單端NFC設(shè)備搭載多路單端NFC天線的設(shè)計(jì)方法

摘? 要：NFC是一種近距離識(shí)別技術(shù)，在當(dāng)前市面上使用極其廣泛，NFC方案多采用NFC模塊集成NFC差分天線的設(shè)計(jì)方式。而對(duì)于新應(yīng)用場(chǎng)景，如餐飲智能柜，要求在智能柜可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柜中各個(gè)位置是否存在粘貼NFC標(biāo)簽的物品。如果采用傳統(tǒng)NFC設(shè)計(jì)方式，需要采用多個(gè)NFC識(shí)別模塊，造成整體方案的成本急劇上升。本文中提出了一種采用一臺(tái)NFC設(shè)備搭載多路NFC天線的高性能匹配設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：NFC;單端NFC;多路NFC天線

Abstract：NFC is a close-range identification technology，which is widely used in the current market. The NFC scheme mostly uses NFC module to integrate the design of NFC differential antenna. For new application scenarios，such as restaurant smart cabinet，it is required that the smart cabinet can real-time monitor whether there are items pasted with NFC labels in each location of the cabinet. If the traditional NFC design is adopted，multiple NFC recognition modules are needed，resulting in a sharp increase in the cost of the overall scheme. In this paper，a high-performance matching design scheme for a multi-channel NFC antenna mounted on a single NFC device is proposed.

Keywords：NFC;single-ended NFC;multiple NFC antenna

0? 引? 言

NFC技術(shù)在當(dāng)下時(shí)代應(yīng)用廣泛[1]，已演變了多種應(yīng)用場(chǎng)景，如門鎖、手機(jī)支付、玩具、共享單車等。這些場(chǎng)景的應(yīng)用中，NFC芯片與天線之間采用常規(guī)差分饋電方式，并且局限在較小的面積內(nèi)。目前新興場(chǎng)景，如智能書(shū)架、智能文件柜、智能取餐柜等，要求單片NFC識(shí)別芯片能夠帶載多個(gè)NFC天線，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)方位的識(shí)別。本文中提出了一種較為新穎的NFC應(yīng)用方式，通過(guò)采用多路射頻開(kāi)關(guān)的切換功能來(lái)實(shí)現(xiàn)單NFC設(shè)備對(duì)多NFC天線的應(yīng)用，并詳細(xì)論述了單端NFC天線的設(shè)計(jì)以及單端NFC設(shè)備與單端NFC天線的匹配設(shè)計(jì)。

1? 單端NFC天線設(shè)計(jì)

1.1? 單端設(shè)計(jì)的原因

單端設(shè)計(jì)是為了簡(jiǎn)便地傳輸信號(hào)，當(dāng)信號(hào)需要從一塊板傳輸?shù)搅硪粔K板的時(shí)候，單端傳輸方式明顯比差分傳輸更簡(jiǎn)便，且更經(jīng)濟(jì)。差分傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)在于對(duì)信號(hào)的抗干擾能力更強(qiáng)，但在部分場(chǎng)景下難以使用，比如在需要延長(zhǎng)線的場(chǎng)景下，以及多路切換的情況下。

NFC天線在距離NFC設(shè)備較遠(yuǎn)的一種場(chǎng)景如圖1所示。通過(guò)同軸饋線將NFC天線拉遠(yuǎn)進(jìn)行NFC標(biāo)簽的識(shí)別。在這種情況下，一般要求進(jìn)行NFC單端傳輸。目前幾乎所有NFC天線，以及NFC芯片都是采用差分輸入輸出設(shè)計(jì)方式，而較為經(jīng)濟(jì)的同軸饋線阻抗一般為單端50歐，如果直接進(jìn)行連接，那么會(huì)大幅度降低NFC的識(shí)別性能，甚至無(wú)法識(shí)別。因此需要考慮進(jìn)行差分NFC天線的單端化設(shè)計(jì)，以及NFC芯片的單端化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行功率輸出匹配，從而達(dá)到高性能識(shí)別的目的[2]。

