如何设计 NFC 动态标签的天线

近场通信NFC,Near Field Communication)是一种基于无线射频识别RFID,Radio Frequency I Dentification)技术发展起来的近距离无线通信技术,它们都是通过无线频率的电磁感应耦合传递数据,但是 RFID 的传输范围可以达到 1m,而 NFC 的传输范围通常在 10cm 以内。NFC 的无线信号频率为 13.56MHz,可以兼容 ISO14443ISO15693Felica 等非接触式智能卡规范,数据传输速率可以达到 106kbit/s212 kbit/s424kbit/s

意法半导体的 NFC 动态标签芯片 ST25DV-I2CST25DV-PWM 可以通过低功率的 I²C 总线以及 13.56MHz 无线射频访问芯片内置的EEPROM(电可擦除只读存储器),同时支持近程的 ISO/IEC 14443 Type A 和远程的 ISO/IEC 15693 标准。本文旨在介绍无源 RFID 的基本原理,以及 13.56MHz 感应天线设计的基础知识,文中部分内容参考自意法半导体编号为《AN2972》的官方应用笔记(Application Note)。

操作方式

实际电路当中集成动态 NFC 标签芯片是一项非常简单的工作,只需要将其通过 I²C 总线连接至 MCU 微控制器即可,而动态 NFC 标签芯片在 RF(射频,Radio Frequency)一端,则还需要连接外部天线才能够正常工作。

动态 NFC 标签的天线通常是放置于 PCB 电路板上的一圈环形走线,其阻抗与内部的调谐电容值相匹配,进而创建出一个 13.56MHz 频率的共振电路,这个调谐频率的基本方程为:

\[ f_{调谐} = \frac{1}{2 \pi \times \sqrt{L_{天线} \times C_{调谐}}} \]

基本原理与方程

本文接下来的内容当中,NFC 标签用于指代安装在 PCB 上并与其天线相连接的动态 NFC 标签芯片,而 NFC 读卡器则是指能够以射频模式与 NFC 标签进行通信的设备。

无源 RFID 技术

能量传递

动态 NFC 标签芯片通过其环形天线,从读卡器产生的磁场中获取运行所需的能量。该过程类似于变压器的互感,其中 NFC 读卡器相当于初级绕组,而 NFC 标签则相当于次级绕组。从 NFC 读卡器到 NFC 标签芯片的能量传输主要取决于如下四个方面:

  1. NFC 标签天线的调谐程度,接近于 NFC 读卡器的载波频率 13.56 MHz
  2. NFC 读卡器和 NFC 标签天线之间的距离方向
  3. NFC 读卡器天线与 NFC 标签天线的尺寸
  4. NFC 读卡器的功率

下面的示意图展示了在射频模式下,NFC 读卡器与标签之间的功率传输机制:

NFC 读卡器通过电磁场向 NFC 标签传递的能量,取决于 NFC 读卡器产生的磁感线如何流经 NFC 标签天线。

  • 双方的 NFC 天线保持平行时,通信效果最佳
  • 双方的 NFC 天线相互垂直时,无法进行有效的通信;
  • 双方的 NFC 天线处于其它位置时,通信效果会到一定程度的影响;

数据传输

将 NFC 标签放置于 NFC 读卡器的电磁场当中,NFC 标签芯片的内置电路就会开始解调来自于读卡器的信息:

通信结束之后,NFC 读卡器会继续为 NFC 标签供电,以使得 NFC 标签产生一个应答响应,发送回 NFC 读卡器(动态 NFC 标签芯片会通过调节内部的输入阻抗,将应答信号反向散射到 NFC 读卡器)。

▶ 整个数据通信过程所涉及的全部标准与协议,都已经嵌入到了 NFC 读卡器与 NFC 标签芯片的内部电路当中。

简化等效电路

下面的示意图给出了 NFC 动态标签及其天线的等效电路:

