读卡器天线调试

上海复旦微电子股份有限公司工艺文件 FM XT GY­TS NB0307 NB0307 读写器天线设计和调试作业指导书编制: 日期: 审核: 日期: 标准化：日期：批准: 日期: 发行版本：上海复旦微电子股份有限公司中国上海上海复旦微电子股份有限公司工艺文件 NB0307 读写器天线设计和调试作业指导书发行版本：第 A 版 FM XT GY­TS NB0307 第 1 次修改第 2 页共 17 页 1. 目的与适用对象本规范说明是产品调试指导性规范文件，适用于NB0307读写器芯片测试机直接连接天线（无电缆）设计及调试过程。 2. 调试设备 1) 已装配的NB0307 读写器芯片测试机 1 台及非接触卡1 张； 2) 信号源（输出 f=13.56MHz，功率 10dbm）1 台； 3) 高频 Q 表1 台； 4) 数字万用表(四位半)1 台； 5) 示波器 1 台（带宽最少 50MHz，两通道）； 6) PC 机 1 台； 7) 上位机软件1 套。 3. 调试环境的要求 1) 温度室温，保持恒定； 2) 调试周围应无金属物体。 4. NB0307天线设计及测试4.1.NB0307天线原理 NB0307 项目是针对本公司即将推出的 FM222 非接触读写芯片（其功能与 PHILIPS 公司的 RC531 系列非接触读写芯片全兼容）而开发的一种芯片功能测试产品。它能够成功地在无外界放大的情况下作用距离可以达到 100 毫米（由天线结构决定），设计规则和参数符合 ISO14443、ISO15693 和 I­Code 标准。一个完整的天线设计包括天线线圈，谐振电路，匹配电路，接收电路及 EMC 滤波电路。原理框图见图 1 所示。4.2.NB0307天线电路 NB0307 天线完整的电路包括 8 个电容，2 个电感，2 或 4 个电阻和对称的天线线圈。见图 2 所示。上海复旦微电子股份有限公司工艺文件 NB0307 读写器天线设计和调试作业指导书发行版本：第 A 版 FM XT GY­TS NB0307 第 1 次修改第 3 页共 17 页FM222(其它读卡芯片）接收电路EMC滤波电路RXTX500欧姆匹配匹配天线长度〈10CM图 1 完全匹配天线原理框图（匹配到 500 欧姆）TX1R1C3R2C4VMIDRXAVSSTX2TVSSFM222LOLOCOCOC1aC1bC2bC2aRextRextRcolRcolLaLbGND图 2 完整天线电路电路中参数说明元器件描述 La、Lb、Rcoil 天线线圈固有电感，电阻。 Rext 调整品质因数所外接的电阻，并且要计算其损耗。 C0..C3 用低公差、SMD 封装（0805、0603、0402）。 C1a、C1b、C2a、C2b 用低公差、SMD 封装（0805、0603、0402）。 C4 XR7 电容器。 L0 自感系数小，高Q 的电感，并且满足频率范围和最大的灌入电流。 R1、R2 用 SMD 封装（0805、0603、0402）。上海复旦微电子股份有限公司工艺文件 NB0307 读写器天线设计和调试作业指导书发行版本：第 A 版 FM XT GY­TS NB0307 第 1 次修改第 4 页共 17 页 5. NB0307基本参数设计根据已确定参数来设计非接触卡天线电路参数，按照以下来确定非接触卡天线电路的参数。l设计天线线圈，测量电感 L、电阻 R 和品质因数（见章节 5.2）；l根据天线电感，计算谐振电容来设计谐振电路（见章节 5.3­5.5）；l计算外接电阻来调整谐振电路（见章节5.6）；l连接谐振电路到 EMC 低通滤波电路的输出，来检查天线谐振性能（见章节 5.7）；l检查并调整品质因数（见章节5.8）；l检查并调整接收电路（见章节5.9）。5.1.已给定参数TX1R1C3R2C4VMIDRXAVSSTX2TVSSFM222LOLOCOCOGND12z图 3 已给定电路参数（EMC 滤波和匹配电路）为了减少天线电路设计参数的数量，所以给定以下已确定的参数，主要是发射支路和接收支路的匹配电路中参数，见图 3 所示。