教你如何分析NFC天線集總參數(shù)

NFC即近場通信，它是一種非接觸式識別和互聯(lián)技術(shù)。作為一項(xiàng)新的技術(shù)，目前在手機(jī)中得以逐漸的推廣開來，具有廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景，成為將來手機(jī)應(yīng)用的必備功能。本文側(cè)重于對手機(jī)NFC天線設(shè)計(jì)的探討，分析各種材料，走線，布局對NFC設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，通過對NFC天集總參數(shù)的理論分析和計(jì)算并同實(shí)際測試結(jié)果相對比，進(jìn)一步的總結(jié)和驗(yàn)證NFC天線重要參數(shù)的設(shè)計(jì)，提出NFC天線的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則和方法。

1 引言

NFC 是 Near Field Communicalion 的縮寫， NFC 由 RFID (Radio Frequency Identification)及互聯(lián)互通技術(shù)整合逐漸演變而來，它的應(yīng)用頻段是13.56MHz。此技術(shù)己經(jīng)在門禁、公交、手機(jī)支付等領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著巨大的作用?？梢栽谝苿?dòng)設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、PC和智能控件工具間進(jìn)行近距離無線通位，NFC是一種工作在13.56MHz，數(shù)據(jù)速率 106 kbit/s到848 kbit/s，—般通位距離為5cm或更近。

本文在分析NFC天線集總參數(shù)的同時(shí)，通過實(shí)際NFC天線的設(shè)計(jì)和測試來印證理論NFC參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性，并為NFC的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)原則和方法。

2 NFC天線介紹及設(shè)計(jì)

2.1 NFC原理

NFC是由RFID技術(shù)演變而來，其基本的原理樞架與RFID相同。最基木的RFID系統(tǒng)由三部分組成，如圖1所示。

讀 4 器（Reader/Inlerrogator )、標(biāo)簽（Tag/Transponder)、天線（Antennna）。 NFC系統(tǒng)的工作原理如下：首先讀寫器將要發(fā)送的位息，經(jīng)編碼并加載到高頻載波信號上再經(jīng)天線向外發(fā)送。當(dāng)進(jìn)入讀寫器工作區(qū)域的電子標(biāo)簽接收到此信號，其卡內(nèi)芯片的有關(guān)電路對此信號進(jìn)行倍壓整流、調(diào)制、解碼、 解密，然后對命令請求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。

圖1 RFID原理圖

2.2 NFC天線

天線作為任何一個(gè)無線通信系統(tǒng)都是不可或缺的一部分，NFC系統(tǒng)也小例外。NFC天線工作頻率是13.56MHz，采用電感耦合方式傳遞射頻信號。

當(dāng)前手機(jī)NFC天線均采用FPC形式，天線布線采取螺旋繞線方式，如圖2所示。

對于NFC 天線來說，主要有以下技術(shù)指標(biāo): 品質(zhì)因素Q值、電感L、電阻R和通倌距離。

2.3 NFC天線設(shè)計(jì)的環(huán)境要求

NFC 天線設(shè)計(jì)的好壞，與天線設(shè)計(jì)空間和其周圍的環(huán)境因素密切相關(guān)，它們直接影響著其通信距離。通常的設(shè)計(jì)要求主要有:

（1）天線設(shè)計(jì)區(qū)域的環(huán)境：天線下方可有電池，伹無其它明噪聲干擾源：

（2）設(shè)計(jì)面積一般要求在1500mm2;

（3）必須添加合理的ferrite以防止渦流的產(chǎn)生增加天線的通信距離：

（4）基于以上經(jīng)驗(yàn)要求天線的最大通信距離可以達(dá)到5cm。

表1是目前我們部分項(xiàng)的測試數(shù)據(jù)：

2.4 品質(zhì)因素Q值

天線的品質(zhì)因素是天線正確調(diào)諧和所獲得的性能的一個(gè)重要特性，Q既影響能量的傳輸效率，也影響頻率的選擇性。因此合理的Q選擇對整個(gè)NFC天線都很重要。

NFC天線系統(tǒng)的品質(zhì)因素Q由NFC芯片木身的調(diào)制參數(shù)決。其計(jì)算過程如下所示：

由帶覽與時(shí)間T (脈沖寬度）的乘積可得：

由（1）和（2）式可得：

而Q可由如下公式計(jì)算：

于是對于NFC夭線的設(shè)計(jì)就要如下兩種情 況：

①客戶提供Q值’我們在可利用的面積里設(shè)計(jì)盡可能小的電阻R，然后在利用公式計(jì)算電感L；

②客戶提供詳細(xì)的R和L值要求。

2.5 電感L設(shè)計(jì)

L電感量值的物理意義是：在電流包圍的總面積中產(chǎn)生的磁通量與導(dǎo)休回路包圍的電流強(qiáng)度之比。

如圖3所示。

2.5.1 傳統(tǒng)電感L的計(jì)算

傳統(tǒng)的RFID電感L計(jì)算公式如下:

?是天線線的總長度，D是天線線圈的直徑或方形線圈最長對角線長度，K=1.47 (方形)，由此公式計(jì)算出來的結(jié)果與實(shí)際測試的結(jié)果存在較大誤差。

