13.56MHz天线设计[1]

13.56MHzNFC/RFID13.56MHzNFC/RFID天线天线及其匹配电路设计详解及其匹配电路设计详解易迪拓培训()易迪拓培训()易迪拓培训概述现在13.56MHz无线智能卡应用已经十分广泛，像二代身份证、手机支付、校园一卡通、公司员工工卡都是使用13.56MHz无线智能卡技术对于13.56MHz无线智能卡，其天线基本都是采用都是下图所示线圈天线这里，我们就来详细介绍13.56MHz线圈天线设计及其匹配电路的设计和调试，包括：•13.56MHzNFC/RFID天线工作原理•天线设计考量和如何设计•匹配电路的设计和调试易迪拓培训()易迪拓培训课程内容Contents目录①①13.56MHzRFID/NFC标准简介②②13.56MHzNFC/RFID天线和传统天线的区别③③13.56MHzNFC/RFID天线工作原理④④天线等效电路⑤⑤天线设计考量和设计步骤⑥⑥天线线圈的设计⑦⑦天线相关参数测量⑧⑧匹配电路的设计和调试⑨⑨匹配电路的设计实例⑩⑩总结易迪拓培训()易迪拓培训课程内容目录①①13.56MHz RFID/NFC标准简介②②13.56MHzNFC/RFID天线和传统天线的区别③③13.56MHzNFC/RFID天线工作原理④④天线等效电路⑤⑤天线设计考量和设计步骤⑥⑥天线线圈的设计⑦⑦天线相关参数测量⑧⑧匹配电路的设计和调试⑨⑨匹配电路的设计实例⑩⑩总结Contents易迪拓培训()易迪拓培训一、13.56MHzRFID/NFC标准简介13.56MHzRFID/NFC国际标准•ISO/IEC14443-TypeA，ISO/IEC14443-TypeB，ISO/IEC15693•ISO–InternatinalOrganizationforStandardization,国际标准化组织•IEC–InternationalElectrontechnicalCommission,国际电子科技化委员会ISO/IEC14443-TypeA/TypeB•ISO14443A/B:超短距离智慧卡标准，该标准订出读取距离20cm的短距离非接触智慧卡的功能及运作标准。ISO14443定义了TYPEA,TYPEB两种类型协议，通信速率为106kbit/s，都是采用423KHz的副载波技术，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。•TypeA——手机支付，校园一卡通•TypeB——二代身份证ISO/IEC15693•ISO15693:短距离智慧卡标准，这标准订出读取距离可高达1米非接触智慧卡。易迪拓培训()易迪拓培训一、13.56MHzRFID/NFC标准简介（cont.）对于天线设计来说，重点关注其空中接口标准ISO14443‐AISO14443‐BISO15693工作频率13.56MHz 13.56MHz13.56MHz允许频偏±7KHz±7KHz±7KHz副载波频率847.5 kHz 847.5 kHz423KHz数据率106kbps106kbps27kbpsISO14443‐AISO14443‐BISO15693带宽1.921MHz 1.921MHz0.914MHz工作带宽易迪拓培训()易迪拓培训课程内容目录①①13.56MHzRFID/NFC标准简介②②13.56MHz NFC/RFID天线和传统天线的区别③③13.56MHzNFC/RFID天线工作原理④④天线等效电路⑤⑤天线设计考量和设计步骤⑥⑥天线线圈的设计⑦⑦天线相关参数测量⑧⑧匹配电路的设计和调试⑨⑨匹配电路的设计实例⑩⑩总结Contents易迪拓培训()易迪拓培训二、13.56MHzNFC/RFID天线和传统天线的区别传统天线是通过向空中辐射电磁波来传输电磁信号，天线工作于远区场，为了能把电磁信号辐射到空中，天线的长度需要和工作波长相比拟例如简单的半波偶极子天线长度是½波长，或者单极子天线长度是¼波长，对应到13.56MHz的工作频率，半波偶极子天线和单极子天线尺寸分别约为:11.06m和5.03m再看传统的环天线，其辐射电阻，那么对于1mX1m的矩形环天线，其辐射电阻Rr≈0.1欧姆13.56MHzNFC/RFID天线不是传统意义上的天线！2231200ARr易迪拓培训()易迪拓培训二、13.56MHzNFC/RFID天线和传统天线的区别（cont.）