天线的调谐。

--应避免天线内部或后面的接地设计。

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