新的天线匹配技术如何让HF-RFID实现运行

各地的电子制造商不断努力实现基本流程的自动化。 RFID天线调谐是另一个手动过程，很快就会成为历史。

RF电路设计的主要困难之一是保持天线和收发器之间的良好匹配。在实验室中调整系统可能很方便，但实验室中的条件很少反映系统在现实世界中会遇到的情况。安装后，系统性能会受到环境条件的极大影响，例如设计与金属或水的接近程度。

高频RFID(HF-RFID)应用很容易受到这种影响。遗憾的是，传统的HF-RFID组件没有为用户提供调整设备以补偿环境条件的手段。修整是一种耗时，手动且昂贵的工艺流程。

HF-RFID系统工作频率为13.56 MHz，受全球公认的标准管辖：

ISO 14443 A/B (4，5) - 接近或短距离，最大约75 mm。

ISO 15693 (6，7) - 附近或中等范围，最大约1 m。

ISO 18092 (8) - 近场通信( NFC)。用于通信读取器到读取器或读取器到NFC设备。

每个标准定义标签的特征，包括：

物理特性

射频接口(ISO 14443)

初始化和防冲突(ISO 14443)

空中接口和初始化(ISO 15693)

传输协议(ISO 14443)

其他协议(ISO 15693)

应用程序/用户注册(ISO 15693)

可以设计一个多标准阅读器与任何HF-RFID应答器(也称为标签)进行通信。读者将能够读取和写入标签。在ISO 14443和ISO 15693系统中，标签将由读取器广播的RF场的能量供电(参见图1)。

HF-RFID的各种标准随着方式的多样化而发展组织希望利用它。例如，RFID可用于固定和移动应用。在固定安装中，读者必须能够在许多不同材料的存在下运行。

图1：典型RFID应用的简化架构。

在门禁系统中，例如，读卡器通常位于门口。它可以与金属，玻璃，木材或复合材料相邻，并且每个都具有不同的RF特性。显然，读卡器的射频电路需要一种方法来补偿这些材料的影响，以确保在每个位置都能正常工作。手持阅读器(如用于支付终端，牲畜跟踪系统等)的环境可能不同，因为它们必须应对，例如，雨水，湿度以及人体和动物体的接近度。但是，天线微调的要求是相同的。

RFID阅读器的基本构建模块是天线，射频部分和控制器。良好的系统性能要求RF部分和天线之间匹配。由于HF-RFID系统对天线系统使用RLC振荡电路(见图2)，因此需要进行天线调谐。

振荡电路的频率由下式定义：

电阻器的目的是确定储能电路的带宽和“Q”。 “Q”值得注意。如果选择的值太小，则信号将受到过度衰减的影响。如果该值太大，则噪声可能是个问题。例如，对于ISO 14443，Q值为13是一个不错的选择。这是因为所需带宽为848 kHz(Fb)。这由以下公式定义：

实际计算结果是Q为16.需要额外的余量来最小化信号的衰减。

现在可以计算R的值。所需的值将由以下公式确定：

由于这是一个并联电路，必须考虑电感和电容的有效电阻，因此R可以通过以下公式计算：

由于每个组件的公差，必须在使用阅读器之前校准共振频率。这通常通过调整设计在电路中的可变电容器来完成。这种调整过程非常耗时。制造工程师不喜欢手动流程，因为它们成本高，容易受到人为错误的影响。此外，生产线中的环境可能与其最终位置中的环境不同，因此系统可能需要在安装后重新调整。在系统上线之前，这需要更多的时间和金钱。最后，可调电容器会随着时间的推移而漂移，并且可以使系统处于关闭频率。

作为易于使用的软件控制系统的一部分，自动化天线调谐过程的读取器IC消除了所有这些问题。 》具有自动天线管理功能的读卡器集成解决方案的一个很好的例子是ams的AS3910 HF-RFID读卡器IC。它对系统设计者的主要优点是系统调整是通过系统控制器发送的命令以数字方式执行的。软件控制不仅简化了调整，还允许用户在需要时轻松地重新调整系统以提高现场性能。

数字调整很容易实现。当调谐序列开始时，在禁用调谐电容的情况下进行初始测量。如果系统不共振，则电容增加。该过程一直持续到达到天线共振。在AS3910中，此过程仅使用两个命令实现，即检查天线谐振和校准天线谐振，这些命令被硬编码到设备中。相位检测器用于测量发送器输出信号和接收器输入之间的相移。当达到90度的相移时，系统正确匹配。低阻抗输出驱动器可配置为直接驱动单端或差分天线系统(见图2)。

图2：AS3910可配置为驱动单端或差分天线。

校准天线谐振命令允许用户优化天线性能，既简化了制造过程又允许对现场失谐进行一些补偿。首次执行该命令时(禁用微调电容)，测得的频率将高于13.56 MHz。接下来，器件在Trim1_0中切换并测量谐振频率。每个开关和测试步骤大约需要10μs。接下来，AS3910将切换调整电容，直到达到13.56 MHz的谐振频率。理想情况下，这将通过插入的微调电容器2和3实现。如果天线失谐，这允许更高或更低的调整。用于谐振的微调电容器的位置存储在天线校准寄存器中。如果在切换所有微调电容器后无法实现谐振，则天线校准寄存器会显示一个错误标志，提醒用户校准错误已发生且应检查系统。

降低成本并提高性能》 HF-RFID读取器中RF电路的数字校准具有在对RF不利的环境中改善RF性能的优点，同时降低了产品的制造成本。正如AS3910所示，可以通过优雅和简单的软件控制来实现数字修整。各地的电子制造商不断努力使基本流程自动化。 RFID天线调谐肯定是另一个手动过程，很快就会成为历史。