2.5.2 Grover 電感L計(jì)算法

Grover 法的電感L計(jì)算屮，NFC天線的電感由兩部分組成：天線的自感L和天線的互感M。

Grover法電感L計(jì)算公式：

Ln是導(dǎo)體的段長的電感，?n是導(dǎo)休的段長，w是這段導(dǎo)體的線覽，t是這段導(dǎo)休的厚度。

?為導(dǎo)體總的長度，Q為互感系數(shù)。

線長?，線寬w，線距s，d是兩線中心線間的距離（見圖4), GMD是導(dǎo)線的幾何均值。

表2數(shù)據(jù)引用H. M. GREENHOUSE論文屮的 各種電感計(jì)算方法所得值對比：

2.5.3 電感計(jì)算與實(shí)測結(jié)果對比

天線周長?，兩平行導(dǎo)線間距D，導(dǎo)線線寬 W,，我們利用圖5 pattem，根據(jù)不同的D和W生產(chǎn)出一系列的NFC 天線，并計(jì)算出它的電感。從表3數(shù)據(jù)可以看出Grover法汁算出來的數(shù)據(jù)比傳 計(jì)算方法更精確，它與實(shí)測數(shù)椐非常接近。在?， W —定的悄況下，L的大小與D密切相關(guān)，D越小，電感L越大。在?:，D —定的情況下，L的大小與W密切相關(guān)，W越小，電感L越大。

2.6 電阻Rant

NFC 天線的電阻主要由3部分組成：金屬損耗電阻，輻射電路和利介質(zhì)損耗電阻?？梢杂霉奖硎緸椋?/p>

2.6.1 金屬損耗電阻Rmedia

ρ為電阻宇，?為天線線圈總廠，S為線圈圍繞的而積，w為線圈寬度，d為導(dǎo)線厚度。由公式 （15）可知，在天線總長?一定的情況下Rmedia主嬰與線圈的橫截面積s有關(guān)，也即與線寬w與線厚d 的乘積有關(guān)。

當(dāng)信號頻率較高時(shí)，我們要考慮到電流的趨膚效應(yīng)，導(dǎo)線厚度d就可表示為：

是電流在13.56MHz的趨膚深度，t導(dǎo)線實(shí)際深度，e是歐拉常數(shù)。

2.6.2 輻射電阻Rrad

輻射電阻Rrad的表達(dá)式如下：

因?yàn)閷τ贜FC天線來說其波長λ較長約為 22m，這樣經(jīng)過計(jì)算輻射Rrad非常小這里我們可以不用考慮。

2.6.3 介質(zhì)損耗電阻

圖6是普通雙層NFC天線的結(jié)構(gòu)居圖，理論上分析油墨I(xiàn)nk層 (Top coat〉和基材P1居均會(huì)給天線帶來損耗。對于NFC天線來說，這個(gè)介質(zhì)損耗電阻很小，可以通過表4的結(jié)果知悉。在表4中，我們固定亮相參數(shù)不變，改變其屮一項(xiàng)參數(shù)，其實(shí)際結(jié)果具有一定的趨勢性。即當(dāng)損耗介質(zhì)Ink和P1層越大，引入的損耗也越大。

2.6.4 計(jì)算與實(shí)測結(jié)果對比

基于圖5pattem,根據(jù)不同的D和W生產(chǎn)出一系列的NFC天線，并計(jì)算出它的電阻Rmetal，因?yàn)镽rad和Rmedia很小，這里忽略不計(jì)。

從表5數(shù)據(jù)可以看出理論公式計(jì)算出來的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)非常接近。而且在f，?一定的情況下，電阻的大小由w決定。

2.7 匹配電路

圖7是_一NFC 天線的匹電路配置，要做好匹配電路，我們首先有設(shè)計(jì)好天線的線圈。因?yàn)閷τ谔炀€來說，其本身是一個(gè)低電阻的器件。天線要正常工作，必須通過添加調(diào)諧電容使其能在工作的頻率上諧振。天線的電感以及工作頻率之間的關(guān)系，可以通過以下湯姆遜公式求得，即：

通過估算天線的的等效電路和計(jì)算品質(zhì)因子可以得出匹配電路的電容推薦值。

2.8 天線設(shè)計(jì)建議

根據(jù)我們的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在NFC 天線的設(shè)計(jì)過程中，以下幾點(diǎn)可以作為參考：

(1) 盡可能的要求多的天線設(shè)計(jì)空間大約 1500mm2；
(2) 天線周圍的金屬件和其它噪聲干擾源盡量遠(yuǎn)離天線區(qū)域；
(3)合理的選擇天線Q值；
(4)必須添加ferrite以增加天線的通倌距離；
(5) 天線電阻Rant設(shè)計(jì)的越小越好；
(6)用 Grover法計(jì)算電感L精度較高，且電感L與線距d緊密相關(guān)，L愈大，d越小，反之亦然。

3 結(jié)論

本論文研究了NFC天線的設(shè)計(jì)，并詳細(xì)的分析 NFC天線的主要集總參數(shù)電感和電阻的理論計(jì)算。同時(shí)論文分析了天線線圈數(shù)，線寬，線距以及各項(xiàng)介質(zhì)參數(shù)對電感和電阻的影響，并通過我們的實(shí)際打樣測試，進(jìn)一步的驗(yàn)證理論計(jì)算的可行性。這為我們設(shè)計(jì)NFC天線，優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)組合找到合理的感值、阻值及Q值提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

【1】H. M. GREENHOUSE,SENIOR MEMBER，IEEE " Design of Planar Rectangular Microelectronic Induciors ", IEEE TRANSACTTONS ON PARTS,HYBRIDS, AND PACKAGING, VOL.PUP-IO, NO.2, JUNE 1974

【2】葉紅波，《13.56MHz片上天線的設(shè)汁和制作》，碩士學(xué)位論義，復(fù)旦大學(xué)，2009年

【3】http://www.zlgmcu.com ， 設(shè)計(jì)MF RC500 的匹配電路和天線的應(yīng)用指南