NFC讀卡器天線設計與測量

一.讀卡器天線設計

1.NFC讀卡天線設計時與線圈圈數有關,一般在2-6匝,如果面積較大可以為1匝.

2.與線圈的線寬有寬,線寬大于0.4mm,太細純電阻會較大.

3.同時天線的電感在0.3-3uh之間,目的是與之調諧的電容值容易找.

NFC天線不同于傳統天線,NFC設備進行通信時,是靠兩個天線耦合進行能量傳遞的,類似于變壓器初線和次線的能量傳遞.

能量在傳遞過程中,磁場強度與NFC天線相關的量有,面積大小(半徑R),電流大小(I),線圈扎數(N),兩個天線之間的距離(X).

其關系式為:

通過公式定性結論:

1.NFC天線線圈的面積大小會影響其產生的磁場強度從而影響工 距離；通常較大的天線線圈面積，其工作距離也較遠.

2.在電流和匝數相同的條件下

1)距離天線線圈較近的位置，小尺寸線圈產生的磁場強度要大于大尺寸線圈

2)小尺寸天線線圈產生的磁場強度隨距離衰減的速度要遠大于大尺寸天線線圈，所以在距離天線線圈較遠的位置，小尺寸線圈產生的磁場強度要遠小于大尺寸線圈

3)通常較大尺寸天線線圈其工作距離會更遠

4)過大尺寸的天線線圈有可能會因為最大場強過小而導致不能正常工作

3.對于圓形線圈天線，理論上天線的最佳尺寸為天線直徑是其工作距離的

倍

關于天線匝數:

從公式看,磁場強度正比于天線匝數,但NFC天線是電壓驅動的,匝數越多,電阻越大,電流反而會變小,一般超過6匝就沒有效果.

對于一個長寬比為8:5的矩形線圈，在保持電壓不變的情況下，分別計算了1~6匝線圈產生

的磁場強度.

耦合系數

圓形線圈1 （匝數為N1，半徑為r）和圓形線圈2 （匝數為N2，面積為A2）在距離x處的的耦合系數

從公式看:兩個線圈的耦合系數與匝數無關.

實測數據:

From：NFC TAG Antenna Design Guide @ Panasonic， Nexus S手機實測讀卡距離

實測數據:(匝數)

綜上:

1.天線面積是影響工作距離的主要因素，通常天線面積越大工作距離越遠。但是過大的天線面積也有可能使得磁場強度過小而導致整個系統無法工作。

2.理論上，天線線圈的匝數對工作距離影響不大。但是增加/減少天線匝數可以有效地增大/減小天線的等效電感值。天線的匝數一般設計為1 ~ 6匝， 2~4匝是較好的選擇。

3.天線的感值通常設計在0.3~3μH

4.天線置于金屬上方時，由于渦流的影響，會惡化天線性能，降低工作距離。通過在天線和金屬之間插入隔磁片，可以有效減輕金屬對天線性能的惡化，提高工作距離。隔磁片的選擇主要看其厚度和磁導率

5.由于天線參數會受到周邊工作環境的影響，所以天線的設計、測量和調試都必須是在最終的整機模型上進行的.

二.天線測量

整機狀態下，使用矢量網絡分析儀測量天線線圈的等效電路參數.

1.網分較準后,再補償下使用的饋線.

2.饋線焊接到天線A,B點,網分設置成為測量A+jB格式數據

其中,A為實部,B為虛部.天線品質因子Q則等于:

因為虛部B=w*l

所以Q實際就是數據的虛部除以實部的值.Q=B/A

Q值與3db帶寬存在關系,其中BW3db為3db帶寬,表達式為:

所以當W0一定時(2PI*13.56MHZ),Q與3dbg帶寬成反比.要增大BW3db,就減小Q值,上面說到Q=W0L/R的,所以增大R,就可以減小帶寬了.(關于Q值與3db帶寬的關系,見另一篇文章).

說了半天,增這個3db帶寬干啥呢?看下面這個圖:

原因就是副載波調制時,下邊帶頻率點fc-423.75K,上邊帶頻點為fc+423.75K,在ISO15693時.這個電阻由線圈測量的數據和串聯的電阻組成.