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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—— —推荐阅读— 电路分析 可控硅设计经验分享 智能开关单火线技术 NFC芯片选型及基本电路框 一个恒流输出电源传导、辐射超标解决案例 关于单片机读取外部电压ADC阻抗匹配问题 DC-DC降压芯片输入输出压差范围要求? STM32芯片超低功耗设计思路 谈论电感额定电流时,我们在谈什么 工艺制程 警惕!CAF效应导致PCB漏电 AltiumDesigner热焊盘敷铜设置技巧 懂?色温与显示指数的关系 隐秘的角落:SMT过炉速度不当带来的质量隐患 设计美学 对于“工业设计之美”评审与决策的一点认知 测试分析 浅谈4款低功耗电流测试“神器” 芯片失效分析,你可以怎么办? 示波器测试市电电路意外“炸机”? 测量误差?什么误差?测量什么? 算法思维 用数据思维看事实 增量式PID公式的4点疑问和理解 器件选型 干电池漏液分析 保险丝选型8大考虑要素 切勿忽视晶振的选型设计 浅析继电器触点粘连问题 干簧管与霍尔器件位置和方向的合理设计 实用工具 DFM神器:PCB、BOM可制造性设计分析 随笔 认知:专注的思维成为习惯以至自然 凡是过往,皆为序章 |
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