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一文了解NFC天线工作原理及其设计

2021-07-05 08:54
硬件大熊
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继公众号之前推送过的《NFC芯片选型及基本电路框架》之后,本篇文字聊聊NFC天线工作原理及其设计,由于篇幅有限,该内容分两篇文字进行阐述——

传统天线通过向空中辐射电磁波来传输电磁信号,为了能把电磁信号辐射到空中,天线的长度需要和工作波长相比拟。简单的半波偶极子天线长度是1/2波长,单极子天线是1/4波长。对应到13.56MHz的工作频率,半波偶极子天线尺寸为11.06m,单极子天线尺寸为5.03m。但13.56MHz NFC通过近场耦合来传输电磁信号,天线工作距离远小于传统天线,ISO14443-A/B工作距离只有10cm左右,SO15693最远工作距离也只有1m。

13.56Mhz NFC天线可以看作一个耦合线圈,根据安培定律,电流流过一段导线时会在导体周围产生磁场,且该磁场感应强度正比于线圈匝数和线圈面积,并随着距离的3次方衰减。而个根据法拉第电磁感应定律,时变的磁场穿过闭合空间会产生感应电压。因此将该两个定律分别应用于NFC读写器、NFC卡片,读写器天线产生磁场耦合到NFC卡片天线产生电压能量启动NFC卡片中的芯片,由此进行能量、信号传输。

高频读卡器的天线是磁环路天线,通常为印刷线圈、柔性PCB或绕线天线,也可以是金属外壳。天线的尺寸、匝数、走线宽度、间隙宽度等因素决定了天线的电参数,电参数包括:电感、串联和并联电阻、自谐振频率、Q值。等效电路为:

根据汤姆逊公式

可知,天线的谐振频率和L、C有关,调节天线的匝数、线圈面积、间隙,同时通过外部电容的匹配形成LC谐振电路,通过谐振电路即可将能量传输至射频卡。

原则上,增加天线的匝数、线圈面积,可以增大磁通量,工作距离更远。当然,增加匝数与面积的同时,天线的等效电感也会随之增大,过大的电感会导致调谐振电容时需要的电容量过小,因此天线的等效电感值通常涉及在1-2uH左右。

使用仿真软件,可得天线各参数如下的关系:

对于整体NFC设计,为考量EMC滤波电路、匹配电路的设计,我们需要确定天线的等效电感、电阻、电容、Q值。对于参数的测量可借助网络分析仪——

1. 在天线端连接网络分析仪:此时天线需要和匹配网络断开(将已上电的读卡器连接到VNA可能会损坏网络分析仪);

2. 将史密斯圆图的测试频率范围设置为1MHz - 100MHz;

3. 在13.56MHz做标记,直接测量出该频率点的损耗电阻Rsdc、电感Lant、自谐振频率Fra、自谐振并联阻抗Rp。

4. 计算天线等效电路参数:

自谐振频率下寄生电容:

天线自谐振频率13.56Mhz时的等效电阻(必须从自谐振频率转化为工作频率):

天线等效总电阻:

最终简化的天线等效谐振电路为如下模型:

由此计算出:

根据如上4个步骤,天线的参数(Rpant、Cant、Lant)已经测试、计算完毕,该等效的电路参数将用于设计匹配电路,匹配电路与天线达到共轭匹配后才能最大程度地传输可用能量。关于匹配电路的设计,我们下一篇作讲解——


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