但是13.56MHzNFC/RFID天线工作距离远小于传统天线传统天线工作距离远大于工作波长，工作于远场区•手机天线，需要接收几百米直到十几公里外的基站信号•收音机天线，更需要接收远达几十、几百公里外的发射塔信号13.56MHzNFC/RFID天线工作距离远小于工作波长，工作于近场耦合区•ISO14443‐A/B工作距离只有10cm左右，ISO15693最远工作距离也只有1m，远小于22.12m的工作波长，通过电磁耦合进行电磁能量的传输结论：•13.56MHzNFC/RFID天线工作距离短，通过近场电磁耦合来传输电磁信号，可以看作是一个耦合线圈易迪拓培训()易迪拓培训课程内容目录①①13.56MHzRFID/NFC标准简介②②13.56MHzNFC/RFID天线和传统天线的区别③③13.56MHz NFC/RFID天线工作原理④④天线等效电路⑤⑤天线设计考量和设计步骤⑥⑥天线线圈的设计⑦⑦天线相关参数测量⑧⑧匹配电路的设计和调试⑨⑨匹配电路的设计实例⑩⑩总结Contents易迪拓培训()易迪拓培训三、13.56MHzNFC/RFID天线工作原理13.56MHzNFC/RFID天线实际上可以看作一个耦合线圈，所以我们就从线圈耦合的角度讲解天线的工作原理，这里以圆环为例：安培定律（Ampère‘slaw）•电流流经一段导体时会在导体周围产生磁场，磁感应强度大小：•以闭合圆环为例，在圆环沿着圆心的法线防线上，磁感应强度•可见线圈长生磁感应强度：正比于线圈匝数和线圈面积随着距离的3次方衰减易迪拓培训()易迪拓培训三、13.56MHzNFC/RFID天线工作原理（cont.）法拉第电磁感应定律：•时变磁场穿过闭合空间会产生感应电压由此可见，在电流一定的条件下，欲让天线线圈产生较大的电压/磁通量，就必须增加天线线圈的匝数或增大天线的面积，这样会增大天线线圈的电感易迪拓培训()易迪拓培训三、13.56MHzNFC/RFID天线工作原理（cont.）最佳天线尺寸•以圆环天线为例，给出在工作距离r固定的情况下，磁感应强度•要使得在距离为r处通量有极大值，也就是是此处磁感应强度B取得极大值，那么此时B相对于a导数应该为零，可以求得此时易迪拓培训()易迪拓培训课程内容目录①①13.56MHzRFID/NFC标准简介②②13.56MHzNFC/RFID天线和传统天线的区别③③13.56MHzNFC/RFID天线工作原理④④天线等效电路⑤⑤天线设计考量和设计步骤⑥⑥天线线圈的设计⑦⑦天线相关参数测量⑧⑧匹配电路的设计和调试⑨⑨匹配电路的设计实例⑩⑩总结Contents易迪拓培训()易迪拓培训四、天线等效电路等效电路•13.56MHzNFC/RFID线圈天线可以用图示等效电路表示。线圈的电感为Lant、RS-ant为线圈的电阻损耗，Cant为线圈之间和连接器之间的电容损耗。•要使得天线工作于13.56MHz，那么可以在天线外部并联或者串联一个电容，将电容与天线线圈组成LC谐振电路，调整并联/串联电容大小使得谐振频率为工作频率13.56MHz。那么此时，通过此谐振电路，读写器可将能量传输至射频卡。•由汤姆逊公式可知：，所以，天线的工作频率（谐振频率）与Lant、C有关。•天线尺寸越大，线圈的电感Lant就越大，相对的调谐电容C则需减小。在谐振频率为13.56MHz时,如果天线的电感超过5μH时，电容Cant的取值很小，这使得调谐电容的匹配变得很困难。所以，电感的取值范围在0.5～3μH，电容匹配较容易实现易迪拓培训()易迪拓培训四、天线等效电路（cont.）串联/并联等效电路•Cpa≈Ca，Lpa≈La，Rpa≈RaX(1+Q2)串联/并联谐振•串联谐振时，阻抗最小，为Ra•并联谐振时，阻抗最大，为RpaQ值•Q值定义为谐振电路中储存的能量与每个周期内消耗能量之比的2pi倍，故Q值越高，意味着相对于储存的能量来说需要消耗的能量越少•BW=fo/Q，Q值越高，带宽越小•ISO14443:Q≈10，ISO15693:Q≈20•天线带宽的经验法则：3dB的Q值带宽约为10dB回波损耗带宽的两倍易迪拓培训()易迪拓培训四、天线等效电路（cont.）Q值和带宽的影响因素•并联谐振：等效电路的R、C决定工作带宽，3dB功率带宽•串联谐振：等效电路的r、L决定工作带宽，3dB功率带宽•工作于并联谐振时，减小电阻R值可以增加天线带宽、降低Q值，可以通过并联电阻实现。•工作于并联谐振时，增加电阻r值可以增加天线带宽、降低Q，可以通过串联电阻实现。小结•线圈天线等效于电感，增加天线线圈匝数和面积可以增加