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手机NFC天线的集总参数设计


NFC即近场通信,它是一种非接触式识别和互联技术。作为一项新的技术,目前在手机中得以逐渐的推广开来,具有广阔的商业应用前景,成为将来手机应用的必备功能。本文侧重于对手机NFC天线设计的探讨,分析各种材料,走线,布局对NFC设计参数的影响,通过对NFC天集总参数的理论分析和计算并同实际测试结果相对比,进一步的总结和验证NFC天线重要参数的设计,提出NFC天线的设计指导原则和方法。

1 引言
 
NFC 是 Near Field Communication 的缩写, NFC 由 RFID (Radio Frequency Identification)及互联互通技术整合逐渐演变而来,它的应用频段是13.56MHz。此技术己经在门禁、公交、手机支付等领域内发挥着巨大的作用。可以在移动设备、消费类电子产品、PC和智能控件工具间进行近距离无线通位,NFC是一种工作在13.56MHz,数据速率 106 kbit/s到848 kbit/s,—般通位距离为5cm或更近。
 
本文在分析NFC天线集总参数的同时,通过实际NFC天线的设计和测试来印证理论NFC参数设计的正确性,并为NFC的设计提供指导原则和方法。
 
2 NFC天线介绍及设计
 
2.1 NFC原理

NFC是由RFID技术演变而来,其基本的原理枢架与RFID相同。最基木的RFID系统由三部分组成,如图1所示。
 
读 4 器(Reader/Inlerrogator )、标签(Tag/Transponder)、天线(Antennna)。 NFC系统的工作原理如下:首先读写器将要发送的位息,经编码并加载到高频载波信号上再经天线向外发送。当进入读写器工作区域的电子标签接收到此信号,其卡内芯片的有关电路对此信号进行倍压整流、调制、解码、 解密,然后对命令请求、密码、权限等进行判断。

图1 RFID原理图
 
2.2 NFC天线

天线作为任何一个无线通信系统都是不可或缺的一部分,NFC系统也小例外。NFC天线工作频率是13.56MHz,采用电感耦合方式传递射频信号。

当前手机NFC天线均采用FPC形式,天线布线采取螺旋绕线方式,如图2所示。
 
对于NFC 天线来说,主要有以下技术指标: 品质因素Q值、电感L、电阻R和通倌距离。

2.3 NFC天线设计的环境要求
 
NFC 天线设计的好坏,与天线设计空间和其周围的环境因素密切相关,它们直接影响着其通信距离。通常的设计要求主要有:
 
(1)天线设计区域的环境:天线下方可有电池,伹无其它明噪声干扰源:
 
(2)设计面积一般要求在1500mm2;
 
(3)必须添加合理的ferrite以防止涡流的产生增加天线的通信距离:
 
(4)基于以上经验要求天线的最大通信距离可以达到5cm。
 
表1是目前我们部分项的测试数据:

 
2.4 品质因素Q值

天线的品质因素是天线正确调谐和所获得的性能的一个重要特性,Q既影响能量的传输效率,也影响频率的选择性。因此合理的Q选择对整个NFC天线都很重要。
 
NFC天线系统的品质因素Q由NFC芯片木身的调制参数决。其计算过程如下所示:
由带览与时间T (脉冲宽度)的乘积可得:
由(1)和(2)式可得:
而Q可由如下公式计算:
于是对于NFC夭线的设计就要如下两种情 况:
①客户提供Q值’我们在可利用的面积里设计尽可能小的电阻R,然后在利用公式计算电感L;
 
②客户提供详细的R和L值要求。
 
2.5 电感L设计
 
L电感量值的物理意义是:在电流包围的总面积中产生的磁通量与导休回路包围的电流强度之比。
如图3所示。
 
2.5.1 传统电感L的计算

传统的RFID电感L计算公式如下:
ℓ是天线线的总长度,D是天线线圈的直径或方形线圈最长对角线长度,K=1.47 (方形),由此公式计算出來的结果与实际测试的结果存在较大误差。

2.5.2 Grover 电感L计算法

Grover 法的电感L计算屮,NFC天线的电感由两部分组成:天线的自感L和天线的互感M。
Grover 法电感L计算公式:
Ln是导体的段长的电感,ℓn是导休的段长,w是这段导体的线览,t是这段导休的厚度。
ℓ为导体总的长度,Q为互感系数。
线长ℓ,线宽w,线距s,d是两线中心线间的距离(见图4), GMD是导线的几何均值。
  
