低頻RFID天線的諧振分析與仿真

摘要：低頻射頻識別技術以其高穿透性和抗干擾能力，在短距離非接觸識別中廣泛應用。然而，在終端系統的設計與實現過程中，識別距離、信號穩定性和解碼效率仍有提升空間。文章針對125 kHz 射頻識別系統的LC諧振電路，其電感值、電容值及品質因數等對諧振電路性能的影響，提出了一種優化設計方法，通過調整天線阻抗匹配和濾波設計，有效解決了諧振頻率偏移與信號衰減問題。結合曼徹斯特編碼特性，進一步改進數據傳輸的同步性和抗干擾能力。實驗結果表明，優化后的系統在信號強度、識別距離及傳輸穩定性方面有顯著提升，為RFID技術在半導體制造、門禁系統及工業生產線管理等領域的應用提供了理論與實踐參考。

關鍵詞：低頻射頻識別技術；LC諧振優化；曼徹斯特編碼；短距離射頻識別技術通信

中圖分類號：TN91；TP39 文獻標志碼：A

0 引言

隨著物聯網技術的不斷發展，射頻識別（Radio Frequency Identification， RFID）技術因其非接觸性、高效性和數據存儲能力［1］，成為半導體制造、門禁系統及工業生產線管理等領域的重要技術手段。尤其在短距離識別應用中，125 kHz低頻RFID技術憑借其低功耗、高穿透性和強抗干擾能力，展現出獨特優勢。然而，在實際應用中，125 kHz低頻RFID系統的識別距離、識別速度及信號傳輸穩定性仍存在優化空間。

RFID系統的性能在很大程度上取決于其諧振電路的設計與優化。諧振電路是RFID信號傳輸的核心，其參數匹配（如電感值、電容值）直接影響系統的工作頻率、信號強度和傳輸效率。同時，數據傳輸過程中的信號同步性和抗干擾能力也需要通過優化編碼方式（如曼徹斯特編碼）來提升。針對這些問題，探索125 kHz低頻RFID系統的諧振特性［2］及其優化方法，對于提升整體系統性能具有重要意義。

近年來，國內外研究者對RFID技術的應用與優化展開了廣泛研究。在網絡安全領域，張賀豐等［3］研究了低頻RFID技術在工業互聯網標識解析中的應用，提出了高安全性的全方位數據保護設計；在建筑管理中，郭朝君等［4］通過集成RFID技術構建了智慧工地系統，實現了施工設備與人員的動態管理；在物流領域，羅玲玲［5］研究了RFID電子標簽在船舶物資儲運中的定位應用，顯著降低了物資識別誤差；趙知易等［6］設計了一種基于Arduino的RFID智慧門禁系統，實現了毫秒級延遲的高效控制。這些研究成果展現了RFID技術在不同領域的廣泛應用潛力，然而，針對125 kHz低頻RFID諧振電路設計及其優化的系統性研究仍較少，特別是在多標簽識別環境和復雜工況中的性能提升方面，亟須進一步探索。

本文基于125 kHz低頻RFID技術，重點研究諧振電路參數對系統性能的影響，提出了一種優化設計方法以解決諧振頻率偏移與信號衰減問題。同時，結合曼徹斯特編碼優化方案，提升數據傳輸的同步性和抗干擾能力。實驗驗證，優化后的系統在識別距離、信號強度及傳輸穩定性方面取得了顯著提升，為RFID技術在短距離識別領域的廣泛應用提供了技術支持和理論依據。

1 RFID線圈天線諧振分析

1.1 線圈諧振與EM4095諧振電路

EM4095是一個載波頻率為125 kHz的RFID閱讀芯片，它集成的鎖相環（Phase-Locked Loop，PLL）系統能達到載波頻率自適應天線的共振頻率，而不需外接晶振。EM4095 是低成本的外部元件，能夠確保共振操作，只有2個系統變量，采樣定位精確，簡單易用，功耗低。

EM4095與微控制器接口簡單，由EM4095構成的讀寫器電路原理如圖1所示。芯片供電后，SHD應先接高電平，對芯片進行初始化，然后再接低電平，芯片即發射射頻信號，解調模塊將天線上AM信號中攜帶的數字信號取出，由DEMOD_OUT端輸出。EM4095輸出的參考時鐘信號RDY/CLK接微控制器，用作解碼的同步時鐘［7］。

