張 巖王宗省孫勝凱劉 悅

(1.山東科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590；2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東青島 266555)

智能鑰匙柜是在一些重要機(jī)關(guān)和場(chǎng)所對(duì)大量鑰匙集中安全管理的設(shè)施，能夠詳細(xì)記錄鑰匙使用情況，能夠?qū)Σ煌€匙使用人進(jìn)行單獨(dú)授權(quán)，具有安全、方便、智能、管理功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的鑰匙柜是每個(gè)鑰匙栓孔位安裝有一個(gè)射頻識(shí)別芯片及天線來對(duì)鑰匙栓中的RFID 標(biāo)簽進(jìn)行讀取，一般都較笨重且造價(jià)昂貴。研究了一種可通過射頻開關(guān)切換的PCB 天線來實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)射頻識(shí)別芯片實(shí)現(xiàn)智能鑰匙柜中12 個(gè)鑰匙栓位的讀取，降低了鑰匙柜的重量和生產(chǎn)成本，電路硬件的精簡(jiǎn)也提高了系統(tǒng)的可靠性。

主要講述13.56 MHz 射頻識(shí)別天線的工作機(jī)理及設(shè)計(jì)仿真實(shí)現(xiàn)方法，使其能夠在射頻開關(guān)的切換下準(zhǔn)確識(shí)別指定鑰匙栓位上的射頻標(biāo)簽且不被相鄰鑰匙栓位上的天線所識(shí)別。

1 智能鑰匙柜方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)智能鑰匙柜結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單、低成本、高可靠性，采用單個(gè)RFID 讀寫芯片TRF7970A，通過使用單刀十二擲開關(guān)SKY13412 切換12 個(gè)PCB 射頻天線掃描的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)鑰匙栓的讀取，相鄰的鑰匙栓位中心距離為45 mm。

智能鑰匙柜的工作流程是當(dāng)栓有指定鑰匙的鑰匙栓觸發(fā)鑰匙栓位上的微觸開關(guān)時(shí)，讀取該鑰匙栓中射頻標(biāo)簽的信息，將信息保存到服務(wù)器。取鑰匙時(shí)，根據(jù)服務(wù)器信息打開指定鑰匙栓位上的電磁鐵及LED 指示燈。

鑰匙栓位的三維圖如圖1 所示，采用一個(gè)推拉式電磁鐵來實(shí)現(xiàn)鑰匙栓的鎖住與開啟狀態(tài)，采用一個(gè)微觸開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對(duì)鑰匙栓插入鑰匙栓位的檢測(cè)，采用2 個(gè)LED 燈來指示鑰匙栓位的狀態(tài)。

圖1 鑰匙栓位三維圖

LED 燈、微觸開關(guān)、推拉式電磁鐵都為金屬材料，會(huì)對(duì)天線性能產(chǎn)生一定的影響[1]，系統(tǒng)要求鑰匙栓插入鑰匙栓位觸發(fā)微觸開關(guān)后能夠被準(zhǔn)確識(shí)別，且不能被相鄰的鑰匙位識(shí)別。這就需要對(duì)天線進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠識(shí)別[2]。

2 天線設(shè)計(jì)

2.1 天線結(jié)構(gòu)選擇

鑰匙栓中標(biāo)簽的天線為鐵氧磁體芯線圈，該智能鑰匙柜系統(tǒng)是工作頻率為13.56 MHz 的RFID 系統(tǒng)。由于其電磁波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于識(shí)別通信距離，識(shí)別天線不是傳統(tǒng)意義上的天線，其與鑰匙栓標(biāo)簽天線之間可視為變壓器耦合。所以，選擇電流分布基本一致的平面螺旋電感PCB 天線[3]。

平面螺旋電感天線由于其寄生電容、電阻很小，幾乎可以忽略不計(jì)，所以常等效為一個(gè)電感L。平面螺旋電感天線在使用時(shí)常與電容C并聯(lián)或串聯(lián)組成LC諧振電路。在諧振頻率時(shí)，識(shí)別天線可將電磁能量傳遞到鑰匙栓中射頻標(biāo)簽的天線上。諧振頻率可通過式(1)計(jì)算出。

由式(1)可知當(dāng)平面螺旋電感的電感值如果超過5 μH，電容C取值將會(huì)很小，這將導(dǎo)致匹配電容很難實(shí)現(xiàn)[4]，所以電感的取值常在0.8 μH～1.8 μH。

2.2 天線尺寸的確定

奧斯特實(shí)驗(yàn)證明了通電直導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)。由Biot-Savart 定律可知，通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz與流經(jīng)導(dǎo)體的電流i1成正比，與距離導(dǎo)體的距離的平方成反比。垂直于平面螺旋電感距其中心x處的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz的大小為[5-6]:

式中:μ0為真空磁導(dǎo)率4π×10-7，i1為流經(jīng)導(dǎo)體的電流，N1為平面螺旋電感匝數(shù)，a為平面螺旋電感天線邊長(zhǎng)，x為垂直于平面螺旋電感距其中心的距離。由式(2)可知，在x≤a范圍內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎不變。

