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1、射频识别技术射频识别技术MHz设计实例设计实例背景现在现在13.56MHz13.56MHz无线智能卡应用已经十分广泛，像二代身份证、手机支无线智能卡应用已经十分广泛，像二代身份证、手机支付、校园一卡通、公司员工工卡都是使用付、校园一卡通、公司员工工卡都是使用13.56MHz13.56MHz无线智能卡技术无线智能卡技术对于对于13.56MHz13.56MHz无线智能卡，其天线基本都是采用都是下图所示线无线智能卡，其天线基本都是采用都是下图所示线圈天线圈天线第1页/共34页本课程内容本课程详细介绍了本课程详细介绍了13.56MHz13.56MHz线圈天线及其匹配电路的设计和调试，包线圈天线及其匹配
2、电路的设计和调试，包括括l l线圈天线工作原理线圈天线工作原理l l线圈天线设计线圈天线设计l l匹配电路设计匹配电路设计第2页/共34页13.56MHz RFID标准、天线简介第3页/共34页13.56MHz RFID 国际标准ISO/IEC 14443ISO/IEC 14443：Type AType A，Type BType BISO/IEC 15693ISO/IEC 15693 ISO Internatinal Organization for Standardization,ISO Internatinal Organization for Standardization,国际标准化组
3、织国际标准化组织 IEC International Electrontechnical Commission,IEC International Electrontechnical Commission,国际电子科技化委员会国际电子科技化委员会第4页/共34页ISO14443和ISO15693的区别ISO14443A/B:ISO14443A/B:超短距离非接触式超短距离非接触式ICIC卡卡标准，该标准订出标准，该标准订出读取距离读取距离20cm20cm的短距离非接触的短距离非接触ICIC卡的功能及运作标准。卡的功能及运作标准。TYPE A,TYPE BTYPE A,TYPE B通信速率为通信
4、速率为106kbit/s106kbit/s，采用，采用847.5kHz847.5kHz的副载波技术，的副载波技术，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。l lType A Type A 手机支付，校园一卡通手机支付，校园一卡通l lType B Type B 二代身份证二代身份证ISO15693:ISO15693:短距离非接触式短距离非接触式ICIC卡卡标准，这标准订出读取距离标准，这标准订出读取距离可高达可高达1 1米米非接触非接触ICIC卡。卡。第5页/共34页三种协议副载波调制下的频谱图第6页/共34页13.56MHz RFID天
5、线和UHF天线的区别UHFUHF天线是通过向空中辐射电磁波来传输电磁信号，天线工作于远区场，为了能把电磁信号天线是通过向空中辐射电磁波来传输电磁信号，天线工作于远区场，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辐射到空中，天线的长度需要和工作波长相比拟l l例如常用的半波偶极子天线长度是例如常用的半波偶极子天线长度是波长，对应到波长，对应到13.56MHz13.56MHz的工作频率，半波偶极子天线尺寸约为的工作频率，半波偶极子天线尺寸约为:11.06m11.06m13.56MHz RFID13.56MHz RFID天线工作于近场区天线工作于近场区，通过电感耦合来传输电磁信号，可
6、以看作是一个耦，通过电感耦合来传输电磁信号，可以看作是一个耦合线圈合线圈l lISO14443-A/BISO14443-A/B工作距离只有工作距离只有10cm10cm左右，左右，ISO15693ISO15693最远工作距离也只有最远工作距离也只有1m1m，远小于，远小于22.12m22.12m的工作波的工作波长，通过电磁耦合进行电磁能量的传输长，通过电磁耦合进行电磁能量的传输第7页/共34页线圈天线工作原理1安培定律以闭合圆环为例，在圆环沿着圆心的法线方向上，磁感应强度大小以闭合圆环为例，在圆环沿着圆心的法线方向上，磁感应强度大小可见线圈产生磁感应强度：正比于线圈匝数和线圈面积，随着距离的可见
