NFC讀卡器天線(xiàn)設(shè)計(jì)與測(cè)量

一.讀卡器天線(xiàn)設(shè)計(jì)

1.NFC讀卡天線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)與線(xiàn)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(xiàn)圈的線(xiàn)寬有寬,線(xiàn)寬大于0.4mm,太細(xì)純電阻會(huì)較大.

3.同時(shí)天線(xiàn)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(xiàn)不同于傳統(tǒng)天線(xiàn),NFC設(shè)備進(jìn)行通信時(shí),是靠?jī)蓚€(gè)天線(xiàn)耦合進(jìn)行能量傳遞的,類(lèi)似于變壓器初線(xiàn)和次線(xiàn)的能量傳遞.

能量在傳遞過(guò)程中,磁場(chǎng)強(qiáng)度與NFC天線(xiàn)相關(guān)的量有,面積大小(半徑R),電流大小(I),線(xiàn)圈扎數(shù)(N),兩個(gè)天線(xiàn)之間的距離(X).

其關(guān)系式為:

通過(guò)公式定性結(jié)論:

1.NFC天線(xiàn)線(xiàn)圈的面積大小會(huì)影響其產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度從而影響工 距離；通常較大的天線(xiàn)線(xiàn)圈面積，其工作距離也較遠(yuǎn).

2.在電流和匝數(shù)相同的條件下

1)距離天線(xiàn)線(xiàn)圈較近的位置，小尺寸線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度要大于大尺寸線(xiàn)圈

2)小尺寸天線(xiàn)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離衰減的速度要遠(yuǎn)大于大尺寸天線(xiàn)線(xiàn)圈，所以在距離天線(xiàn)線(xiàn)圈較遠(yuǎn)的位置，小尺寸線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于大尺寸線(xiàn)圈

3)通常較大尺寸天線(xiàn)線(xiàn)圈其工作距離會(huì)更遠(yuǎn)

4)過(guò)大尺寸的天線(xiàn)線(xiàn)圈有可能會(huì)因?yàn)樽畲髨?chǎng)強(qiáng)過(guò)小而導(dǎo)致不能正常工作

3.對(duì)于圓形線(xiàn)圈天線(xiàn)，理論上天線(xiàn)的最佳尺寸為天線(xiàn)直徑是其工作距離的

倍

關(guān)于天線(xiàn)匝數(shù):

從公式看,磁場(chǎng)強(qiáng)度正比于天線(xiàn)匝數(shù),但NFC天線(xiàn)是電壓驅(qū)動(dòng)的,匝數(shù)越多,電阻越大,電流反而會(huì)變小,一般超過(guò)6匝就沒(méi)有效果.

對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)寬比為8:5的矩形線(xiàn)圈，在保持電壓不變的情況下，分別計(jì)算了1~6匝線(xiàn)圈產(chǎn)生

的磁場(chǎng)強(qiáng)度.

耦合系數(shù)

圓形線(xiàn)圈1 （匝數(shù)為N1，半徑為r）和圓形線(xiàn)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(gè)線(xiàn)圈的耦合系數(shù)與匝數(shù)無(wú)關(guān).

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù):

From：NFC TAG Antenna Design Guide @ Panasonic， Nexus S手機(jī)實(shí)測(cè)讀卡距離

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù):(匝數(shù))

綜上:

1.天線(xiàn)面積是影響工作距離的主要因素，通常天線(xiàn)面積越大工作距離越遠(yuǎn)。但是過(guò)大的天線(xiàn)面積也有可能使得磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)小而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作。

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

3.天線(xiàn)的感值通常設(shè)計(jì)在0.3~3μH

4.天線(xiàn)置于金屬上方時(shí)，由于渦流的影響，會(huì)惡化天線(xiàn)性能，降低工作距離。通過(guò)在天線(xiàn)和金屬之間插入隔磁片，可以有效減輕金屬對(duì)天線(xiàn)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(xiàn)參數(shù)會(huì)受到周邊工作環(huán)境的影響，所以天線(xiàn)的設(shè)計(jì)、測(cè)量和調(diào)試都必須是在最終的整機(jī)模型上進(jìn)行的.

二.天線(xiàn)測(cè)量

整機(jī)狀態(tài)下，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線(xiàn)線(xiàn)圈的等效電路參數(shù).

1.網(wǎng)分較準(zhǔn)后,再補(bǔ)償下使用的饋線(xiàn).

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

其中,A為實(shí)部,B為虛部.天線(xiàn)品質(zhì)因子Q則等于:

因?yàn)樘摬緽=w*l

所以Q實(shí)際就是數(shù)據(jù)的虛部除以實(shí)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(dá)式為:

所以當(dāng)W0一定時(shí)(2PI*13.56MHZ),Q與3dbg帶寬成反比.要增大BW3db,就減小Q值,上面說(shuō)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(jiàn)另一篇文章).

說(shuō)了半天,增這個(gè)3db帶寬干啥呢?看下面這個(gè)圖:

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