1.2? 線圈天線設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)合理的線圈天線，如圖2所示，線圈天線設(shè)計(jì)主要需考慮的參數(shù)為：讀取距離、天線Q值、線圈電感。選定這些參數(shù)，然后確定天線尺寸以及匹配。

1.4? 天線測(cè)量

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量實(shí)際匹配后的天線，通常我們可以得到1.5以下的駐波，這說(shuō)明天線在13.56MHz處已經(jīng)匹配很好了，但是為了保證天線能夠滿足ISO14443協(xié)議的傳輸，需要確定天線帶寬能夠滿足2MHz要求，即Q值滿足要求7。

具體測(cè)量天線帶寬的方法可以采用兩根設(shè)計(jì)的NFC天線，一根接信號(hào)源，一根接頻譜儀，將兩根天線固定好相對(duì)位置，NFC天線帶寬測(cè)試方案如圖5所示，必須保證在測(cè)量中天線位置不能被移動(dòng)。信號(hào)源發(fā)出一個(gè)固定功率的掃頻信號(hào)（8.56MHz～18.56MHz）。

在本實(shí)例中，實(shí)測(cè)BW=2.619MHz>2MHz，滿足設(shè)計(jì)要求。

除此測(cè)量天線帶寬的方式之外，還有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，Return loss的-10dB帶寬的兩倍即是天線的實(shí)際傳輸帶寬。

2? 單端NFC識(shí)別電路匹配設(shè)計(jì)

2.1? 多通道NFC設(shè)備框架介紹

多通道NFC設(shè)備是針對(duì)智能餐飲柜的一套解決方案，原理是采用1個(gè)NFC芯片搭載多個(gè)天線去輪詢讀取標(biāo)簽，確認(rèn)商品是否被拿走。具體切換通過(guò)采用多路射頻開(kāi)關(guān)來(lái)切換各通道，以此來(lái)進(jìn)行輪詢掃描。

文中提出的設(shè)計(jì)思路，電路構(gòu)成大體如圖6所示。在標(biāo)準(zhǔn)平衡系統(tǒng)中的NFC電路無(wú)法應(yīng)用遠(yuǎn)距離天線的情況下，采用單端傳輸方式，以達(dá)到延長(zhǎng)NFC設(shè)備與NFC天線的距離的目的。實(shí)施為在平衡電路基礎(chǔ)Match電路后增加了Balun電路，將信號(hào)轉(zhuǎn)為單端信號(hào)，輸出到多路射頻開(kāi)關(guān)，再通過(guò)多路射頻開(kāi)關(guān)以及同軸電路傳輸給NFC天線。

市面上通常的NFC產(chǎn)品的天線一般做在一塊PCB板上，部分也有通過(guò)拉線傳輸?shù)?，但是天線距離NFC設(shè)備通常不超過(guò)20cm。文中介紹的是一種能夠通過(guò)同軸線纜拉長(zhǎng)3m甚至5m遠(yuǎn)還能夠正常讀取5cm范圍內(nèi)標(biāo)簽的應(yīng)用場(chǎng)景。

TX鏈路設(shè)計(jì)步驟：

（1）確定TX端的目標(biāo)阻抗;

（2）LPF電路設(shè)計(jì)，確定截止頻率;

（3）Match、Balun電路設(shè)計(jì)，綜合仿真;

（4）焊接器件實(shí)際測(cè)量阻抗;

（5）實(shí)測(cè)盤點(diǎn)標(biāo)簽。

2.2? 確定TX端的目標(biāo)阻抗

NFC的TX鏈路不同于平常無(wú)線產(chǎn)品的TX鏈路，不能完全用功率來(lái)考量。根據(jù)NFC天線的工作原理可以知道，NFC天線并非傳統(tǒng)的半波偶極子或者單極子天線，它應(yīng)該被當(dāng)做一個(gè)耦合線圈來(lái)看待。所以在天線尺寸確定的情況下，以安倍定律以及磁通量計(jì)算公式來(lái)看，當(dāng)電流越大的時(shí)候，通過(guò)線圈的磁通量會(huì)越大，則線圈天線覆蓋的磁場(chǎng)范圍就越大。

磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁通量計(jì)算公式：

由此可見(jiàn)，為了讓線圈天線上的電流更大，TX鏈路的阻抗應(yīng)該盡可能小。當(dāng)然如果不太注重讀取范圍這個(gè)因素，而是用在低功耗場(chǎng)景下，那么該阻抗也需要盡可能大。最終的選擇還是需要根據(jù)使用的NFC芯片來(lái)確定，一般NFC芯片會(huì)給出一個(gè)阻抗范圍，比如20Ω～80Ω，本文中選取20Ω為例。

2.3? LPF電路設(shè)計(jì)，確定截止頻率

LPF電路的作用是濾除二次和更高次的諧波能量，主要是為了設(shè)備的EMC能力更好。通常截止頻率的選取范圍為14.5MHz～22MHz，主要在確定LPF不會(huì)對(duì)本次頻率有影響的同時(shí)能夠更好地濾除二次諧波。

LPF電路的電感L0的選擇范圍大體在330nH～560nH，并且電感L最好遵循小于二分之一的天線線圈電感的要求。這里選擇330nH作為例子，需要注意電感的選擇還需要考慮電流，故此這里選擇大電流系列電感。確定截至頻率FC，也確定了電感L0，那么電容C0也可以計(jì)算出來(lái)了。

截至頻率選擇18.6MHz（盡量靠中間，確認(rèn)對(duì)13.56 MHz無(wú)影響），計(jì)算C0為220pF。

2.4? Match、Balun電路設(shè)計(jì)，綜合仿真

在Match電路確定之前，先確定Balun電路，LC巴倫電路是用來(lái)平衡轉(zhuǎn)不平衡的一個(gè)裝置，可以根據(jù)其前后阻抗計(jì)算L和C的值，這里單端阻抗50Ω，差分阻抗因?yàn)闆](méi)確定匹配網(wǎng)絡(luò)，所以根據(jù)LPF電路來(lái)確定，NFC芯片阻抗2Ω（本文中選用PN7462AU芯片為例）經(jīng)過(guò)LPF電路后，實(shí)部阻抗變?yōu)?Ω左右，所以Balun電路差分阻抗選擇16Ω，如圖7所示。

經(jīng)過(guò)計(jì)算Balun電路L為330nH（應(yīng)用在TX端的大電流電感不易尋找，盡量與LPF電感相同，更便于生產(chǎn)），C為415pF，但是由于單個(gè)電容沒(méi)有415pF的，就近選擇390pF電容，如圖8所示。

Balun電路確定了，最后還需要確定Match電路，Match電路的確定可以借助仿真軟件，或者直接采用調(diào)整匹配的方式（整體TX鏈路調(diào)整到20Ω，差分一端接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)線，另一端接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的GND，即矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的GND不與板上的GND相連）。

下面介紹采用ADS仿真Match電路[4]。

ADS仿真的時(shí)候模型需要確認(rèn)清楚，這里極易犯的一個(gè)錯(cuò)誤就是，將測(cè)試GND與中間的信號(hào)GND混淆了，連到一起去了，導(dǎo)致仿真與實(shí)際的極大不同。實(shí)際在用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的時(shí)候，儀器的GND接到差分端的另一端，這一點(diǎn)在電路中并不與板上的GND相連，所以需要注意，NFC芯片TX鏈路在ADS中的模型電路圖和NFC芯片TX鏈路實(shí)際電路圖（去掉RX）如圖9和圖10所示。