l L0= 1uH（TDK NL322522T­1R0J）；l C0=100PF=2´50pF（陶瓷 NP0，公差小于正负2%）；l C3=15PF（陶瓷 NP0，公差小于正负 10%）；l C4=0.01uF（陶瓷 NP0，公差小于正负10%）；l R1=470W­­­2.7KW（根据天线线圈的值来确定见章节 4.9）；l R2=820W；l Zant=Z=500W。上海复旦微电子股份有限公司工艺文件 NB0307 读写器天线设计和调试作业指导书发行版本：第 A 版 FM XT GY­TS NB0307 第 1 次修改第 5 页共 17 页5.1.1.分析给定参数电路接收电路见章节 4.9，在这里我们主要分析发射支路匹配电路 EMC 滤波器。实践中对阻抗匹配网络提出以下三个要求： 1) 实现将负载变换为功率管所要求的匹配负载阻抗，以保证射频功率管能输出所需的功率； 2) 能完成滤除不需要的各次谐波分量，以保证负载上能获得所需频率的功率； 3) 匹配网络的损耗要小，既网络的功率传输效率要尽可能的高。匹配网络很多，有 L 型、T 型、Π型还有电感耦合匹配网络，由 FM222 芯片输出特性知道，输出负载为 15W­­­20W，要匹配到 500W。采用 L 型 2 节匹配网络。图 4 为 L 型匹配网络的模型，X1、X2 是两个异性电抗元件，通常 X1 为电容元件，而 X2 为电感元件。这种匹配网络结构简单，只适合用于 RS〈R L 的匹配情况。X2X1RsLRLR)(Rs图 4  L 型匹配网络 1 2 1 X R R X R R Q L S S L e==-= S L S L e L R R R R Q R X-== 1 ) ( 2 S L S S e R R R R Q X-==其中 e Q 为匹配网络的品质因素，X1 为电容元件，X2 为电感元件。由上面公式就可以推倒出 L0、C 0 ) ( 2 2 0 0 S L S R R R X L L X-==Þ´= S L S L R R R R X C C X-´´=´=Þ´= 1 1 1 1 1 0 0上海复旦微电子股份有限公司工艺文件 NB0307 读写器天线设计和调试作业指导书发行版本：第 A 版 FM XT GY­TS NB0307 第 1 次修改第 6 页共 17 页取W=15 S R ，W=500 L R ， f´=pw 2 ， f 为工作频率 13.56MHz。根据上面的计算公式，计算出电感 L0 为 1uH，电容 C0 为 133PF。图 5 为 EMC 滤波器的幅频特性其中红颜色的是 S21，绿颜色的是 S22。此时仿真结果只作为参考。实际调试结果 L0 为 1uH，电容 C 0 为 100PF 图 5 EMC 滤波器的幅频特性5.2.天线线圈的设计和测试5.2.1.射频卡和读写器的能量信息交换及互感原理能量的传送为单向，数据的传送则为双向。读写器上的天线和卡上的天线可以看成一互感系统，天线线圈结构也可以解释为变压器（变压器耦合），设读写器上天线和卡上天线的互感系数为M，则根据互感原理得到：F= 1 N MI 式中： 1 N 为非接触卡中天线线圈圈数，F为穿过卡上天线中的磁通量，I为流过读写器天线的电流。设天线是半径为R的圆形，根据毕奥-沙伐尔定律，在过圆形天线圆心且垂直天线平面的线轴上的磁感应强度为： 3 2 2 2 1 0 ) ( 2 X R R IN B+=m其中： R 为读写器上天线的半径， 1 N 为读写器天线线圈圈数， X 为非接触卡上天线到读写器上天线的距离，I为流过读写器天线的电流，上海复旦微电子股份有限公司工艺文件 NB0307 读写器天线设计和调试作业指导书发行版本：第 A 版 FM XT GY­TS NB0307 第 1 次修改第 7 页共 17 页 ) / ( 10 4 1 2 7 2 0 0 A N c-´==pem为真空磁导率。