  • 动态 NFC 标签芯片的模型由一个代表其所消耗电流的电阻 \(R_{chip}\) 和一个代表内部调谐电容内部寄生电容\(C_{tun}\) 来进行表示;
  • 环形天线的模型是由表示环形天线上全部杂散电容\(C_{ant}\) ,以及表示天线电阻损耗\(R_{ant}\),和表示环形天线自感\(L_{ant}\) 共同组成;

其中,虽然 \(C_{ant}\)\(R_{ant}\)\(L_{ant}\) 是一个常量,但是其总阻抗具有频率依赖性。即在自谐振频率下,天线阻抗的虚部 \(Z_{ant}\) 为零呈现纯阻性;而在低于自谐振频率时,天线阻抗的虚部为正值呈现感性。当频率低于自谐振频率\(Z_{ant} = R_A+ j_{XA}\))的时候,天线的等效电感 \(L_A\) 被定义为 \(L_A = \frac{X_A}{\omega}\)

▶ 低频情况下,杂散电容的影响可以忽略不计 \(L_A = L_{ant}\)(自感)。而达到 13.56MHz 频率的时候,杂散电容的影响就不能再被忽视 \(L_A > L_{ant}\)

基本方程

谐振频率

下图展示了存在正弦磁场的情况下,安装有环形天线NFC 动态标签芯片的等效电路。其中的 \(V_{OC}\) 表示天线传递的开路电压,该电压值取决于磁场强度以及天线的尺寸匝数

NFC 标签的天线阻抗为 \(Z_{ant} = R_A + jL_A \omega\),其中的 \(L_A\) 表示天线的电感。而 NFC 标签芯片的阻抗为 \(Z_S = R_S + j \times \frac{1}{CS \omega}\),其中的 \(R_S\) 表示的是 NFC 标签芯片的电流损耗,而 \(C_S\) 表示的是串联等效调谐电容

▶ 等效 RLC 电路的谐振频率由条件 \(L_A C_S \omega^2 = 1\) 给出,其中 \(\omega = 2 \pi f\)(此处的 \(f\) 表示频率 Hz)。

最优天线调谐

RLC 电路的总阻抗 \(Z_{tot} = Z_{ant} + Z_S\),当谐振频率\(L_A C_S \omega^2 = 1\) 时,总阻抗降低至 \(Z_{tot} = R_A + R_S\),此时天线的总阻抗最小,天线内部的电流以及传递给 NFC 标签芯片的电压最大,进而向设备提供的能量也就最大。

▶ 上图展示了三个动态 NFC 标签天线调优的例子,其中的标签 #2 为最优的天线调谐。

如何设计 PCB 天线

13.56MHz 频率下的 NFC 天线可以根据需要,被设计成为不同的形状。如前所述,需要重点关注的参数是天线在 13.56MHz 频率下的等效电感 \(L_A\)

▶ 杂散电容非常难进行近似的取值,通常处于以 pF 作为单位的范围以内。

接下来的内容会给出计算各种形状天线自感 \(L_{ant}\) 的有效公式(不考虑天线杂散电容),以及如何通过意法半导体官方提供的 eDesignsuite 工具来计算等效电感 \(L_A\)

圆形天线的电感

\[ L_{ant} = \mu_0 \times N^{1.9} \times r \times \ln(\frac{r}{r_0}) \implies 4 \pi \cdot 10^{-7} \times 天线圈数^{1.9} \times 天线半径 \times \ln\bigg(\frac{天线半径}{导线直径}\bigg) \]

  • r 是天线半径,单位为毫米;
  • r_0 是导线直径,单位为毫米;
  • N 是天线的圈数;
  • \(\mu_0 = 4 \pi \cdot 10^{-7} H/m\)
  • \(L\) 的单位为亨利;

螺旋形天线的电感

\[ L_{ant} = 31.33 \times \mu_0 \times N^2 \times \frac{a^2}{8a + 11c} \implies 31.33 \times 4 \pi \cdot 10^{-7} \times 天线匝数^2 \times \frac{平均半径^2}{8\times平均半径 + 11\times绕组厚度} \]

