NFC天线工作原理、设计

继公众号之前推送过的《NFC芯片选型及基本电路框架》之后，本篇文字聊聊NFC天线工作原理及其设计，由于篇幅有限，该内容分两篇文字进行阐述——

传统天线通过向空中辐射电磁波来传输电磁信号，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。简单的半波偶极子天线长度是1/2波长，单极子天线是1/4波长。对应到13.56MHz的工作频率，半波偶极子天线尺寸为11.06m，单极子天线尺寸为5.03m。但13.56MHz NFC通过近场耦合来传输电磁信号，天线工作距离远小于传统天线，ISO14443-A/B工作距离只有10cm左右，SO15693最远工作距离也只有1m。

13.56Mhz NFC天线可以看作一个耦合线圈，根据安培定律，电流流过一段导线时会在导体周围产生磁场，且该磁场感应强度正比于线圈匝数和线圈面积，并随着距离的3次方衰减。而个根据法拉第电磁感应定律，时变的磁场穿过闭合空间会产生感应电压。因此将该两个定律分别应用于NFC读写器、NFC卡片，读写器天线产生磁场耦合到NFC卡片天线产生电压能量启动NFC卡片中的芯片，由此进行能量、信号传输。

高频读卡器的天线是磁环路天线，通常为印刷线圈、柔性PCB或绕线天线，也可以是金属外壳。天线的尺寸、匝数、走线宽度、间隙宽度等因素决定了天线的电参数，电参数包括：电感、串联和并联电阻、自谐振频率、Q值。等效电路为：

根据汤姆逊公式

可知，天线的谐振频率和L、C有关，调节天线的匝数、线圈面积、间隙，同时通过外部电容的匹配形成LC谐振电路，通过谐振电路即可将能量传输至射频卡。

原则上，增加天线的匝数、线圈面积，可以增大磁通量，工作距离更远。当然，增加匝数与面积的同时，天线的等效电感也会随之增大，过大的电感会导致调谐振电容时需要的电容量过小，因此天线的等效电感值通常涉及在1-2uH左右。

使用仿真软件，可得天线各参数如下的关系：

对于整体NFC设计，为考量EMC滤波电路、匹配电路的设计，我们需要确定天线的等效电感、电阻、电容、Q值。对于参数的测量可借助网络分析仪——

1. 在天线端连接网络分析仪：此时天线需要和匹配网络断开（将已上电的读卡器连接到VNA可能会损坏网络分析仪）；

2. 将史密斯圆图的测试频率范围设置为1MHz - 100MHz；

3. 在13.56MHz做标记，直接测量出该频率点的损耗电阻Rsdc、电感Lant、自谐振频率Fra、自谐振并联阻抗Rp。

4. 计算天线等效电路参数： 

自谐振频率下寄生电容：

天线自谐振频率13.56Mhz时的等效电阻（必须从自谐振频率转化为工作频率）：

天线等效总电阻：

最终简化的天线等效谐振电路为如下模型：

由此计算出:

根据如上4个步骤，天线的参数（Rpant、Cant、Lant）已经测试、计算完毕，该等效的电路参数将用于设计匹配电路，匹配电路与天线达到共轭匹配后才能最大程度地传输可用能量。关于匹配电路的设计，我们下一篇作讲解——