NFC读卡器天线设计与测量

NFC读卡器天线设计与测量

一.读卡器天线设计

1.NFC读卡天线设计时与线圈圈数有关,一般在2-6匝,如果面积较大可以为1匝.

2.与线圈的线宽有宽,线宽大于0.4mm,太细纯电阻会较大.

3.同时天线的电感在0.3-3uh之间,目的是与之调谐的电容值容易找.

NFC天线不同于传统天线,NFC设备进行通信时,是靠两个天线耦合进行能量传递的,类似于变压器初线和次线的能量传递.

能量在传递过程中,磁场强度与NFC天线相关的量有,面积大小(半径R),电流大小(I),线圈扎数(N),两个天线之间的距离(X).

其关系式为:

通过公式定性结论:

1.NFC天线线圈的面积大小会影响其产生的磁场强度从而影响工 距离；通常较大的天线线圈面积，其工作距离也较远.

2.在电流和匝数相同的条件下

1)距离天线线圈较近的位置，小尺寸线圈产生的磁场强度要大于大尺寸线圈

2)小尺寸天线线圈产生的磁场强度随距离衰减的速度要远大于大尺寸天线线圈，所以在距离天线线圈较远的位置，小尺寸线圈产生的磁场强度要远小于大尺寸线圈

3)通常较大尺寸天线线圈其工作距离会更远

4)过大尺寸的天线线圈有可能会因为最大场强过小而导致不能正常工作

3.对于圆形线圈天线，理论上天线的最佳尺寸为天线直径是其工作距离的

倍

关于天线匝数:

从公式看,磁场强度正比于天线匝数,但NFC天线是电压驱动的,匝数越多,电阻越大,电流反而会变小,一般超过6匝就没有效果.

对于一个长宽比为8:5的矩形线圈，在保持电压不变的情况下，分别计算了1~6匝线圈产生

的磁场强度.

耦合系数

圆形线圈1 （匝数为N1，半径为r）和圆形线圈2 （匝数为N2，面积为A2）在距离x处的的耦合系数

从公式看:两个线圈的耦合系数与匝数无关.

实测数据:

From：NFC TAG Antenna Design Guide @ Panasonic， Nexus S手机实测读卡距离

实测数据:(匝数)

综上:

1.天线面积是影响工作距离的主要因素，通常天线面积越大工作距离越远。但是过大的天线面积也有可能使得磁场强度过小而导致整个系统无法工作。

2.理论上，天线线圈的匝数对工作距离影响不大。但是增加/减少天线匝数可以有效地增大/减小天线的等效电感值。天线的匝数一般设计为1 ~ 6匝， 2~4匝是较好的选择。

3.天线的感值通常设计在0.3~3μH

4.天线置于金属上方时，由于涡流的影响，会恶化天线性能，降低工作距离。通过在天线和金属之间插入隔磁片，可以有效减轻金属对天线性能的恶化，提高工作距离。隔磁片的选择主要看其厚度和磁导率

5.由于天线参数会受到周边工作环境的影响，所以天线的设计、测量和调试都必须是在最终的整机模型上进行的.

二.天线测量

整机状态下，使用矢量网络分析仪测量天线线圈的等效电路参数.

1.网分较准后,再补偿下使用的馈线.

2.馈线焊接到天线A,B点,网分设置成为测量A+jB格式数据

其中,A为实部,B为虚部.天线品质因子Q则等于:

因为虚部B=w*l

所以Q实际就是数据的虚部除以实部的值.Q=B/A

Q值与3db带宽存在关系,其中BW3db为3db带宽,表达式为:

所以当W0一定时(2PI*13.56MHZ),Q与3dbg带宽成反比.要增大BW3db,就减小Q值,上面说到Q=W0L/R的,所以增大R,就可以减小带宽了.(关于Q值与3db带宽的关系,见另一篇文章).

说了半天,增这个3db带宽干啥呢?看下面这个图:

原因就是副载波调制时,下边带频率点fc-423.75K,上边带频点为fc+423.75K,在ISO15693时.这个电阻由线圈测量的数据和串联的电阻组成.