NFC 阻抗匹配操作文档

• 前言

现在市场中 NFC 应用已经十分广泛，如公司员工卡、手机支付、校园一卡通等都是使用 13.56MHz 的 NFC 技术。 NFC 技术基本都是采用线圈天线（如图 1 ），通过近场耦合传输电磁信号。本文主要介绍 NFC 的基本概念、天线匹配电路的设计以及天线匹配电路的调试步骤，希望为大家带来帮助。

    
                       图 1

 

• NFC 基本概念

NFC 是 Near Field Communication 的缩写，即距离无线通信技术，又称为近场通信，是一种新兴技术，可以在彼此靠近的情况下进行数据交换，是由非接触式射频识别（RFID）及互连互通技术整合演变而来，通过单一芯片集成感应式读卡器； NFC 有效通讯距离一般不超过 10 厘米，其传输速度有 106 Kbit/s 、 212 Kbit/s 或者 424 Kbit/s 三种。

• NFC 天线匹配电路的设计

NFC 天线的匹配电路中并联/串联电阻用于调整天线的 Q 值/带宽，并联/串联电容用于调试天线的谐振频率和输入阻抗。如图 2 模拟电路，电感器 L1 ， L2 必须能够驱动所需的功率。如果输出功率为最大输出功率时， L1 和 L2 必须驱动 30mA 而不进入饱和状态。注意，天线电路中出现公差的原因在于天线线圈本身，但对于匹配电路，也建议公差小于 ±1% 。

                                                                                                                                                                            

                                                                                                                                                                                                                                                                              图 2

• NFC 天线匹配步骤

天线匹配通过以下步骤完成：

1. 用矢量网络分析仪测量天线线圈
2. 定义目标阻抗和 Q 因子
3. 定义 EMC 滤波器
4. 计算匹配元件值
5. 焊接及测试
6. 微调匹配值，并焊接测试。

我们以 NXP MFRC631 为例进行步骤详解，原理图如下所示：

图 3

 1. 天线线圈测试

断开天线与 RF 电路的连接。天线的两端连接网络分析仪，用网络分析仪测量天线，在 13.56MHz 这个频点可以直接读出 La 和 Ra。从图 4 中可读出天线的 Ra 和 La ：Ra=32.596ohm ; La=3.44uH

 

图 4

图 5

将读出的数值填入图 5 的表格中，在这种简单的测试中，电容 Ca 是不能被测得的，可以估值。不过这些简单的测量结果已经足够开始调试用的了，实际上也不需要花费更多的精力来更精确的测量天线线圈参数。

 
2. 定义目标阻抗和 Q 因子

目标阻抗是必须要定义的，当传输功率最大时，一般定义为 20Ω ，在这种情况下，驱动电流 ITVDD 接近ITVDDmax = 250 mA 的最大允许极限。如图 6 所示。

图 6

不同应用对应的目标阻抗不同， Rmatch=50~80ohm，最好用在电池设备上，因为功耗小,同时所需的最大工作距离可能会更短。

Q 因子取决于整体系统要求和框架条件，如表 1 所示。

表 1

Q 值越小，天线的稳定性越好，失谐较少。 Q 值越高，场强越高。

 
3. 定义 EMC 滤波器

EMC 滤波器可以是如图 7 所示的二阶低通滤波器，并包含电感 L0 和电容 C0 ，截止频率定义了整体失谐情况以及天线电路的传递函数。 电感 L0 需要能够将全部功率驱动到天线而不会进入饱和状态。 该电感的 Q 值应尽可能高。

                                     

      图 7

电感 L0 及截止频率 Fcutoff 的取值范围一般如下所示：
              电感 L0 值范围：330nH~560nH
              截止频点 Fcutoff ：5MHz~22MHz

在此基础上， EMC 滤波器 L0 、 C0 及 Fcutoff 值的选取如下：
             L0 = L0A = L0B = 470 nH ；C0 = C0A = C0B = 56 pF + 68 pF ；FCutoff = 20.9 MHz

4. 计算匹配元件值

匹配部分电路，如下图 8 所示。

图 8

• 经上述步骤可得测试值及预设值如下所示：
• 测试天线值为：
  • La = L = 1253 nH (天线的电感值)
• Ca = Cpa = 0.1 pF (估算的天线的电容值)
• Ra = RCoil = 2.7Ω (测试的天线电阻值)
• 预设值：
• Q = 10 (定义的 Q-factor)
• Rmatch = 25 Ω (定义的目标阻抗)
• L0 = L0A = L0B = 470 nH (EMC filter inductance)
• C0 = C0A = C0B = 56 pF + 68 pF (EMC filter capacitance)

将测试值及预设值填入如下表 2 中，即可计算出 C1 、 C2 及 Rq 。

表 2

计算出的匹配值如下：

• Rq = 4.24ohm
• C1 = (C1A + C1B) = (C1C + C1D) = 58.9 pF à 47 pF + 12 pF (0.1 pF more)
• C2 = (C2A + C2B) = (C2C + C2D) = 134.6 pFà100 pF + 33 pF + 1.5 pF (0.1 pF less)

5. 焊接并测试

将计算出来的值焊接在匹配电路相应的位置上，并连上天线，在 TX1 和 TX2 之间利用矢量网络分析仪测试。

                                                                                                                                                                                                                                                                              图 9
测出的结果一般不满足我们的需求，但已经很接近，如图 10 所示，匹配值需要进行微调。

图 10

6. 微调匹配值，并焊接测试

使用天线线圈的这些调整后的值，可以完成最终调试，如图 11 所示。

• La = 1253 nH ；Ca = 1 pF ；Ra = 2.5 Ω

图 11

 

【参考资料】

• NFC 驱动调试
• 56MHz NFC/RFID 天线及其匹配电路设计详解
• CLRC663, MFRC630, MFRC631, SLRC610 Antenna Design Guide