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傳統(tǒng)天線通過向空中輻射電磁波來傳輸電磁信號(hào),為了能把電磁信號(hào)輻射到空中,天線的長度需要和工作波長相比擬。簡單的半波偶極子天線長度是1/2波長,單極子天線是1/4波長。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通過近場耦合來傳輸電磁信號(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。NFC天線工作原理與設(shè)計(jì)(上)13.56Mhz NFC天線可以看作一個(gè)耦合線圈,根據(jù)安培定律,電流流過一段導(dǎo)線時(shí)會(huì)在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場,且該磁場感應(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)變的磁場穿過閉合空間會(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讀寫器、NFC卡片,讀寫器天線產(chǎn)生磁場耦合到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:NFC天線工作原理與設(shè)計(jì)(上)
根據(jù)湯姆遜公式NFC天線工作原理與設(shè)計(jì)(上)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(shí),天線的等效電感也會(huì)隨之增大,過大的電感會(huì)導(dǎo)致調(diào)諧振電容時(shí)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:NFC天線工作原理與設(shè)計(jì)(上)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(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。NFC天線工作原理與設(shè)計(jì)(上)4. 計(jì)算天線等效電路參數(shù): NFC天線工作原理與設(shè)計(jì)(上)自諧振頻率下寄生電容:NFC天線工作原理與設(shè)計(jì)(上)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):NFC天線工作原理與設(shè)計(jì)(上)天線等效總電阻:NFC天線工作原理與設(shè)計(jì)(上)最終簡化的天線等效諧振電路為如下模型:
NFC天線工作原理與設(shè)計(jì)(上)由此計(jì)算出:NFC天線工作原理與設(shè)計(jì)(上)
根據(jù)如上4個(gè)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。
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