NFC天線工作原理、設(shè)計

繼公眾號之前推送過的《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，由于篇幅有限，該內(nèi)容分兩篇文字進行闡述——

傳統(tǒng)天線通過向空中輻射電磁波來傳輸電磁信號，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。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，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天線可以看作一個耦合線圈，根據(jù)安培定律，電流流過一段導(dǎo)線時會在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場，且該磁場感應(yīng)強度正比于線圈匝數(shù)和線圈面積，并隨著距離的3次方衰減。而個根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，時變的磁場穿過閉合空間會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。因此將該兩個定律分別應(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NFC卡片中的芯片，由此進行能量、信號傳輸。

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，為考量EMC濾波電路、匹配電路的設(shè)計，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：

由此計算出: