基于TRF7970A的NFC读写器天线设计、自制及其匹配

本文读写器模块部分是采用的50Ω标准阻抗匹配方式^[31]。评估板的板载天线比较小，因此需要自制天线。在使用时将TRF7970A模块上的SMA（Sub Miniature version A，高频连接器）接口焊上SMA插座即可以使用SMA射频线连接到自制的天线匹配网络，这如果之后还想改变天线来使得通信距离更稳定更远时，仅仅需要改变天线后面的匹配电路。自制天线采用三元件50Ω匹配法。

（1）确定天线尺寸

在确保输出功率的情况下，天线面积越大越好，但是TRF7970A在5-V工作时被限制在200mW。如果天线太大，那么TRF7970A的功率就会被限制在200mW。此时将不能正常的驱动天线，会出现读孔。

在设计NFC/HF RFID天线时，要仔细考虑线圈在最终的天线上的位置。机械封装，并确保天线线圈远离金属。因为NFC/HF RFID是基于磁场的，任何靠近天线线圈的金属都会有阻尼作用 对天线的影响。当天线线圈被阻尼时，电感量会发生变化，而这种变化导致中心频率偏离13.56 MHz，从而对天线的调谐产生负面影响。故本文将在12cm*18cm洞洞板上绕2圈线圈，作为自制天线。

（2）为串联和并联电容预留焊盘

这允许在天线调谐过程中对电容值进行更精细的调整，因为当试图优化中心频率或带宽时，标准值电容通常不能提供足够精确的变化。因此在自制天线的洞洞板上也要预留一定的空间为更精准的调谐。

（3）布置SMA（次微型版本A）或u.FL（射频同轴）连接器的焊盘。

对于PCB天线，为了能够轻松地调整和验证天线，建议在SMA或u.FL连接器上焊接焊盘，以便为网络分析仪工具提供天线线圈和匹配网络的通道。垫子应该放在TRF7970A阻抗匹配的50-Ω点和天线匹配网络之间。在TRF7970A评估板上已预留SMA插座，将SMA插座也置于自制天线一端，后续调试便可通过SMA的射频连接线来连接两端

3. 使用0-Ω的电阻来隔离匹配网络。

为了隔离匹配网络和TRF79xxA发射机匹配电路的其他部分，可以在匹配网络之间放置一个0-Ω的电阻。将电阻器置于50-Ω匹配的最后一个元件和用于网络分析仪接入的连接器之间。

（4）天线至50Ω的三元件匹配

当调整高频RFID应用的天线时，第一步是测量自制天线线圈的电感和复阻抗。读写器天线采用采用自制矩形线圈天线，设计时天线直径取10cm，使用aimo meter-ESR01 LCR测试仪测得时电感值为1.37μH，直流阻抗值为0.48，计算在13.56MHz交流阻抗为:

对于大多数应用，当应用包括使用ISO14443A（NFC类型A）、ISO14443B（NFC类型B）或FeliCa™（NFC类型F）技术时，7至10的Q因子是合适的。

对于只使用ISO15693（NFC V型）技术的应用，Q因子可以显著提高，因为边带不需要这么宽的带宽。高达18的Q因子可以提供很好的读取范围性能，应被视为上限。故在本应用中，经过测试，选择Q=17时具有比较好的调谐效果。要开始在匹配网络上放置元件，应使用所需的Q因子来估计并联电阻的值。

 故可以采用20k的并联电阻

既然知道了电感和复阻抗，下一步就是用Smith Chart仿真软件进行仿真调谐。下面的例子使用的是Fritz Dellsperger公司生产的Smith V3.1软件。