在125 kHz RFID系統中，諧振電路是實現高效通信的核心低頻部分。諧振頻率由LC電路的參數決定，系統性能受到天線諧振頻率、應答器諧振頻率和射頻驅動頻率等變量的影響。其中，天線諧振頻率由天線線圈的電感和匹配電容確定，應答器諧振頻率則由標簽側LC電路確定。為保證系統信號的穩定傳輸，天線與應答器的諧振頻率須精確匹配。尤其在鎖相環系統中，由于天線諧振頻率和射頻驅動頻率一致，頻率匹配的優化主要集中在天線與應答器之間的協同上。

諧振電路的品質因數Q值是評估系統性能的關鍵參數，Q值越高，諧振電路的選擇性越強，信號傳輸效率越高，但系統對頻率公差的容忍度也隨之降低。在Q值較低的系統中（如空氣芯線圈設計中Qlt;15），允許的頻率偏移可達±5 kHz，適合靈敏度要求較低的場景。而對于高Q值系統（如鐵氧體芯線圈設計中Q≥40），信號強度更高，頻率匹配要求更嚴格，頻率漂移可能導致信號傳輸不穩定甚至失效。因此，諧振電路的設計需要在信號強度與頻率穩定性之間尋求平衡。

電源噪聲也是影響諧振性能的重要因素。在RFID系統中，ANT驅動器以電源電壓為基準驅動天線，電源中小于20 kHz的低頻噪聲可能通過諧振電路疊加到天線信號中，導致頻率漂移和信號失真。當噪聲幅值接近應答器信號的幅值時，系統的通信質量會顯著下降甚至出現故障。為此，可以通過增加濾波電容（如C_AGND電容）來有效降低低頻噪聲的影響。實驗表明，將C_AGND電容的值從220 nF增加至1μF可以顯著增強系統的抗干擾能力。此外，通過優化C_DC2電容（范圍6.8～22.0 nF），能夠提升信號接收靈敏度，特別是在高Q值系統中，有助于修正接收信號的非矩形波形，提高接收增益。

LC諧振電路的優化設計對系統性能的提升至關重要。通過調整C_DC2電容和C_DEC電容，不僅可以改善高Q值系統的信號接收靈敏度，還可以增強系統啟動時的穩定性。較高的C_DEC電容值雖然會延長啟動時間，但在復雜環境中能有效提升信號傳輸的穩定性。

1.2 參數設計與計算

1.3 線圈天線電感值仿真

1.3.1 模型建立

1.3.2 仿真設置

仿真過程在磁絕緣環境下進行，終端類型為電流源，輸入電流I=0.12 A。通過網格剖分提高計算精 度，仿真求解域采用安培定律約束條件，模型網格如圖4所示。

1.3.3 仿真結果

仿真得出的主要電參數如表1所示。

通過表1中數據可知，線圈電感值為56.55 μH，與理論計算結果接近，驗證了模型的準確性；電阻值為732.99 mΩ，符合導體材料及尺寸特性。進一步優化線圈設計（如減小導體直徑或調整節距）可有效提升電感性能并降低功耗。此外，總磁能為4.05×10-7 J，表明磁場能量利用率較高，但仍存在優化空間。線圈磁通密度分布如圖5所示。

從圖5可以看出，線圈周圍磁場分布較均勻，整體設計合理。磁場強度的微弱不均可能與仿真邊界條件或網格剖分精度相關，可通過改進仿真參數進一步優化。調整螺旋直徑D和節距S也可改變磁場分布特性，以適應不同的應用場景。

2 系統硬件電路設計

本系統基于125 kHz超低頻短距離RFID技術，結合Arduino開發板、集成RFID模塊、舵機、OLED液晶顯示模塊等外圍組件，構建了一種智能門禁系統。系統整體架構如圖6所示，通過RFID讀卡模塊實現非接觸式卡號識別，結合舵機、OLED屏幕等組件完成身份驗證、信息顯示及控制反饋。

讀卡操作通過天線與卡片的接近完成。為保證RFID模塊能夠高效接收對應頻率的射頻信號，設計中對天線阻抗進行了優化匹配，使其在125 kHz工作頻率下實現最大能量傳輸。RFID模塊讀取標簽信號后，經過射頻電路整形濾波和信號放大，將數據傳遞至主控模塊。