  • \(a = \frac{(r_{in} + r_{out})}{2}\) 为平均半径,单位为米;
  • \(c = r_{out} - r_{in}\) 是绕组厚度,单位为米;
  • \(\mu_0 = 4 \pi \cdot 10^{-7} H/m\)
  • \(L\) 的单位为亨利;
  • \(N\) 是天线的匝数

方形天线的电感

\[ L_{ant} = K_1 \times \mu_0 \times N^2 \times \frac{d}{1 + K_2 \times p} \]

  • \(d = \frac{(d_{out} + d_{in})}{2}\),单位为毫米,其中 \(d_{out}\)外径,而 \(d_{in}\)内径
  • \(p = \frac{(d_{out} - d_{in})}{(d_{out} + d_{in})}\),单位为毫米
  • \(K_1\)\(K_2\) 的取值依赖于天线的布局形式:

布局 \(K_1\) \(K_2\)
正方形 2.34 2.75
六角形 2.33 3.82
八角形 2.25 3.55

eDesignSuite 天线设计工具

意法半导体官方提供的 eDesignsuite 在线工具套件,为 NFC 天线设计提供了 NFC 电感 (NFC Inductance)NFC 调谐电路 (NFC Tuning Circuit) 两款小工具。只需要输入与 PCB 材料和天线尺寸相关的参数,该工具就可以通过计算自电感杂散电容来得到天线的等效电感

上图给出了一个天线等效电感的计算示例,包括了天线的几何参数、导体参数、PCB 基板参数。通过计算出的天线等效电感,就可以生成一个天线的原型。接下来,就可以使用网络分析仪测量天线阻抗,或者使用非接触式的方式测量 NFC 标签的调谐频率来验证天线设计。

PCB 布局

动态 NFC 标签芯片与天线之间的连接长度

动态 NFC 标签芯片必须尽可能的靠近天线(位于几毫米范围以内),任何额外的布线都会改变天线的特性。

地平面 电源 信号层

布局 PCB 上的 NFC 天线时,需要注意天线的顶层与底层两个面都不能进行铺铜,并且在天线周围也最好不要存在铜平面;下面的示意图展示了 NFC 天线的最优布局:NFC 标签芯片靠近天线,而接地平面远离天线

接下来,展示的是两种错误设计的示例,这两种情况下电磁波不会流经天线,NFC 读卡器与动态 NFC 标签的天线之间不会进行能量传递。

下面同样是一种不推荐的布局示例,因为动态 NFC 标签天线周围的环形铺铜会极大的衰减电磁波信号。

而下面则是一种可以被接受的布局示例,主要是由于此处的天线并没有与地平面发生重叠。

▶ 建议在进行 PCB 布局时,专门为 NFC 天线划分出一块周围没有接地层的独立区域。

金属表面

当 NFC 天线靠近导电层时,其自感将会减小,从而造成 NFC 标签的调谐频率增加。

如果设计的 NFC 天线必须靠近金属表面进行工作,那么就必须对频率调谐的漂移进行补偿,以获得 13.56MHz 的正确调谐频率。这里可以通过重新设计一个具有更大等效电感的全新 NFC 天线,或者在现有天线基础之上增加一个外部调谐电容来实现补偿。下面的表格,就展示了一个使用 74pF 调谐电容进行频率补偿的示例:

特性 ANT1-M24LR16E ANT1-M24LR16E 加入74pF调谐电容
天线尺寸 45 mm x 75 mm 45 mm x 75 mm
空气中的频率调谐 13.7 MHz 7.5 MHz
接近金属表面的频率调谐 25 MHz 14 MHz
空气中的读取范围 7.5 cm 0.5 cm
接近金属表面的读取范围 未检测到 2.5 cm
状态 天线经过调谐可以暴露在空气中工作 天线可以靠近金属表面进行工作

▶ 天线的重新设计会导致走线匝数的增加,需要注意 PCB 上是否预留有足够的空间。如果布局空间无法有效的进行延伸布线,那么就必须采用外部调谐电容作为频率补偿方案。