當(dāng)x≥a時(shí)，式(2)可化為:

式(3)表明，當(dāng)x≥a時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz的大小與距離x的3 次方成反比。因此，距離平面螺旋電感中心一定范圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz變化很小，超過該距離后急劇減小。因此可推斷出，對(duì)于任何一種期望識(shí)別距離都對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳的天線邊長(zhǎng)a。假設(shè)流經(jīng)平面螺旋電感中的電流不變，設(shè)x為常數(shù)式，則式(2)可改寫為:

式中:k＝μ0i1N1/2 為常數(shù)。式(4)對(duì)a求導(dǎo)，令其導(dǎo)數(shù)等于0，此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz取極值。解得，當(dāng)a＝時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz取得極大值，此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz最大。因此，平面螺旋電感天線的邊長(zhǎng)常設(shè)計(jì)為倍的最大期望識(shí)別距離。

經(jīng)測(cè)量，鑰匙栓中標(biāo)簽天線距離PCB 板距離約為15 mm，故讀寫器天線邊長(zhǎng)設(shè)為21 mm。

2.3 天線圈數(shù)的確定

根據(jù)Mohan S S 等人[7]中介紹，平面螺旋電感天線的電感值可以由以下公式計(jì)算得出[7-8]:

圖2 平面螺旋電感天線

根據(jù)式(4)可以看出，當(dāng)平面螺旋電感天線的匝數(shù)越多其磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，因考慮到天線內(nèi)部需要布置微觸開關(guān)和2 個(gè)LED 指示燈，所以內(nèi)徑不能過小。內(nèi)徑不變的情況下，增多匝數(shù)需要較小的線寬及間距。平面螺旋電感天線的線寬及間距需考慮PCB 加工廠家的加工能力及加工誤差，經(jīng)了解調(diào)研，選取了線寬0.15 mm，線距0.29 mm，該尺寸能夠滿足絕大多數(shù)的PCB 加工工藝要求。

在上一小節(jié)確定外徑尺寸為21 mm 的基礎(chǔ)上，計(jì)算了不同匝數(shù)對(duì)應(yīng)的內(nèi)徑及電感值如表1 所示，同時(shí)兼顧微觸開關(guān)和LED 指示燈對(duì)內(nèi)徑的要求及2.1 節(jié)匹配電容對(duì)電感值的要求，選擇了匝數(shù)為6 的平面螺旋電感天線。

表1 內(nèi)徑電感值與匝數(shù)的關(guān)系

2.4 天線CST 仿真

在三維電磁場(chǎng)仿真軟件CST 中仿真設(shè)計(jì)的平面螺旋電感天線。為了使仿真結(jié)果與實(shí)際情況更貼近，在如圖3 的仿真模型中除天線外加入了推拉式電磁鐵、微觸開關(guān)、LED 燈的模型。眾所周知，導(dǎo)電材料會(huì)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，塑料玻璃基本不會(huì)對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)產(chǎn)生顯著影響，方便起見將推拉式電磁鐵、微觸開關(guān)、LED 燈均設(shè)為理想導(dǎo)電體PEC。

圖3 CST 仿真模型

仿真結(jié)果顯示，工作頻率為13.56 MHz 時(shí)，該平面螺旋電感天線的阻抗為1.45+j108.3，計(jì)算其電感為1.271 μH，理論計(jì)算的電感值1.255 μH 與仿真結(jié)果接近，仿真結(jié)果可信。

通過添加磁場(chǎng)監(jiān)視器，對(duì)平面螺旋電感天線的磁場(chǎng)進(jìn)行仿真。通過調(diào)整電磁鐵、LED、按鍵的位置，降低其對(duì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響。調(diào)整后仿真的磁場(chǎng)分布如圖4、圖5 所示。

圖4 垂直天線方向磁場(chǎng)分布圖

圖5 平行天線方向磁場(chǎng)分布圖

從二維平面磁場(chǎng)強(qiáng)度可以看出距離平面螺旋天線越近磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，與之前理論分析一致。根據(jù)圖5 平行天線方向磁場(chǎng)圖可看出，磁場(chǎng)主要分布于平面螺旋電感天線的內(nèi)部，外部的磁場(chǎng)強(qiáng)度很小，這就避免了相鄰鑰匙栓位天線的干擾，避免引起誤識(shí)別。從圖中可以看出，推拉式電磁鐵、微觸開關(guān)、LED 指示燈對(duì)磁場(chǎng)的分布產(chǎn)生了一定的影響，但該影響主要集中在天線附近。在距離天線15 mm 的標(biāo)簽識(shí)別區(qū)未對(duì)磁場(chǎng)分布產(chǎn)生顯著的影響，在距離天線中心45 mm 的相鄰天線的磁場(chǎng)強(qiáng)度極小。故設(shè)計(jì)的平面螺旋電感天線適合于該智能鑰匙柜應(yīng)用。