7、线圈产生磁感应强度：正比于线圈匝数和线圈面积，随着距离的3 3次方衰减次方衰减第8页/共34页最佳天线尺寸以圆环天线为例，给出在工作距离以圆环天线为例，给出在工作距离r r固定的情况下，磁感应强度固定的情况下，磁感应强度要使得在距离为要使得在距离为r处通量有极大值，也就是是此处磁感应强度处通量有极大值，也就是是此处磁感应强度B取得极大取得极大值，那么此时值，那么此时B相对于相对于r导数应该为零，可以求得此时导数应该为零，可以求得此时第9页/共34页线圈天线工作原理2法拉第电磁感应定律时变磁场穿过闭合空间会产生感应电压时变磁场穿过闭合空间会产生感应电压可见，在电流一定的条件下，欲让天线线圈产生较
8、大的电压可见，在电流一定的条件下，欲让天线线圈产生较大的电压/磁通量，磁通量，就必须增加天线线圈的匝数或增大天线的面积，这样会增大天线线圈就必须增加天线线圈的匝数或增大天线的面积，这样会增大天线线圈的电感的电感第10页/共34页线圈天线的等效电路第11页/共34页线圈天线的等效电路13.56MHz NFC/RFID13.56MHz NFC/RFID线圈天线可以用图示线圈天线可以用图示等效电路表示。线圈的电感为等效电路表示。线圈的电感为LantLant、R RS S-antant为线圈的损耗电阻，为线圈的损耗电阻，CantCant为线圈之间和为线圈之间和连接器之间的寄生电容。连接器之间的寄生电容
9、。要使得天线工作于要使得天线工作于13.56MHz13.56MHz，那么可以在，那么可以在天线外部并联或者串联一个电容，将电容与天线外部并联或者串联一个电容，将电容与天线线圈组成天线线圈组成LC LC 谐振电路，调整并联谐振电路，调整并联/串联串联电容大小使得谐振频率为工作频率电容大小使得谐振频率为工作频率13.56 13.56 MHzMHz。那么此时，通过此谐振电路，读写。那么此时，通过此谐振电路，读写器可将能量传输至射频卡。器可将能量传输至射频卡。第12页/共34页线圈天线的电感取值由谐振频率的公式由谐振频率的公式 可知天线可知天线的工作频率（谐振频率）与的工作频率（谐振频率）与L L、C
10、 C有关。有关。天线尺寸越大，线圈的电感天线尺寸越大，线圈的电感LantLant就越大，相就越大，相对的调谐电容对的调谐电容C C则需减小。在谐振频率为则需减小。在谐振频率为13.56 MHz 13.56 MHz 时时,如果天线的电感超过如果天线的电感超过5H 5H 时，时，电容电容CantCant的取值很小，这使得调谐电容的的取值很小，这使得调谐电容的匹配变得很困难。所以，电感的取值范围在匹配变得很困难。所以，电感的取值范围在0.50.53H3H，电容匹配较容易实现，实际设，电容匹配较容易实现，实际设计中，电感一般取计中，电感一般取1212 HH第13页/共34页带宽/Q值要求 Q值分别取多
11、少？值分别取多少？第14页/共34页如何调整带宽/Q值串联谐振：等效电路的串联谐振：等效电路的r r、L L决定工作带宽决定工作带宽工作于串联谐振时，增加电阻工作于串联谐振时，增加电阻r r值可以增加值可以增加带宽、降低带宽、降低QQ值；即串联谐振电路中，带宽值；即串联谐振电路中，带宽与串联电阻成正比，与串联电阻成正比，Q Q值与串联电阻成反值与串联电阻成反比。比。第15页/共34页如何调整带宽/Q值并联谐振：等效电路的并联谐振：等效电路的R R、C C决定工作带宽决定工作带宽工作于并联谐振时，减小电阻工作于并联谐振时，减小电阻R R值可以增加值可以增加带宽、降低带宽、降低QQ值；即并联谐振电
12、路中，带宽值；即并联谐振电路中，带宽与并联电阻成反比，与并联电阻成反比，Q Q值与并联电阻成正值与并联电阻成正比。比。第16页/共34页第部分小结l线圈天线等效于电感，增加天线线圈匝数和面积可以增加电感值，使得线圈天线等效于电感，增加天线线圈匝数和面积可以增加电感值，使得天线工作距离更远，但如果天线的等效电感值太大，使得天线工作于天线工作距离更远，但如果天线的等效电感值太大，使得天线工作于13.56MHz谐振点时，对应的电容值大小，不易购买到匹配的电容元件谐振点时，对应的电容值大小，不易购买到匹配的电容元件l调整匹配电路中的电容值，可以调整天线的工作频率；调整串联调整匹配电路中的电容值，可以调
