2015年-射頻識別技術(shù)-第4章-13.56MHz設(shè)計實例

2015年_射頻識別技術(shù)-第4章_13.56MHz設(shè)計實例第一頁，共34頁。背景現(xiàn)在13.56MHz無線智能卡應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，像二代身份證、手機支付、校園一卡通、公司員工工卡都是使用13.56MHz無線智能卡技術(shù)對于13.56MHz無線智能卡，其天線基本都是采用都是下圖所示線圈天線第二頁，共34頁。本課程內(nèi)容本課程詳細介紹了13.56MHz線圈天線及其匹配電路的設(shè)計和調(diào)試，包括線圈天線工作原理線圈天線設(shè)計匹配電路設(shè)計第三頁，共34頁。13.56MHzRFID標準、天線簡介第四頁，共34頁。13.56MHzRFID國際標準ISO/IEC14443：TypeA，TypeBISO/IEC15693ISO–InternatinalOrganizationforStandardization,國際標準化組織IEC–InternationalElectrontechnicalCommission,國際電子科技化委員會第五頁，共34頁。ISO14443和ISO15693的區(qū)別ISO14443A/B:超短距離非接觸式IC卡標準，該標準訂出讀取距離<20cm的短距離非接觸IC卡的功能及運作標準。TYPEA,TYPEB通信速率為106kbit/s，采用847.5kHz的副載波技術(shù)，它們的不同主要在于載波的調(diào)制深度及位的編碼方式。TypeA——手機支付，校園一卡通TypeB——二代身份證ISO15693:短距離非接觸式IC卡標準，這標準訂出讀取距離可高達1米非接觸IC卡。 第六頁，共34頁。三種協(xié)議副載波調(diào)制下的頻譜圖第七頁，共34頁。13.56MHzRFID天線和UHF天線的區(qū)別UHF天線是通過向空中輻射電磁波來傳輸電磁信號，天線工作于遠區(qū)場，為了能把電磁信號輻射到空中，天線的長度需要和工作波長相比擬例如常用的半波偶極子天線長度是?波長，對應(yīng)到13.56MHz的工作頻率，半波偶極子天線尺寸約為:11.06m13.56MHzRFID天線工作于近場區(qū)，通過電感耦合來傳輸電磁信號，可以看作是一個耦合線圈ISO14443-A/B工作距離只有10cm左右，ISO15693最遠工作距離也只有1m，遠小于22.12m的工作波長，通過電磁耦合進行電磁能量的傳輸?shù)诎隧?，?4頁。線圈天線工作原理1——安培定律以閉合圓環(huán)為例，在圓環(huán)沿著圓心的法線方向上，磁感應(yīng)強度大小可見線圈產(chǎn)生磁感應(yīng)強度：正比于線圈匝數(shù)和線圈面積，隨著距離的3次方衰減第九頁，共34頁。最佳天線尺寸以圓環(huán)天線為例，給出在工作距離r固定的情況下，磁感應(yīng)強度要使得在距離為r處通量有極大值，也就是是此處磁感應(yīng)強度B取得極大值，那么此時B相對于r導(dǎo)數(shù)應(yīng)該為零，可以求得此時第十頁，共34頁。線圈天線工作原理2——法拉第電磁感應(yīng)定律時變磁場穿過閉合空間會產(chǎn)生感應(yīng)電壓可見，在電流一定的條件下，欲讓天線線圈產(chǎn)生較大的電壓/磁通量，就必須增加天線線圈的匝數(shù)或增大天線的面積，這樣會增大天線線圈的電感第十一頁，共34頁。②線圈天線的等效電路第十二頁，共34頁。線圈天線的等效電路13.56MHzNFC/RFID線圈天線可以用圖示等效電路表示。線圈的電感為Lant、RS-ant為線圈的損耗電阻，Cant為線圈之間和連接器之間的寄生電容。要使得天線工作于13.56MHz，那么可以在天線外部并聯(lián)或者串聯(lián)一個電容，將電容與天線線圈組成LC諧振電路，調(diào)整并聯(lián)/串聯(lián)電容大小使得諧振頻率為工作頻率13.56MHz。那么此時，通過此諧振電路，讀寫器可將能量傳輸至射頻卡。第十三頁，共34頁。線圈天線的電感取值由諧振頻率的公式可知天線的工作頻率（諧振頻率）與L、C有關(guān)。天線尺寸越大，線圈的電感Lant就越大，相對的調(diào)諧電容C則需減小。