手機NFC天線的集總參數設計

　　1 引言

　　NFC 是 Near Field Communicalion 的縮寫， NFC 由 RFID (Radio Frequency Identification)及互聯互通技術整合逐漸演變而來，它的應用頻段是13.56MHz。此技術己經在門禁、公交、手機支付等領域內發揮著巨大的作用。可以在行動裝置、消費類電子產品、PC和智能控制項工具間進行近距離無線通位，NFC是一種工作在13.56MHz，數據速率 106 kbit/s到848 kbit/s，—般通位距離為5cm或更近。

　　本文在分析NFC天線集總參數的同時，通過實際NFC天線的設計和測試來印證理論NFC參數設計的正確性，並為NFC的設計提供指導原則和方法。

　　2 NFC天線介紹及設計

　　2.1 NFC原理

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

　　讀 4 器(Reader/Inlerrogator )、標籤(Tag/Transponder)、天線(Antennna)。 NFC系統的工作原理如下：首先讀寫器將要發送的位息，經編碼並加載到高頻載波信號上再經天線向外發送。當進入讀寫器工作區域的電子標籤接收到此信號，其卡內晶片的有關電路對此信號進行倍壓整流、調製、解碼、 解密，然後對命令請求、密碼、權限等進行判斷。

圖1 RFID原理圖

　　2.2 NFC天線

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

　　當前手機NFC天線均採用FPC形式，天線布線採取螺旋繞線方式，如圖2所示。

　　對於NFC 天線來說，主要有以下技術指標: 品質因素Q值、電感L、電阻R和通倌距離。

　　2.3 NFC天線設計的環境要求

　　NFC 天線設計的好壞，與天線設計空間和其周圍的環境因素密切相關，它們直接影響著其通信距離。通常的設計要求主要有:

　　(1)天線設計區域的環境：天線下方可有電池，伹無其它明噪聲幹擾源：

　　(2)設計面積一般要求在1500mm2;

　　(3)必須添加合理的ferrite以防止渦流的產生增加天線的通信距離：

　　(4)基於以上經驗要求天線的最大通信距離可以達到5cm。

　　表1是目前我們部分項的測試數據：

　　2.4 品質因素Q值

　　天線的品質因素是天線正確調諧和所獲得的性能的一個重要特性，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NFC天線都很重要。

　　NFC天線系統的品質因素Q由NFC晶片木身的調製參數決。其計算過程如下所示：

　　由帶覽與時間T (脈衝寬度)的乘積可得：

　　由(1)和(2)式可得：

　　而Q可由如下公式計算：

　　於是對於NFC夭線的設計就要如下兩種情 況：

　　①客戶提供Q值』我們在可利用的面積裡設計儘可能小的電阻R，然後在利用公式計算電感L;

　　②客戶提供詳細的R和L值要求。

　　2.5 電感L設計

　　L電感量值的物理意義是：在電流包圍的總面積中產生的磁通量與導休迴路包圍的電流強度之比。

　　如圖3所示。

　　2.5.1 傳統電感L的計算

　　傳統的RFID電感L計算公式如下:

　　?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)，由此公式計算出來的結果與實際測試的結果存在較大誤差。

　　2.5.2 Grover 電感L計算法

　　Grover 法的電感L計算屮，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計算公式：

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

　　?為導體總的長度，Q為互感係數。

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

　　表2數據引用H. M. GREENHOUSE論文屮的 各種電感計算方法所得值對比：

　　2.5.3 電感計算與實測結果對比

　　天線周長?，兩平行導線間距D，導線線寬 W,，我們利用圖5 pattem，根據不同的D和W生產出一系列的NFC 天線，並計算出它的電感。從表3數據可以看出Grover法汁算出來的數據比傳 計算方法更精確，它與實測數椐非常接近。在?， W —定的悄況下，L的大小與D密切相關，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，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，輻射電路和利介質損耗電阻。可以用公式表示為：

　　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，也即與線寬w與線厚d 的乘積有關。

　　當信號頻率較高時，我們要考慮到電流的趨膚效應，導線厚度d就可表示為：

      是電流在13.56MHz的趨膚深度，t導線實際深度，e是歐拉常數。

　　2.6.2 輻射電阻 Rrad

　　輻射電阻Rrad的表達式如下：

　　因為對於NFC天線來說其波長λ較長約為 22m，這樣經過計算輻射Rrad非常小這裡我們可以不用考慮。

　　2.6.3 介質損耗電阻

　　圖6是普通雙層NFC天線的結構居圖，理論上分析油墨Ink層 (Top coat〉和基材P1居均會給天線帶來損耗。對於NFC天線來說，這個介質損耗電阻很小，可以通過表4的結果知悉。在表4中，我們固定亮相參數不變，改變其屮一項參數，其實際結果具有一定的趨勢性。即當損耗介質Ink和P1層越大，引入的損耗也越大。

　　2.6.4 計算與實測結果對比

　　基於圖5 pattem,根據不同的D和W生產出一系列的NFC天線，並計算出它的電阻Rmetal，因為Rrad和Rmedia 很小，這裡忽略不計。

　　從表5數據可以看出理論公式計算出來的數據與實測數據非常接近。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，我們首先有設計好天線的線圈。因為對於天線來說，其本身是一個低電阻的器件。天線要正常工作，必須通過添加調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係，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算品質因子可以得出匹配電路的電容推薦值。

　　2.8 天線設計建議

　　根據我們的設計經驗，在NFC 天線的設計過程中，以下幾點可以作為參考：

　　(1) 儘可能的要求多的天線設計空間大約 1500mm2;

　　(2) 天線周圍的金屬件和其它噪聲幹擾源儘量遠離天線區域;

　　(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設計的越小越好;

　　(6) 用 Grover法計算電感L精度較高，且電感L與線距d緊密相關，L愈大，d越小，反之亦然。

　　3 結論

　　本論文研究了NFC天線的設計，並詳細的分析 NFC天線的主要集總參數電感和電阻的理論計算。同時論文分析了天線線圈數，線寬，線距以及各項介質參數對電感和電阻的影響，並通過我們的實際打樣測試，進一步的驗證理論計算的可行性。這為我們設計NFC天線，優化各項參數組合找到合理的感值、阻值及Q值提供了設計依據。

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