具體仿真可以先采用理想器件調(diào)諧優(yōu)化確定好器件的大體值后，再帶入實(shí)際器件，這里需要說(shuō)明下，LPF電路因?yàn)榫嚯xMatch以及后面的Balun電路過(guò)近，所以很容易影響后續(xù)電路的阻抗，電容C0還會(huì)有優(yōu)化，但是在優(yōu)化過(guò)程中需要注意LPF電路的截止頻率不應(yīng)超過(guò)14.5MHz～ 22MHz這個(gè)范圍。Balun的電容也同樣會(huì)進(jìn)行優(yōu)化，其主要用來(lái)調(diào)整阻抗的實(shí)部，電容值越小，目標(biāo)阻抗越往高頻偏;值越大，目標(biāo)阻抗越往低頻偏。Balun電容值過(guò)小和Balun電容值過(guò)大的情況如圖11和圖12所示。

所以選擇合適的值非常重要，并且采用仿真的方式來(lái)調(diào)整這類非尋常匹配方式的電路也是很有幫助的。最后通過(guò)調(diào)諧優(yōu)化，帶入實(shí)際器件仿真得出合適的阻抗。帶入實(shí)際器件值仿真效果如圖13所示。

3? 實(shí)測(cè)單端NFC電路阻抗

依據(jù)仿真得出的實(shí)際器件值，焊接到PCB板上，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量電路整體阻抗，檢查是否符合要求。實(shí)際測(cè)量時(shí)再次進(jìn)行提醒，注意矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接接到TX1和TX2端口，其中TX1接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)線，TX2接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀GND。到此基本已經(jīng)完成了匹配設(shè)計(jì)，目標(biāo)阻抗20Ω是在芯片輸出最大電流的情況下，現(xiàn)在實(shí)際設(shè)計(jì)到26Ω，雖然沒(méi)到20Ω，但是卻可以更好地保護(hù)和防止NFC芯片在天線端受金屬等物體影響阻抗變小，從而導(dǎo)致NFC芯片輸出電流過(guò)大，導(dǎo)致出現(xiàn)燒毀的情況。

4? 結(jié)? 論

本文論述了如何設(shè)計(jì)射頻饋線拉遠(yuǎn)的NFC單端匹配優(yōu)化方案，給出調(diào)試測(cè)試方案，并完成實(shí)際PCB板子制作。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，NFC設(shè)備接上3m饋線后再接上NFC天線，可以讀取距離標(biāo)簽8cm外的ISO14443協(xié)議白卡。綜上所述，這種單端NFC設(shè)備搭載多路單端NFC天線的設(shè)計(jì)是可行的，也是必要的，在進(jìn)行良好匹配設(shè)計(jì)時(shí)，達(dá)到差分短距直接匹配的效果。在當(dāng)前NFC技術(shù)的廣泛應(yīng)用下，探討NFC技術(shù)新的應(yīng)用場(chǎng)景是迫切需要的，也是技術(shù)演變之路上必須的。

參考文獻(xiàn)：

[1] ISO/IEC 14443-1，Identification cards. Contactless integrated circuit cards. Proximity cards. Physical characteristic [S].ISO，2016.

[2] [德]Klaus Finkenzeller 著.射頻識(shí)別技術(shù)原理與應(yīng)用 [M].王俊峰，宋起柱，彭瀟，等譯，北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[3] 恩智浦.PN7462 family Antenna design guide [N/OL].https：//www.nxp.com，2019-05-20.

[4] 立功科技.設(shè)計(jì)MF RC500的匹配電路和天線的應(yīng)用指南 [N/OL].http：//www.zlgmcu.com，2019-05-20.

作者簡(jiǎn)介：陳建祥（1985.04-），男，漢族，福建福州人，本科，中級(jí)工程師，研究方向：無(wú)線通信，包含WLAN、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、無(wú)線AI優(yōu)化等。