13、整天线的工作频率；调整串联/并联并联电阻值，可以调整天线的电阻值，可以调整天线的Q值值第17页/共34页线圈天线的设计要求和设计步骤第18页/共34页四点基本要求一、天线电流一定情况下，天线线圈能产生较大的磁通量，满足一定的工作距离一、天线电流一定情况下，天线线圈能产生较大的磁通量，满足一定的工作距离l l增大线圈的匝数和面积，能够产生较大的磁通，工作更远的距离，设计时，增大线圈的匝数和面积，能够产生较大的磁通，工作更远的距离，设计时，天线的面积通常是受天线的面积通常是受限的，所以通过增加匝数来满足感值和工作距离要求限的，所以通过增加匝数来满足感值和工作距离要求l l增大线圈的匝数和面积，等效
14、感值也随之增大，太大的感值不易于找到合适的电容元件增大线圈的匝数和面积，等效感值也随之增大，太大的感值不易于找到合适的电容元件l l综合考虑以上综合考虑以上2 2点，感值通常设计在点，感值通常设计在 12uH 12uH左右左右第19页/共34页四点基本要求二、线圈天线和电容构成的二、线圈天线和电容构成的LCLC谐振回路谐振回路中心频率调谐在中心频率调谐在13.56MHz13.56MHz三、足够的带宽，可以无失真地传送用于数据调制的副载波信号三、足够的带宽，可以无失真地传送用于数据调制的副载波信号l l带宽受天线带宽受天线QQ值影响，通过在天线匹配电路中串联值影响，通过在天线匹配电路中串联/并联
15、电阻来达到带宽要求并联电阻来达到带宽要求l l I ISO14443:BW=1.921MHzSO14443:BW=1.921MHz，Q 10Q 10l l ISO15693:BW=0.914MHz ISO15693:BW=0.914MHz，Q 20Q 20四、功率匹配，即最小的能量损耗，最大程度利用阅读器输出的可用能量四、功率匹配，即最小的能量损耗，最大程度利用阅读器输出的可用能量l l通过匹配电路设计，达到共轭匹配，从而使得传输到天线线圈的能量最大通过匹配电路设计，达到共轭匹配，从而使得传输到天线线圈的能量最大l l可以借助于可以借助于SmithSmith圆图来设计共轭匹配电路圆图来设计共轭
16、匹配电路第20页/共34页三个设计步骤第一步：第一步：线圈线圈天线天线的的初始尺寸初始尺寸设计设计l l一是通过公式计算线圈的近似感值一是通过公式计算线圈的近似感值l l二是通过仿真软件，如二是通过仿真软件，如HFSSHFSS、CSTCST、ADSADS等仿真分析给出电感值等仿真分析给出电感值LantLant，通过仿真软件还可以分析给出线圈等效电路中的，通过仿真软件还可以分析给出线圈等效电路中的CantCant，Rs_antRs_ant，以及，以及等效的并联谐振电阻等效的并联谐振电阻Rp_antRp_ant 第二步：线圈天线的参数测量第二步：线圈天线的参数测量l l阻抗分析仪、矢量网络分析仪测
17、试阻抗分析仪、矢量网络分析仪测试l l测量等效电感值、损耗电阻测量等效电感值、损耗电阻Rs_antRs_ant，寄生电容，寄生电容CantCant，并联谐振电阻，并联谐振电阻Rp_antRp_ant 第三步：匹配电路设计和调试第三步：匹配电路设计和调试l l根据需要的带宽或根据需要的带宽或QQ值确定并联值确定并联/串联电阻值串联电阻值l l调试匹配电容，使得谐振频率为调试匹配电容，使得谐振频率为13.56MHz13.56MHz，同时和芯片阻抗达到共轭匹，同时和芯片阻抗达到共轭匹配配第21页/共34页第一步：线圈天线的初始尺寸设计设计要求设计要求l l在天线电流一定情况下，天线线圈能产生较大的磁
18、通量，满足一定的工在天线电流一定情况下，天线线圈能产生较大的磁通量，满足一定的工作距离作距离设计需要考虑的因素设计需要考虑的因素l l天线的等效电感值通常设计在天线的等效电感值通常设计在12uH12uH左右。左右。l l天线的面积通常是受限的，所以在可用面积一定的情况下，可用通过增天线的面积通常是受限的，所以在可用面积一定的情况下，可用通过增加匝数来满足感值和工作距离的要求加匝数来满足感值和工作距离的要求第22页/共34页第一步：线圈天线的初始尺寸设计设计方法设计方法l l确定天线的形状和匝数，根据公式计算线圈的电感值确定天线的形状和匝数，根据公式计算线圈的电感值l l线圈电感值也可以使用线圈