由法拉第定律知道，感应电动势 dt d N VF-=，而磁通量ò×=F dS B 。非接触卡天线上的感应电动势ò×-=F-= ) ( 2 21 2 dS B dt d N dt d N Vúúúûùêêêëé×+-= dS X R R N i u dt d N 2 3 2 2 2 1 1 0 2 ) ( 2 dt di X R S R N N u 1 2 3 2 2 2 2 2 1 0 ) ( 2úúúûùêêêëé+-= dt di M 1-= 0 2 2 2 2 B Q S fN´»p其中： f 为传输信号的频率， 2 N 为非接触卡中天线线圈圈数， 2 S 为非接触卡中天线线圈的面积， 2 Q 为非接触卡中天线的品质因数， 0 B 距读写器天线 X 处的磁场强度。互感系数为： 2 3 2 2 2 2 1 0 ) ( 2 X R S R N N M+=m其中： R 为读写器上天线的半径， 1 N 为读写器上天线线圈圈数， 2 N 为非接触卡中天线线圈圈数， 2 S 为非接触卡中天线线圈的面积， X 为非接触卡上天线到读写器上天线的距离， 1 i 为流过读写器天线的电流， ) / ( 10 4 1 2 7 2 0 0 A N c-´==pem为真空磁导率。5.2.2.天线的物理实现和等效电路读写器中的天线用于产生磁通量，而磁通量用于向非接触卡片提供电源并在读写器与非上海复旦微电子股份有限公司工艺文件 NB0307 读写器天线设计和调试作业指导书发行版本：第 A 版 FM XT GY­TS NB0307 第 1 次修改第 8 页共 17 页接触卡之间传送信息。因此，对读写器天线的构造有以下几个基本要求： 1) 使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量； 2) 功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量；3)足够的带宽，以无失真地传送用数据调制的载波信号。根据互感原理可知，半径越大，圈数越多，读写器上天线和卡上的天线的互感系数就越大，耦合系数也就越大，这样读写器和非接触卡片的通信距离就越大。根据国际标准，非接触卡和读写器的通信距离为 10cm。一般来说读写器的天线的半径约等于通信距离。天线的等效电路见 6 所示，天线电感 L=La+Lb 和串联电阻 R L=2*Rcoil。设计好 PCB 板天线后，可用阻抗分析仪或 LCR 测试仪（HP4258）谐振频率在 F=13.56MHz 从 A 点和 B 点之间测量得到天线的电器参数 L 和 R。天线线圈参数一般介于以下数值之间 L=La+Lb=300nH…2uH RL=2´Rcoil=0.5…5W5.2.3.PCB板天线电感、圈数、半径之间的关系图 6 天线线圈等效电路和天线电感与圈数、半径的关系天线线圈等效电路见图 6 的左图所表示，右图表是 PCB 天线电感、圈数和半径之间的关系。图 5 中右上图表示，天线半径和电感的关系。蓝颜色的线表示天线半径小于 5cm 和电感的关系；红颜色的线表示天线半径大于 5cm 和电感的关系。图 5 中右下图表示，天线半径和圈数的关系。当天线半径小于 5cm（蓝颜色）时，圈数为 2；天线半径大于 5cm（蓝颜色）时，圈数为 1 这两幅图说明了画 PCB 天线的规则，当要实现相同的电感值，如果 PCB 天线半径大于 5cm，只需 1 圈就可以满足；当 PCB 天线半径小于 5cm，要得到相同的电感值，就需要 2 圈才可以实现。上海复旦微电子股份有限公司工艺文件 NB0307 读写器天线设计和调试作业指导书发行版本：第 A 版 FM XT GY­TS NB0307 第 1 次修改第 9 页共 17 页5.2.4.PCB天线线圈电感的理论计算PCB天线有圆形和矩形两种情况，线圈电感计算公式如下： 8 1 ) ) ] [ ] [ (ln( ] [ 2 ] [ 。 N K mm D mm l cm l nH L´-´´=其中：L为天线线圈的电