EMC滤波电路仿真 - 基于ATMEGA64L的RFID读卡器设计

EMC滤波电路仿真

　　针对500W天线阻抗进行EMC滤波电路的仿真：

　　① 设定特性阻抗Z。=500W，输入信号频率为13.56MHz;

　　② 令负载ZL=500W+0.00jW，确定起始点1;

　　③ 在ZL上并联电容C0，得到点2;

　　④ 再在C0上串联电感L0，得到点3;

　　应使点3位于15W匹配点，若点3 不能精确位于该点，则应微调各元件参数。由圆图的直观性，该调整不难实现。由此，得到如图5(a)所示的阻抗圆图。由Smith Chart得到C0 =136pF，L0=1mH时，可以推算出1、3点间的等效阻抗为15.24+j 0.00W，接近于负载阻抗15Ω，这表明了我们所设计的元件参数是正确的。其误差源于元件不可能无限精确。

　　

 

　　(a)

　　

 

　　(b)

　　图5 EMC滤波电路Smith圆图

　　由此，得到如图5(b)所示的阻抗圆图。由Smith Chart得到C0 =136pF，L0=1mH时，可以推算出1、3点间的等效阻抗为500.42+j 50.47欧姆，接近于天线阻抗500欧姆，这表明了前面我们所设计的元件参数是正确的。

　　天线匹配电路设计

　　天线本身是一个低电阻的器件，将天线连接到TRH031M需要一个匹配电路。设计天线的匹配电路有两种方法：50W匹配天线和使用直接匹配的天线配置。在本设计中采用直接匹配的天线配置。

　　计算天线线圈的电感

　　精确计算天线线圈的电感值在实践上非常困难的，通常用下面的公式估算：

　　L[nH]=2×L[cm]×(ln(L[mm] / D[mm]-k)) (1)

　　其中L为天线线圈一圈的长度，N为天线线圈圈数，一般为3圈，D为天线线圈直径或导体的宽度，P为由天线线圈的技术而定的N的指数因子(见表2)。

　　线圈电阻的估算

　　没有阻抗分析仪的首次天线调谐的估算可以用下面的公式：

　　RANT=5RDC (2)

　　为了给RFID卡提供足够的能量，天线与卡片间必须实现紧耦合，耦合系数最少为0.3(耦合系数为0时，即由于距离太远或磁屏蔽导致完全去耦，耦合系数为1即全耦合)。因此天线线圈采用直径为1mm的导线，设计为三圈的76mm×49mm长方形天线。此时，天线线圈产生的电感，由公式1可计算出天线线圈的电感值约为L=1.7mH。天线电阻R=1.4W。

　　由于每块不同的天线电路板实际的天线线圈电感值总是会稍有差异，在实际的PCB设计时，天线匹配网络的元件的设计过程按照图6进行调整。谐振电容由固定电容=150pF和可调电容CV2代替。通过调整可调电容CV2来使得天线的振荡频率为13.35MHz，通过调节C1使得天线的阻抗为500W，通过调整可调电容将每块天线板的读写距离调整到最佳。

　　

 

　　图6天线匹配电路调整过程

　　天线匹配网络仿真步骤如下：

　　① 设定特性阻抗Z。=500 W，输入信号频率为13.56MHz;

　　② 令负载ZL=0.00W+0.00jW，确定起始点1;

　　③ 在ZL上串联电阻Rcoil=0.7W，得到点2;

　　④ 再在Rcoil上串联电感L=0.85mH，得到点3;

　　⑤ 再并联电容C2，得到点4;

　　⑥ 最后再串联电容C1，得到点5。

　　

 

　　图7 天线匹配网络电路的Smith圆图

　　由此，得到如图7所示的阻抗圆图。图中设Rcoil为0.7W，L为0.85微亨，这样天线就由Rcoil和L来等效代替。由Smith Chart得到C2=163pF ， C1 =15pF，由此可以推算出1、5点间的等效阻抗为247.79+j11W，接近于对称天线的一半阻抗250W。

　　通过仿真得到的结果与笔者设计的元件参数基本一致，这说明了所设计的天线电路是正确的。

　　结语

　　基于ISO/IEC 15693标准，设计了基于ATMEGA64L微控制器和TRH031M读卡芯片工作频率为13.56MHZ的RFID读写器系统。设计并实现了基于 RFID技术的物流系统的软硬件原型，经过实际使用证明，系统的总体方案设计可行，其主要功能基本得以实现，达到了系统的性能指标：设计的读卡器系统对无源的15693协议的卡片的识别作用距离可达7.5cm。同时该系统能对ISO15693协议的卡片进行读写操作。系统运行正确，显示准确，使用方便，具有较强的抗干扰性能。