19、电感值也可以使用HFSSHFSS、CST CST、ADS ADS等电磁软件仿真计算等电磁软件仿真计算第23页/共34页第二步：线圈天线的参数测量需要测量的参数需要测量的参数l l电感值电感值LantLant、寄生电容、寄生电容CantCant、欧姆损耗电阻、欧姆损耗电阻Rs_antRs_ant、并联谐振电阻、并联谐振电阻Rp_antRp_ant测试仪器测试仪器l l阻抗分析仪或者矢量网络分析仪阻抗分析仪或者矢量网络分析仪l l矢网的测试频率范围可以设置为矢网的测试频率范围可以设置为1MHz100MHz1MHz100MHz，通过矢网可以直接测，通过矢网可以直接测量量13.56MHz13.56MH
20、z的欧姆损耗电阻的欧姆损耗电阻Rs_antRs_ant、电感值、电感值LantLant、自谐振频率、自谐振频率FraFra和自和自谐振并联阻抗谐振并联阻抗RpRp第24页/共34页第三步：匹配电路的设计和调试有效的利用有效的利用Smith ChartSmith Chart工具可以简化匹配电路的设计，抛弃繁琐的公工具可以简化匹配电路的设计，抛弃繁琐的公式计算式计算射频电路多工作于射频电路多工作于5050欧姆，所以本课程主要介绍如何利用欧姆，所以本课程主要介绍如何利用Smith Smith ChartChart把设计匹配电路，把线圈天线匹配把设计匹配电路，把线圈天线匹配5050欧姆电路系统欧姆电路
21、系统第25页/共34页第三步：匹配电路的设计和调试串联匹配串联匹配第26页/共34页第三步：匹配电路的设计和调试并联匹配并联匹配第27页/共34页第三步：匹配电路的设计和调试利用利用SmithSmith圆图设计匹配电路圆图设计匹配电路l l匹配电路中，串联匹配电路中，串联/并联电阻用于调试天线的并联电阻用于调试天线的QQ值值/带宽；电容带宽；电容C1C1、C2 C2用于把谐振频率调整到用于把谐振频率调整到13.56MHz13.56MHz，把天线阻抗调整到共轭，把天线阻抗调整到共轭匹配匹配l l匹配电路中，电阻值可以根据匹配电路中，电阻值可以根据QQ值值/带宽要求直接计算，带宽要求直接计算，C1
22、 C1、C2C2值可以利用值可以利用SmithSmith圆图工具确定圆图工具确定l lSmithSmith圆图工具：圆图工具：Smith 2.0 Smith 2.0，ADS ADS、Microwave Office Microwave Office第28页/共34页匹配电路的设计实例第29页/共34页设计实例l实例演示借助于实例演示借助于Smith圆图设计匹圆图设计匹配电路的全过程配电路的全过程l假设测量得到线圈的参数：假设测量得到线圈的参数：Rs_ant=0.2 ohm，Lant=1uHl假设天线的假设天线的Q值设计为值设计为10，匹配到，匹配到50欧姆阻抗欧姆阻抗l则：则：Rs_match
23、=L/Q-Rs_ant=8.3 ohm第30页/共34页课程总结第31页/共34页课程总结课程主要讲述了课程主要讲述了13.56MHz RFID13.56MHz RFID天线及其匹配电路的设计，内容包括：天线及其匹配电路的设计，内容包括：天线设计天线设计l l线圈天线，通过近场耦合传输信号，等效为一个电感线圈天线，通过近场耦合传输信号，等效为一个电感l l线圈面积、匝数越大，等效感值越大，耦合能量越大，传输距离越远线圈面积、匝数越大，等效感值越大，耦合能量越大，传输距离越远l l天线需要在天线需要在13.56MHz13.56MHz的谐振，太大的感值导致调谐电容太小，所以通常感值设的谐振，太大的
24、感值导致调谐电容太小，所以通常感值设计在计在12uH12uH左右左右l l可以通过近似公式和专业软件（如可以通过近似公式和专业软件（如HFSSHFSS，CSTCST）来分析计算线圈的感值）来分析计算线圈的感值天线带宽和天线带宽和QQ值值l l由由ISO 14443 A/BISO 14443 A/B，ISO 15693 ISO 15693 国际标准可以分析得出相应的工作带宽国际标准可以分析得出相应的工作带宽l l并联谐振并联谐振 ，串联谐振：，串联谐振：l l所以调整匹配电阻可以调整天线的带宽和所以调整匹配电阻可以调整天线的带宽和QQ值值第32页/共34页课程总结匹配电路设计匹配电路设计l l使用矢网使用矢网/阻抗分析仪可以测量计算给出天线线圈的等效电路阻抗分析仪可以测量计算给出天线线圈的等效电路l l根据需要的工作带宽或根据需要的工作带宽或QQ值可以确定匹配电路中的电阻值值可以确定匹配电路中的电阻值l l借助于借助于Smith ChartSmith Chart可以很方便的确定匹配电路中的可以很方便的确定匹配电路中的C1C1和和C2C2值值第33页/共34页