NFC 天线调谐的检测

如下的这些因素都会影响到 NFC/RFID 标签的调谐频率

  • 天线等效电感的计算精度;
  • 设备主体与天线之间的连接长度
  • 天线所处的工作环境(金属表面、磁性材料);

▶ 在实际的生产环境当中,往往需要通过专门的仪器来测量 NFC/RFID 标签的谐振频率。

采用网络分析仪测试

动态 NFC 标签天线的调谐频率可以使用带有环形探头网络分析仪来进行测量。其中的射频电磁场可以由连接环形探头的网络分析仪(设置为反射模式,测量 S11 回波损耗)产生。环形探头可以购买成品,或者使用单匝线圈自行绕制,并且将其连接至同轴连接器。这样构建出的环形探头可以根据标签天线的尺寸相应的调整大小,进而达到更优的耦合效果。

▶ 通过上述的设备配置与连接,可以直接获得当前系统的谐振频率

如下是一个用于实际测量的网络分析仪参数设置列表:

  • 起始频率5 MHz
  • 截止频率20 MHz
  • 输出功率- 10 dBm
  • 测量Reflection 或者 S11
  • 格式log magnitude

将 NFC 天线放置到连接有网络分析仪的环形探头磁场内,由于环形探头与 NFC 标签天线相互耦合,从而导致环形探头的阻抗发生变化。当 NFC 标签处于谐振频率的时候,环形探头的阻抗电阻达到最大值,而电抗恢复到自谐振值。环形探头的阻抗接近于 50Ω,可以通过 S11 曲线上面的最小值进行证明。下图展示了某一个天线原型的谐振频率响应曲线:

采用信号源与示波器测试

NFC 天线的谐振频率也可以采用信号发生器示波器,以及两个环形天线来进行测量。测试步骤是将一个 ISO 10373-7 标准的环形天线(如下图所示)与信号发生器连接,从而产生出射频电磁场:

再通过示波器探头(1MΩ 或者 10MΩ 输入阻抗)或者 50Ω 阻抗的 BNC 电缆(示波器输入阻抗也设置为 50Ω),将另外一个 ISO 10373-7 标准的环形天线连接到示波器。

此时,由于 NFC 标签与第一个环形天线连接,通过信号发生器输出变化的信号使得 NFC 标签连接的天线产生电磁感应,这些电磁场会被连接在示波器的第二个环天线捕获。如果当前处于 NFC 标签的谐振频率时,那么流入 NFC 标签天线的电流NFC 标签天线产生的电磁波示波器显示的电压幅值均将会达到最大值

首先,让信号发生器输出峰峰值为 200mV 的正弦波信号。然后,以 5MHz 作为起点,逐步提高信号发生器的输出频率,直至达到示波器所测量到信号的最大幅值。最后,信号发生器所输出的频率就是 NFC 标签的谐振频率。下图给了一款 NFC 天线原型的频率响应曲线,也就是在不同的信号发生器频率下,示波器所测量到的信号幅值:

从设计到产品

开发设计人员必须了解电路板上 NFC 天线的理论实际性能差异,这里列出一些注意事项。对于不同的 NFC 读卡器,同一个 NFC 标签天线所获得的通信效果并不相同,正如下面的示意图所展示的那样:

另外 PCB 制造的工艺参数(例如铜层或者环氧层的厚度)也会对天线性能产生影响,这在更换板材供应商的时候需要格外注意。除此之外,同时使用多个动态 NFC 标签会导致天线相互耦合,从而出现谐振频率不同于单个天线的情况,例如下面的示意图所展示的情况:

更加值得注意的是,产品的外壳也会影响 NFC 标签天线的通信效果,例如使用金属外壳所产生的法拉第笼效应,就会阻止 NFC 读卡器的能量与信号传递到 NFC 标签天线。同时外壳也会影响 PCB 天线的调谐频率,因而总是建议在最终成品上进行 NFC 射频性能的测试。

▶ 总而言之,在实际量产过程当中,需要充分的考量到设计原型生产制造三个环节对于 NFC 标签天线射频性能所带来的一系列影响。