系統核心部分采用C8051F330混合信號處理器［8］完成信號的解碼和數據處理任務。射頻電路設計，優化了增益和濾波特性，以確保在復雜環境下仍能準確接收低頻RFID標簽的信號。主控模塊通過串口與Arduino開發板通信，處理解碼數據并驅動外設模塊。

系統代碼通過Arduino IDE進行開發，將數據可視化處理并控制外設響應。實驗測試表明，經過認證的卡號刷卡后，OLED屏幕展示卡號并顯示歡迎信息，綠色指示燈亮起，蜂鳴器發出提示音，同時舵機旋轉90°開放通行；而未經認證的卡號刷卡后，OLED屏幕顯示警告信息，紅色指示燈亮起，蜂鳴器發出警報音，舵機保持關閉狀態以攔截非法用戶。

為進一步驗證硬件設計的有效性，本設計結合蜂鳴器、OLED屏幕、指示燈等模塊進行集成測試，確保RFID模塊在讀取認證卡號后能觸發正確的控制邏輯，展現高效的通行狀態，同時在讀取未經認證卡號時實現安全防護功能。系統設計優化了硬件集成的可靠性和響應效率，以確保門禁系統的安全性和高效管理性。

3 系統編碼設計

3.1 EM4100卡片與曼徹斯特編碼

EM4100是一種只讀型RFID標簽，內部存儲64位固定數據，包括9位固定報頭、40位數據位、10位行校驗位和4位列校驗位，用于確保數據完整性。其數據傳輸采用曼徹斯特編碼，通過電平變化表示數據“0”和“1”。每位數據的中間發生電平跳變，提供同步時鐘信號并增強抗干擾性［9］。

在本系統中，EM4100卡片通過RFID模塊發射射頻信號，經讀卡器接收和解碼后，將卡號數據傳送至主控模塊。采用曼徹斯特編碼規則的解析，能夠快速提取有效數據，用于后續的身份驗證與控制。

3.2 EM4100標簽解碼

標簽解碼是整個RFID系統的關鍵環節。EM4100標簽的數據傳輸采用曼徹斯特編碼方式，每次輸出64 bit數據。標簽信號的起始由連續9個“1”標識，數據位周期定義為64個振蕩周期的“0”或“1”信號。以125 kHz載波頻率為例，每個載波周期為8 μs，一個數據位周期為512μs，完整的64位數據傳輸時間為32.679 ms，滿足門禁系統的快速識別需求［10］。

標簽解碼的主要流程包括信號采集、數據解碼和數據校驗3個步驟。信號采集通過檢測RFID模塊的電平邊沿，確定跳變的時間間隔。根據曼徹斯特編碼規則，短間隔跳變表示“0”，長間隔跳變表示“1”；數據解碼過程是根據連續檢測的16個邊沿信號，提取64位編碼數據。每5位中的前4位為數據位，第5位為行校驗位，最后5位為列校驗位和停止位。去除報頭和校驗位，得到十進制表示的卡號；數據校驗是在解碼完成后，根據行校驗位和列校驗位對數據完整性進行驗證，確保卡號數據無誤。校驗部分主要代碼如下。

u8 RFID_check（void）{

u8 i=0，j=0;

u8 sum=0;

for（i=0;ilt;10;i++）{

for（j=0;jlt;5;j++）

{sum^=（ID［i］gt;gt;（4-j））amp;0x01;//行校驗}

if（sum！=0）return 0;//行校驗失敗

}

for（i=0;ilt;11;i++）{

sum^=ID［i］;//列校驗}

if（sumgt;gt;1！=0）return 0;//列校驗失敗

return 1;//校驗成功}

解碼完成后，系統可快速提取卡號，用于與數據庫中已注冊的卡號進行比對，實現身份驗證功能。通過校驗機制，系統能夠大幅降低因信號噪聲或干擾導致的解碼失敗率，提升數據的完整性和識別效率。經過優化后的解碼流程將標簽傳輸時間控制在33ms內，可滿足門禁系統的高效性和實時性需求，為后續實驗驗證提供了基礎數據支持。

