近場通信（Near Field Communication，簡稱NFC），是一種新興的技術(shù)，使用了NFC技術(shù)的設(shè)備（例如移動電話）可以在彼此靠近的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，是由非接觸式射頻識別（RFID）及互連互通技術(shù)整合演變而來的，通過在單一芯片上集成感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對點(diǎn)通信的功能，利用移動終端實(shí)現(xiàn)移動支付、電子票務(wù)、門禁、移動身份識別、防偽等應(yīng)用。
NFC設(shè)計(jì)中比較重要的是天線設(shè)計(jì)，相對于傳統(tǒng)天線，NFC工作的天線具有以下特點(diǎn)：
- 傳統(tǒng)天線是通過向空中輻射電磁波來傳輸電磁信號，天線工作于遠(yuǎn)區(qū)場，為了能把電磁信號輻射到空中，天線的長度需要和工作波長相比擬? 例如簡單的半波偶極子天線長度是½波長，或者單極子天線長度是¼波長，對應(yīng)到13.56MHz的工作頻率，半波偶極子天線和單極子天線尺寸分別約為: 11.06m 和5.03m；
- 但是13.56MHz NFC/RFID天線工作距離遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)天線? 傳統(tǒng)天線工作距離遠(yuǎn)大于工作波長，工作于遠(yuǎn)場區(qū)• 手機(jī)天線，需要接收幾百米直到十幾公里外的基站信號• 收音機(jī)天線，更需要接收遠(yuǎn)達(dá)幾十、幾百公里外的發(fā)射塔信號? 13.56MHz NFC/RFID天線工作距離遠(yuǎn)小于工作波長，工作于近場耦合區(qū)• ISO14443-A/B工作距離只有10cm左右， ISO15693最遠(yuǎn)工作距離也只有1m，遠(yuǎn)小于22.12m的工作波長，通過電磁耦合進(jìn)行電磁能量的傳輸。
- 13.56MHz NFC/RFID天線工作距離短，通過近場電磁耦合來傳輸電磁信號，可以看作是一個耦合線圈，所以對于NFC天線長度可以不用滿足1/4波長的要求。
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,同時通過外部電容的匹配形成LC諧振電路,通過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,天線的等效電感也會隨之增大,過大的電感會導(dǎo)致調(diào)諧振電容時需要的電容量過小,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。對于參數(shù)的測量可借助網(wǎng)絡(luò)分析儀——
1． 在天線端連接網(wǎng)絡(luò)分析儀:此時天線需要和匹配網(wǎng)絡(luò)斷開(將已上電的讀卡器連接到VNA可能會損壞網(wǎng)絡(luò)分析儀);
2． 將史密斯圓圖的測試頻率范圍設(shè)置為1MHz - 100MHz;
3． 在13．56MHz做標(biāo)記,直接測量出該頻率點(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):
天線自諧振頻率13．56Mhz時的等效電阻(必須從自諧振頻率轉(zhuǎn)化為工作頻率)
天線等效總電阻:
最終簡化的天線等效諧振電路為如下模型:
由此可計(jì)算出
根據(jù)如上4個步驟,天線的參數(shù)(Rpant、Cant、Lant)已經(jīng)測試、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。
附件是NFC天線電感設(shè)計(jì)相關(guān)資料，從式中也可以看出，NFC天線電感主要跟線長（長/寬），線徑（走線寬度，銅厚），線圈匝數(shù)，線距（互感效應(yīng)）有關(guān)。歡迎大家下載，謝謝。