打开Smith3.10软件，使用keyboard输入线圈电感和线圈实部和虚部的值。

 图1 在史密斯圆环上输入复阻抗

此时可看到此时在Smith圆上的初始位置与此时匹配电路原理图

图2 史密斯圆图初始图

在史密斯模拟器上布置元件时，推荐的顺序是：并联电容、并联电阻和串联电容。放置并联电容，应使数据点靠近半球，在62.7。

 图3 在史密斯圆环上加入并联电容

现在的目标是通过添加并联电阻，使数据点向加粗的红圈靠拢 。我们已经计算出实现该目标的并联电阻，并在史密斯图模拟器中使用该值。

如果需要的话，调整并联电容值可以使数据点更接近加粗的红圈。

图4 在史密斯圆环上加入并联电阻

见上图，我们将并联电阻设为2000Ω，这是我们已经计算的。这个值是针对所需的应用要求，所以不需要在模拟图上对任何一个组件进行调整。

随着最后一个串联电容放置，数据点现在几乎是中心的50-Ω点（见图）的史密斯图。最终使用的值是Cp = 62.7 pF，Rp = 2000 Ω，Cs = 38.9 pF。如下图所示：

图5 在史密斯圆环上加入串联电容

现在，理论匹配已经完成，我们需要在洞洞板上进行自制天线，如下图所示

天线基本设计原理

本文采用的标签芯片RF430FRL152H和读写器芯片TRF7970A 两个NFC 射频芯片其工作频率都在在13.56MHz，它们二者之间是通过电磁耦合方式进行通信，其通信协议为ISO15693。本文在标签端采用集成在终端上的圆形天线，在读写器端采用自主设计并制作的天线，且自制天线成本低，可推广。

由天线的特征模理论，天线及其匹配电路元件的等效电路就都能用RLC电路很好的表示出来^[29]。依据汤姆逊公式得知在13.56MHz的工作频率下，另外NFC天线的设计电感值应该取在 1～2μH之间的值，这是为了确保可以方便的选取所需要的匹配电容^[28]

                                                           （11）

天线线圈的Q因子是提高读取范围性能的重要考虑因素。对于使用多种RFID标准的应用（例如，同时使用ISO14443A和ISO15693的应用），TI建议设计1.7 MHz的带宽，根据公式1，理论Q因子为8。Q = Fc / BW = 13.56 MHz / 1.7 MHz = 7.97 。需要更大的带宽来覆盖ISO14443标准的通信边带，如果使用更高的空中数据速率（如424或848 kbps），则带宽尤为重要^[30]。

3.3.2 基于RF430FRL152H的NFC标签端的天线设计

RF430FRL152H射频通信接口(见图3-5)基于NFC的ISO15693协议。它支持1-out-of-4和1-out-of-256的数据速率，用于读写器到标签的通信，以及26 kbit/s的标签到读写器的通信。

图3-9 RF430FRL152H射频通信接口

射频芯片与外界的接口是与天线连接的接口。NFC芯片的两个引脚可以连接到天线，从天线调谐来的能量从引脚进入芯片内部，在芯片内部电路进行整流稳压之后供给外部电路使用。天线的大小和相关参数取决于应用中实现的要求，比如通信距离等。

见图3-9，利用外部天线（电感L）、片内谐振电容器(CINT)产生谐振。必要时还需要一个外部电容器CEXT。外部谐振电容器一般要加上，以允许较低电感天线(L < 3.8 µH)的天线电感变化。(见图10)。谐振频率采用以下公式计算。

                                                             （12）

其中，L为天线电感，C为总谐振电容值（），为谐振频率。

在NFC芯片内部已经有一个片内谐振电容。片内谐振电容与天线引脚ANT1和ANT2并联，与连接在ANT1和ANT2引脚上的天线组成一个谐振电路。片内谐振电容值的误差范围为10%。

为了获得最佳性能，片上电容和外部电容与天线电感谐振之后推荐的工作谐振频率（f）约为f≈13.7 MHz。为了稳定运行，超出该范围的谐振电路会导致性能下降。

对于NFC标签端，其PCB天线的典型电感值为1.8uH，为了保证天线的匹配与良好的性能，天线电感与谐振电容的谐振频率13.7 MHz左右，在经过计算并且去除片内谐振电容值，则在片外仍然需要32pF的谐振电容。