2.5 天線匹配電路的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)需要使用射頻開關(guān)進(jìn)行識(shí)別天線的選擇，射頻芯片與天線之間有一定的距離，所以使用50 Ω 匹配電路更加合適。TRF7970A 的天線接口已經(jīng)通過匹配電路匹配到50 Ω，這就需要將設(shè)計(jì)的平面螺旋電感天線的阻抗匹配到50 Ω。使用史密斯圓圖工具進(jìn)行匹配電路設(shè)計(jì)非常方便，匹配電路采用并聯(lián)電容、并聯(lián)電阻、串聯(lián)電容3 元件匹配電路的形式。

設(shè)計(jì)時(shí)需考慮電路的品質(zhì)因數(shù)Q，品質(zhì)因數(shù)Q是衡量RFID 識(shí)別系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。增大Q值會(huì)提高傳輸效率減小損耗，但過高的Q值會(huì)導(dǎo)致電感燒毀、電容擊穿、電路震蕩、系統(tǒng)帶寬減小。查閱TRF7970A 芯片手冊(cè)，其不同協(xié)議最高需求帶寬是1.5 MHz，考慮到誤差，將帶寬設(shè)置為1.8 MHz，根據(jù)品質(zhì)因數(shù)與帶寬BW 的關(guān)系[9]:

對(duì)匹配電路R進(jìn)行參數(shù)掃描，結(jié)果如圖6 所示，當(dāng)R＝800 時(shí)，有著需要的帶寬并且匹配良好?？紤]到實(shí)際應(yīng)用，將R取值為820 Ω。

圖6 回波損耗隨電阻R 變化曲線

通過圖7 史密斯圓圖進(jìn)行匹配電路的設(shè)計(jì)[10]。天線的阻抗設(shè)置為仿真的阻抗1.45+j108.3。并聯(lián)56 pF 電容將阻抗旋轉(zhuǎn)至阻抗點(diǎn)2。接下來，通過并聯(lián)820 Ω 電阻將阻抗從阻抗點(diǎn)2 旋轉(zhuǎn)到阻抗點(diǎn)3；此時(shí)阻抗近似在50 Ω 圓上。最后的匹配元件是一個(gè)串聯(lián)的57 pF 電容器，它將阻抗從阻抗點(diǎn)3 旋轉(zhuǎn)到61.888-j0.371，這個(gè)電容器被分成47 pF 和10 pF 2 個(gè)并聯(lián)電容器，方便對(duì)天線頻率的微調(diào)，同時(shí)減少寄生成分。

圖7 史密斯圓圖阻抗匹配仿真

如圖8 所示設(shè)計(jì)的匹配電路使用ADS 進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真的S11曲線如圖9 所示。

圖8 天線及阻抗匹配電路

圖9 ADS 仿真結(jié)果

3 天線測(cè)試

電路板設(shè)計(jì)采用2 mm 厚的FR4 板材。頂層焊接微觸開關(guān)、LED 燈及匹配電路。第2 層為天線線圈及大范圍地，大范圍地保證了傳輸線的阻抗，進(jìn)而保證了射頻信號(hào)傳輸?shù)男盘?hào)完整性。

加工完成后的天線及電路如圖10 所示，安裝上鑰匙栓座、推拉式電磁鐵、LED 燈、微觸開關(guān)后使用中電41 所的AV3620 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試[11]，設(shè)置起始頻率12 MHz、終止頻率15 MHz，測(cè)試結(jié)果如圖11 所示。

圖10 天線及電路實(shí)物圖

圖11 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的天線及其匹配電路10 dB回波損耗帶寬為1.118 MHz，從經(jīng)驗(yàn)法則來看，天線的3 dB 帶寬是10 dB 回波損耗帶寬的2 倍，故天線的帶寬為2.236 MHz。仿真計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相近。

通過編寫STM32 嵌入式程序，對(duì)圖10 電路板中的TRF7970A 射頻識(shí)別芯片進(jìn)行讀標(biāo)簽測(cè)試[12]，測(cè)試發(fā)現(xiàn)可以對(duì)插入鑰匙栓位中的鑰匙栓標(biāo)簽ID進(jìn)行準(zhǔn)確讀取，長(zhǎng)時(shí)間讀取未發(fā)現(xiàn)讀取失敗現(xiàn)象。當(dāng)相鄰鑰匙栓位有標(biāo)簽時(shí)，也未發(fā)現(xiàn)誤讀現(xiàn)象。設(shè)計(jì)的平面螺旋電感天線適合于該智能鑰匙柜應(yīng)用。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)平面螺旋電感天線的理論分析、設(shè)計(jì)仿真、實(shí)物測(cè)試，證明了平面螺旋電感天線在智能鑰匙柜中應(yīng)用的可行性。

(2)使用三維電磁場(chǎng)仿真軟件CST 對(duì)平面螺旋電感天線進(jìn)行電感值和磁場(chǎng)仿真，使仿真的平面螺旋電感的電感值更加準(zhǔn)確，利于后期的匹配電路設(shè)計(jì)。磁場(chǎng)的仿真增加了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，對(duì)RFID 射頻天線的設(shè)計(jì)具有較好的參考價(jià)值。

(3)最后，通過編寫程序，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體測(cè)試，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的平面螺旋電感天線達(dá)到了預(yù)期的效果。