NFC讀卡器天線設(shè)計與測量

一.讀卡器天線設(shè)計

1.NFC讀卡天線設(shè)計時與線圈圈數(shù)有關(guān),一般在2-6匝,如果面積較大可以為1匝.

2.與線圈的線寬有寬,線寬大于0.4mm,太細純電阻會較大.

3.同時天線的電感在0.3-3uh之間,目的是與之調(diào)諧的電容值容易找.

NFC天線不同于傳統(tǒng)天線,NFC設(shè)備進行通信時,是靠兩個天線耦合進行能量傳遞的,類似于變壓器初線和次線的能量傳遞.

能量在傳遞過程中,磁場強度與NFC天線相關(guān)的量有,面積大小(半徑R),電流大小(I),線圈扎數(shù)(N),兩個天線之間的距離(X).

其關(guān)系式為:

通過公式定性結(jié)論:

1.NFC天線線圈的面積大小會影響其產(chǎn)生的磁場強度從而影響工 距離；通常較大的天線線圈面積，其工作距離也較遠.

2.在電流和匝數(shù)相同的條件下

1)距離天線線圈較近的位置，小尺寸線圈產(chǎn)生的磁場強度要大于大尺寸線圈

2)小尺寸天線線圈產(chǎn)生的磁場強度隨距離衰減的速度要遠大于大尺寸天線線圈，所以在距離天線線圈較遠的位置，小尺寸線圈產(chǎn)生的磁場強度要遠小于大尺寸線圈

3)通常較大尺寸天線線圈其工作距離會更遠

4)過大尺寸的天線線圈有可能會因為最大場強過小而導(dǎo)致不能正常工作

3.對于圓形線圈天線，理論上天線的最佳尺寸為天線直徑是其工作距離的

倍

關(guān)于天線匝數(shù):

從公式看,磁場強度正比于天線匝數(shù),但NFC天線是電壓驅(qū)動的,匝數(shù)越多,電阻越大,電流反而會變小,一般超過6匝就沒有效果.

對于一個長寬比為8:5的矩形線圈，在保持電壓不變的情況下，分別計算了1~6匝線圈產(chǎn)生

的磁場強度.

耦合系數(shù)

圓形線圈1 （匝數(shù)為N1，半徑為r）和圓形線圈2 （匝數(shù)為N2，面積為A2）在距離x處的的耦合系數(shù)

從公式看:兩個線圈的耦合系數(shù)與匝數(shù)無關(guān).

實測數(shù)據(jù):

From：NFC TAG Antenna Design Guide @ Panasonic， Nexus S手機實測讀卡距離

實測數(shù)據(jù):(匝數(shù))

綜上:

1.天線面積是影響工作距離的主要因素，通常天線面積越大工作距離越遠。但是過大的天線面積也有可能使得磁場強度過小而導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法工作。

2.理論上，天線線圈的匝數(shù)對工作距離影響不大。但是增加/減少天線匝數(shù)可以有效地增大/減小天線的等效電感值。天線的匝數(shù)一般設(shè)計為1 ~ 6匝， 2~4匝是較好的選擇。

3.天線的感值通常設(shè)計在0.3~3μH

4.天線置于金屬上方時，由于渦流的影響，會惡化天線性能，降低工作距離。通過在天線和金屬之間插入隔磁片，可以有效減輕金屬對天線性能的惡化，提高工作距離。隔磁片的選擇主要看其厚度和磁導(dǎo)率

5.由于天線參數(shù)會受到周邊工作環(huán)境的影響，所以天線的設(shè)計、測量和調(diào)試都必須是在最終的整機模型上進行的.

二.天線測量

整機狀態(tài)下，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線線圈的等效電路參數(shù).

1.網(wǎng)分較準后,再補償下使用的饋線.

2.饋線焊接到天線A,B點,網(wǎng)分設(shè)置成為測量A+jB格式數(shù)據(jù)

其中,A為實部,B為虛部.天線品質(zhì)因子Q則等于:

因為虛部B=w*l

所以Q實際就是數(shù)據(jù)的虛部除以實部的值.Q=B/A

Q值與3db帶寬存在關(guān)系,其中BW3db為3db帶寬,表達式為:

所以當(dāng)W0一定時(2PI*13.56MHZ),Q與3dbg帶寬成反比.要增大BW3db,就減小Q值,上面說到Q=W0L/R的,所以增大R,就可以減小帶寬了.(關(guān)于Q值與3db帶寬的關(guān)系,見另一篇文章).

說了半天,增這個3db帶寬干啥呢?看下面這個圖:

原因就是副載波調(diào)制時,下邊帶頻率點fc-423.75K,上邊帶頻點為fc+423.75K,在ISO15693時.這個電阻由線圈測量的數(shù)據(jù)和串聯(lián)的電阻組成.