表2数据引用H. M. GREENHOUSE论文屮的 各种电感计算方法所得值对比:

2.5.3 电感计算与实测结果对比

天线周长ℓ,两平行导线间距D,导线线宽 W,,我们利用图5 pattem,根据不同的D和W生产出一系列的NFC 天线,并计算出它的电感。从表3数据可以看出Grover法汁算出来的数据比传 计算方法更精确,它与实测数椐非常接近。在ℓ, W —定的悄况下,L的大小与D密切相关,D越小,电感L越大。在ℓ:,D —定的情况下,L的大小与W密切相关,W越小,电感L越大。
 
 
2.6 电阻Rant
 
NFC 天线的电阻主要由3部分组成:金属损耗电阻,辐射电路和利介质损耗电阻。可以用公式表示为:

 
2.6.1 金属损耗电阻Rmedia

 
ρ为电阻宇,ℓ为天线线圈总厂,S为线圈围绕的而积,w为线圈宽度,d为导线厚度。由公式 (15)可知,在天线总长ℓ一定的情况下Rmedia 主嬰与线圈的横截面积s有关,也即与线宽w与线厚d 的乘积有关。
 
当信号频率较高时,我们要考虑到电流的趋肤效应,导线厚度d就可表示为:
是电流在13.56MHz的趋肤深度,t导线实际深度,e是欧拉常数。
 
2.6.2 辐射电阻 Rrad
 
辐射电阻Rrad的表达式如下:
因为对于NFC天线来说其波长λ较长约为 22m,这样经过计算辐射Rrad非常小这里我们可以不用考虑。
 
2.6.3 介质损耗电阻
 
图6是普通双层NFC天线的结构居图,理论上分析油墨Ink层 (Top coat〉和基材P1居均会给天线带来损耗。对于NFC天线来说,这个介质损耗电阻很小,可以通过表4的结果知悉。在表4中,我们固定亮相参数不变,改变其屮一项参数,其实际结果具有一定的趋势性。即当损耗介质Ink和P1层越大,引入的损耗也越大。

2.6.4 计算与实测结果对比

基于图5 pattem,根据不同的D和W生产出一系列的NFC天线,并计算出它的电阻Rmetal,因为Rrad和Rmedia 很小,这里忽略不计。
从表5数据可以看出理论公式计算出来的数据与实测数据非常接近。而且在f,ℓ 一定的情况下,电阻的大小由w决定。

2.7 匹配电路

图7是_一NFC 天线的匹电路配置,要做好匹配电路,我们首先有设计好天线的线圈。因为对于天线来说,其本身是一个低电阻的器件。天线要正常工作,必须通过添加调谐电容使其能在工作的频率上谐振。天线的电感以及工作频率之间的关系,可以通过以下汤姆逊公式求得,即:
 
通过估算天线的的等效电路和计算品质因子可以得出匹配电路的电容推荐值。
 
2.8 天线设计建议

根据我们的设计经验,在NFC 天线的设计过程中,以下几点可以作为参考:

(1) 尽可能的要求多的天线设计空间大约 1500mm2
(2) 天线周围的金属件和其它噪声干扰源尽量远离天线区域;
(3) 合理的选择天线Q值;
(4) 必须添加ferrite以增加天线的通倌距离;
(5) 天线电阻Rant设计的越小越好;
(6) 用 Grover法计算电感L精度较高,且电感L与线距d紧密相关,L愈大,d越小,反之亦然。
 

3 结论

本论文研究了NFC天线的设计,并详细的分析 NFC天线的主要集总参数电感和电阻的理论计算。同时论文分析了天线线圈数,线宽,线距以及各项介质参数对电感和电阻的影响,并通过我们的实际打样测试,进一步的验证理论计算的可行性。这为我们设计NFC天线,优化各项参数组合找到合理的感值、阻值及Q值提供了设计依据。

参考文献
【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】叶红波,《13.56MHz片上天线的设汁和制作》,硕士学位论义,复旦大学,2009年
 
【3】http://www.zlgmcu.com , 设计MF RC500 的匹配电路和天线的应用指南

来源:Foxconn FAD天线技术处
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