标签：电感 电容 天线 匹配 读写器 TRF7970A NFC 谐振

基于TRF7970A的NFC读写器天线设计、自制及其匹配

本文读写器模块部分是采用的50Ω标准阻抗匹配方式^[31]。评估板的板载天线比较小，因此需要自制天线。在使用时将TRF7970A模块上的SMA（Sub Miniature version A，高频连接器）接口焊上SMA插座即可以使用SMA射频线连接到自制的天线匹配网络，这如果之后还想改变天线来使得通信距离更稳定更远时，仅仅需要改变天线后面的匹配电路。自制天线采用三元件50Ω匹配法。

（1）确定天线尺寸

在确保输出功率的情况下，天线面积越大越好，但是TRF7970A在5-V工作时被限制在200mW。如果天线太大，那么TRF7970A的功率就会被限制在200mW。此时将不能正常的驱动天线，会出现读孔。

在设计NFC/HF RFID天线时，要仔细考虑线圈在最终的天线上的位置。机械封装，并确保天线线圈远离金属。因为NFC/HF RFID是基于磁场的，任何靠近天线线圈的金属都会有阻尼作用 对天线的影响。当天线线圈被阻尼时，电感量会发生变化，而这种变化导致中心频率偏离13.56 MHz，从而对天线的调谐产生负面影响。故本文将在12cm*18cm洞洞板上绕2圈线圈，作为自制天线。

（2）为串联和并联电容预留焊盘

这允许在天线调谐过程中对电容值进行更精细的调整，因为当试图优化中心频率或带宽时，标准值电容通常不能提供足够精确的变化。因此在自制天线的洞洞板上也要预留一定的空间为更精准的调谐。

（3）布置SMA（次微型版本A）或u.FL（射频同轴）连接器的焊盘。

对于PCB天线，为了能够轻松地调整和验证天线，建议在SMA或u.FL连接器上焊接焊盘，以便为网络分析仪工具提供天线线圈和匹配网络的通道。垫子应该放在TRF7970A阻抗匹配的50-Ω点和天线匹配网络之间。在TRF7970A评估板上已预留SMA插座，将SMA插座也置于自制天线一端，后续调试便可通过SMA的射频连接线来连接两端

3. 使用0-Ω的电阻来隔离匹配网络。

为了隔离匹配网络和TRF79xxA发射机匹配电路的其他部分，可以在匹配网络之间放置一个0-Ω的电阻。将电阻器置于50-Ω匹配的最后一个元件和用于网络分析仪接入的连接器之间。

（4）天线至50Ω的三元件匹配

 

当调整高频RFID应用的天线时，第一步是测量自制天线线圈的电感和复阻抗。读写器天线采用采用自制矩形线圈天线，设计时天线直径取10cm，使用aimo meter-ESR01 LCR测试仪测得时电感值为1.37μH，直流阻抗值为0.48，计算在13.56MHz交流阻抗为:

 

对于大多数应用，当应用包括使用ISO14443A（NFC类型A）、ISO14443B（NFC类型B）或FeliCa™（NFC类型F）技术时，7至10的Q因子是合适的。

 

对于只使用ISO15693（NFC V型）技术的应用，Q因子可以显著提高，因为边带不需要这么宽的带宽。高达18的Q因子可以提供很好的读取范围性能，应被视为上限。故在本应用中，经过测试，选择Q=17时具有比较好的调谐效果。要开始在匹配网络上放置元件，应使用所需的Q因子来估计并联电阻的值。

 

 故可以采用20k的并联电阻

既然知道了电感和复阻抗，下一步就是用Smith Chart仿真软件进行仿真调谐。下面的例子使用的是Fritz Dellsperger公司生产的Smith V3.1软件。

打开Smith3.10软件，使用keyboard输入线圈电感和线圈实部和虚部的值。

 

 图1 在史密斯圆环上输入复阻抗

此时可看到此时在Smith圆上的初始位置与此时匹配电路原理图

 

 

图2 史密斯圆图初始图

 

 

 

在史密斯模拟器上布置元件时，推荐的顺序是：并联电容、并联电阻和串联电容。放置并联电容，应使数据点靠近半球，在62.7。

 

 

 图3 在史密斯圆环上加入并联电容

现在的目标是通过添加并联电阻，使数据点向加粗的红圈靠拢 。我们已经计算出实现该目标的并联电阻，并在史密斯图模拟器中使用该值。

 

如果需要的话，调整并联电容值可以使数据点更接近加粗的红圈。

 

 