4 實驗結果與分析

對門禁系統的電路板進行功能測試，重點驗證系統的識別效率、信號穩定性和解碼準確率。實驗結果表明，優化后的LC諧振電路顯著提升了系統性能。首先，在識別距離方面優化設計后，系統識別距離達到20 cm，較初始設計提升33%，滿足大多數門禁應用場景需求；其次，在信號穩定性方面，在有干擾環境下，系統的識別成功率達到96%，驗證了諧振頻率匹配和濾波優化的有效性。然后，在解碼效率方面，改進后的解碼邏輯將單次標簽數據傳輸和解析時間控制在33 ms以內，顯著提升了系統響應速度。

通過測試，系統能夠根據不同ID卡號準確執行權限控制，實現身份驗證與攔截功能，確保門禁系統的安全性和管理效率。進一步，實驗驗證了125 kHz低頻RFID系統中LC諧振優化設計對信號穩定性和傳輸效率的提升，為短距離非接觸識別應用提供了技術支持。

5 結語

本文設計了一種優化LC諧振電路的智能系統，結合曼徹斯特編碼特性提升了數據傳輸的同步性和抗干擾能力。實驗結果表明，優化設計在識別距離、信號穩定性和解碼效率方面均表現出色，不僅驗證了諧振電路參數對系統性能的關鍵作用，也為其他短距離非接觸識別應用提供了理論和實踐支持。

該系統的設計除了適用于門禁管理，還可廣泛應用于半導體制造、物流倉儲追蹤及工業生產線管理等領域，具有較高的實用性和擴展潛力。未來研究將進一步結合云平臺與自適應算法，實現LC諧振頻率的實時調整，通過引入動態權限管理，進一步提升系統的智能化和安全性。

參考文獻

［1］盧愿，鄭紫微，賀超.基于Android的可見光定位技術研究［J］.數據通信，2019（1）：16-20.

［2］沈建明，張越，張睿，等.低頻磁場無線穿透金屬壁通信系統設計［J］.電子制作，2023（11）：7-11.

［3］張賀豐，林杰，王文赫，等.面向工業互聯網低頻射頻識別技術的高安全設計［J］.儀表技術與傳感器，2023（12）：79-83.

［4］郭朝君，陶雨航.RFID（射頻識別）技術在智慧工地中的創新運用［J］.無線互聯科技，2021（23）：96-97.

［5］羅玲玲.RFID技術在船舶物資儲運識別中的應用［J］.艦船科學技術，2023（24）：184-187.

［6］趙知易，謝再晉，祁宇軒，等.基于RFID與藍牙技術的智慧門禁系統設計［J］.電子設計工程，2023（11）：60-64，69.

［7］張建文，王懷平.125 kHz低頻RFID讀寫器設計［J］.軟件工程師，2014（4）：52-54.

［8］夏汝華.基于C8051F330的低成本電動執行機構智能伺服控制器研究［J］.自動化與儀器儀表，2011（3）：72，75.

［9］梁佐泉.曼徹斯特解碼算法在射頻識別中的研究與應用［J］.計算機光盤軟件與應用，2011（19）：70-71.

［10］張海燕，袁國棟，高浩浩.基于RFID通信的智能門禁系統［J］.電子元器件與信息技術，2022（6）：113-117.

（編輯 王永超編輯）

Low-frequency RFID antenna resonance analysis and simulation

YANG "Hengmin

（Yangzhou Branch of Jiangsu Union Technical Institute， Yangzhou 225003， China）

Abstract： "Low-frequency RFID technology， known for its high penetration and anti-interference capabilities， has found extensive applications in short-range contactless identification. However， challenges remain in improving identification range， signal stability， and decoding efficiency in terminal system design and implementation. The article focuses on the LC resonance circuit of a 125 kHz RFID system， analyzing the impact of inductance， capacitance， and quality factor on circuit performance. An optimization method is proposed to address issues such as resonance frequency deviation and signal attenuation by fine-tuning antenna impedance matching and filter design. Additionally， Manchester encoding characteristics are utilized to enhance data transmission synchronization and anti-interference capabilities. Experimental results demonstrate significant improvements in signal strength， identification range， and transmission stability， providing theoretical and practical insights for applying RFID technology in semiconductor manufacturing， access control systems， and industrial production line management.

Key words： low-frequency RFID; LC resonance optimization; Manchester encoding; short-range RFID communication