NFC天線工作原理、設(shè)計(jì)

繼公眾號(hào)之前推送過(guò)的《NFC芯片選型及基本電路框架》之后，本篇文字聊聊NFC天線工作原理及其設(shè)計(jì)，由于篇幅有限，該內(nèi)容分兩篇文字進(jìn)行闡述——

傳統(tǒng)天線通過(guò)向空中輻射電磁波來(lái)傳輸電磁信號(hào)，為了能把電磁信號(hào)輻射到空中，天線的長(zhǎng)度需要和工作波長(zhǎng)相比擬。簡(jiǎn)單的半波偶極子天線長(zhǎng)度是1/2波長(zhǎng)，單極子天線是1/4波長(zhǎng)。對(duì)應(yīng)到13.56MHz的工作頻率，半波偶極子天線尺寸為11.06m，單極子天線尺寸為5.03m。但13.56MHz NFC通過(guò)近場(chǎng)耦合來(lái)傳輸電磁信號(hào)，天線工作距離遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)天線，ISO14443-A/B工作距離只有10cm左右，SO15693最遠(yuǎn)工作距離也只有1m。

13.56Mhz NFC天線可以看作一個(gè)耦合線圈，根據(jù)安培定律，電流流過(guò)一段導(dǎo)線時(shí)會(huì)在導(dǎo)體周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，且該磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度正比于線圈匝數(shù)和線圈面積，并隨著距離的3次方衰減。而個(gè)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，時(shí)變的磁場(chǎng)穿過(guò)閉合空間會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。因此將該兩個(gè)定律分別應(yīng)用于NFC讀寫(xiě)器、NFC卡片，讀寫(xiě)器天線產(chǎn)生磁場(chǎng)耦合到NFC卡片天線產(chǎn)生電壓能量啟動(dòng)NFC卡片中的芯片，由此進(jìn)行能量、信號(hào)傳輸。

高頻讀卡器的天線是磁環(huán)路天線，通常為印刷線圈、柔性PCB或繞線天線，也可以是金屬外殼。天線的尺寸、匝數(shù)、走線寬度、間隙寬度等因素決定了天線的電參數(shù)，電參數(shù)包括：電感、串聯(lián)和并聯(lián)電阻、自諧振頻率、Q值。等效電路為：

根據(jù)湯姆遜公式

可知，天線的諧振頻率和L、C有關(guān)，調(diào)節(jié)天線的匝數(shù)、線圈面積、間隙，同時(shí)通過(guò)外部電容的匹配形成LC諧振電路，通過(guò)諧振電路即可將能量傳輸至射頻卡。

原則上，增加天線的匝數(shù)、線圈面積，可以增大磁通量，工作距離更遠(yuǎn)。當(dāng)然，增加匝數(shù)與面積的同時(shí)，天線的等效電感也會(huì)隨之增大，過(guò)大的電感會(huì)導(dǎo)致調(diào)諧振電容時(shí)需要的電容量過(guò)小，因此天線的等效電感值通常涉及在1-2uH左右。

使用仿真軟件，可得天線各參數(shù)如下的關(guān)系：

對(duì)于整體NFC設(shè)計(jì)，為考量EMC濾波電路、匹配電路的設(shè)計(jì)，我們需要確定天線的等效電感、電阻、電容、Q值。對(duì)于參數(shù)的測(cè)量可借助網(wǎng)絡(luò)分析儀——

1. 在天線端連接網(wǎng)絡(luò)分析儀：此時(shí)天線需要和匹配網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)（將已上電的讀卡器連接到VNA可能會(huì)損壞網(wǎng)絡(luò)分析儀）；

2. 將史密斯圓圖的測(cè)試頻率范圍設(shè)置為1MHz - 100MHz；

3. 在13.56MHz做標(biāo)記，直接測(cè)量出該頻率點(diǎn)的損耗電阻Rsdc、電感Lant、自諧振頻率Fra、自諧振并聯(lián)阻抗Rp。

4. 計(jì)算天線等效電路參數(shù)： 

自諧振頻率下寄生電容：

天線自諧振頻率13.56Mhz時(shí)的等效電阻（必須從自諧振頻率轉(zhuǎn)化為工作頻率）：

天線等效總電阻：

最終簡(jiǎn)化的天線等效諧振電路為如下模型：

由此計(jì)算出:

根據(jù)如上4個(gè)步驟，天線的參數(shù)（Rpant、Cant、Lant）已經(jīng)測(cè)試、計(jì)算完畢，該等效的電路參數(shù)將用于設(shè)計(jì)匹配電路，匹配電路與天線達(dá)到共軛匹配后才能最大程度地傳輸可用能量。關(guān)于匹配電路的設(shè)計(jì)，我們下一篇作講解——