图4 在史密斯圆环上加入并联电阻

见上图，我们将并联电阻设为2000Ω，这是我们已经计算的。这个值是针对所需的应用要求，所以不需要在模拟图上对任何一个组件进行调整。

 

随着最后一个串联电容放置，数据点现在几乎是中心的50-Ω点（见图）的史密斯图。最终使用的值是Cp = 62.7 pF，Rp = 2000 Ω，Cs = 38.9 pF。如下图所示：

 

 

图5 在史密斯圆环上加入串联电容

现在，理论匹配已经完成，我们需要在洞洞板上进行自制天线，如下图所示

 

 

 

 

 

 

 

 

天线基本设计原理

本文采用的标签芯片RF430FRL152H和读写器芯片TRF7970A 两个NFC 射频芯片其工作频率都在在13.56MHz，它们二者之间是通过电磁耦合方式进行通信，其通信协议为ISO15693。本文在标签端采用集成在终端上的圆形天线，在读写器端采用自主设计并制作的天线，且自制天线成本低，可推广。

由天线的特征模理论，天线及其匹配电路元件的等效电路就都能用RLC电路很好的表示出来^[29]。依据汤姆逊公式得知在13.56MHz的工作频率下，另外NFC天线的设计电感值应该取在 1～2μH之间的值，这是为了确保可以方便的选取所需要的匹配电容^[28]

                                                           （11）

天线线圈的Q因子是提高读取范围性能的重要考虑因素。对于使用多种RFID标准的应用（例如，同时使用ISO14443A和ISO15693的应用），TI建议设计1.7 MHz的带宽，根据公式1，理论Q因子为8。Q = Fc / BW = 13.56 MHz / 1.7 MHz = 7.97 。需要更大的带宽来覆盖ISO14443标准的通信边带，如果使用更高的空中数据速率（如424或848 kbps），则带宽尤为重要^[30]。

3.3.2 基于RF430FRL152H的NFC标签端的天线设计

RF430FRL152H射频通信接口(见图3-5)基于NFC的ISO15693协议。它支持1-out-of-4和1-out-of-256的数据速率，用于读写器到标签的通信，以及26 kbit/s的标签到读写器的通信。

 

图3-9 RF430FRL152H射频通信接口

射频芯片与外界的接口是与天线连接的接口。NFC芯片的两个引脚可以连接到天线，从天线调谐来的能量从引脚进入芯片内部，在芯片内部电路进行整流稳压之后供给外部电路使用。天线的大小和相关参数取决于应用中实现的要求，比如通信距离等。

见图3-9，利用外部天线（电感L）、片内谐振电容器(CINT)产生谐振。必要时还需要一个外部电容器CEXT。外部谐振电容器一般要加上，以允许较低电感天线(L < 3.8 µH)的天线电感变化。(见图10)。谐振频率采用以下公式计算。

                                                             （12）

其中，L为天线电感，C为总谐振电容值（），为谐振频率。

在NFC芯片内部已经有一个片内谐振电容。片内谐振电容与天线引脚ANT1和ANT2并联，与连接在ANT1和ANT2引脚上的天线组成一个谐振电路。片内谐振电容值的误差范围为10%。

为了获得最佳性能，片上电容和外部电容与天线电感谐振之后推荐的工作谐振频率（f）约为f≈13.7 MHz。为了稳定运行，超出该范围的谐振电路会导致性能下降。

对于NFC标签端，其PCB天线的典型电感值为1.8uH，为了保证天线的匹配与良好的性能，天线电感与谐振电容的谐振频率13.7 MHz左右，在经过计算并且去除片内谐振电容值，则在片外仍然需要32pF的谐振电容。

标签：电感,电容,天线,匹配,读写器,TRF7970A,NFC,谐振
来源： https://www.cnblogs.com/Catalpa/p/15216852.html

本站声明： 1. iCode9 技术分享网（下文简称本站）提供的所有内容，仅供技术学习、探讨和分享；
2. 关于本站的所有留言、评论、转载及引用，纯属内容发起人的个人观点，与本站观点和立场无关；
3. 关于本站的所有言论和文字，纯属内容发起人的个人观点，与本站观点和立场无关；
4. 本站文章均是网友提供，不完全保证技术分享内容的完整性、准确性、时效性、风险性和版权归属；如您发现该文章侵犯了您的权益，可联系我们第一时间进行删除；
5. 本站为非盈利性的个人网站，所有内容不会用来进行牟利，也不会利用任何形式的广告来间接获益，纯粹是为了广大技术爱好者提供技术内容和技术思想的分享性交流网站。