在諧振頻率為13.56MHz時,如果天線的電感超過5μH時，電容Cant的取值很小，這使得調(diào)諧電容的匹配變得很困難。所以，電感的取值范圍在0.5～3μH，電容匹配較容易實現(xiàn)，實際設(shè)計中，電感一般取1~2μH第十四頁，共34頁。帶寬/Q值要求Q值分別取多少？第十五頁，共34頁。如何調(diào)整帶寬/Q值串聯(lián)諧振：等效電路的r、L決定工作帶寬工作于串聯(lián)諧振時，增加電阻r值可以增加帶寬、降低Q值；即串聯(lián)諧振電路中，帶寬與串聯(lián)電阻成正比，Q值與串聯(lián)電阻成反比。第十六頁，共34頁。如何調(diào)整帶寬/Q值并聯(lián)諧振：等效電路的R、C決定工作帶寬工作于并聯(lián)諧振時，減小電阻R值可以增加帶寬、降低Q值；即并聯(lián)諧振電路中，帶寬與并聯(lián)電阻成反比，Q值與并聯(lián)電阻成正比。第十七頁，共34頁。第②部分小結(jié)線圈天線等效于電感，增加天線線圈匝數(shù)和面積可以增加電感值，使得天線工作距離更遠，但如果天線的等效電感值太大，使得天線工作于13.56MHz諧振點時，對應(yīng)的電容值大小，不易購買到匹配的電容元件調(diào)整匹配電路中的電容值，可以調(diào)整天線的工作頻率；調(diào)整串聯(lián)/并聯(lián)電阻值，可以調(diào)整天線的Q值第十八頁，共34頁。線圈天線的設(shè)計要求和設(shè)計步驟第十九頁，共34頁。四點基本要求一、天線電流一定情況下，天線線圈能產(chǎn)生較大的磁通量，滿足一定的工作距離增大線圈的匝數(shù)和面積，能夠產(chǎn)生較大的磁通，工作更遠的距離，設(shè)計時，天線的面積通常是受限的，所以通過增加匝數(shù)來滿足感值和工作距離要求增大線圈的匝數(shù)和面積，等效感值也隨之增大，太大的感值不易于找到合適的電容元件綜合考慮以上2點，感值通常設(shè)計在1~2uH左右第二十頁，共34頁。四點基本要求二、線圈天線和電容構(gòu)成的LC諧振回路中心頻率調(diào)諧在13.56MHz三、足夠的帶寬，可以無失真地傳送用于數(shù)據(jù)調(diào)制的副載波信號帶寬受天線Q值影響，通過在天線匹配電路中串聯(lián)/并聯(lián)電阻來達到帶寬要求ISO14443:BW=1.921MHz，Q≈10ISO15693:BW=0.914MHz，Q≈20四、功率匹配，即最小的能量損耗，最大程度利用閱讀器輸出的可用能量通過匹配電路設(shè)計，達到共軛匹配，從而使得傳輸?shù)教炀€線圈的能量最大可以借助于Smith圓圖來設(shè)計共軛匹配電路第二十一頁，共34頁。三個設(shè)計步驟第一步：線圈天線的初始尺寸設(shè)計一是通過公式計算線圈的近似感值二是通過仿真軟件，如HFSS、CST、ADS等仿真分析給出電感值Lant，通過仿真軟件還可以分析給出線圈等效電路中的Cant，Rs_ant，以及等效的并聯(lián)諧振電阻Rp_ant第二步：線圈天線的參數(shù)測量阻抗分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試測量等效電感值、損耗電阻Rs_ant，寄生電容Cant，并聯(lián)諧振電阻Rp_ant第三步：匹配電路設(shè)計和調(diào)試根據(jù)需要的帶寬或Q值確定并聯(lián)/串聯(lián)電阻值調(diào)試匹配電容，使得諧振頻率為13.56MHz，同時和芯片阻抗達到共軛匹配第二十二頁，共34頁。第一步：線圈天線的初始尺寸設(shè)計設(shè)計要求在天線電流一定情況下，天線線圈能產(chǎn)生較大的磁通量，滿足一定的工作距離設(shè)計需要考慮的因素天線的等效電感值通常設(shè)計在1~2uH左右。天線的面積通常是受限的，所以在可用面積一定的情況下，可用通過增加匝數(shù)來滿足感值和工作距離的要求第二十三頁，共34頁。第一步：線圈天線的初始尺寸設(shè)計設(shè)計方法確定天線的形狀和匝數(shù)，根據(jù)公式計算線圈的電感值線圈電感值也可以使用HFSS、CST、ADS等電磁軟件仿真計算第二十四頁，共34頁。第二步：線圈天線的參數(shù)測量需要測量的參數(shù)電感值Lant、寄生電容Cant、歐姆損耗電阻Rs_ant、并聯(lián)諧振電阻Rp_ant測試儀器阻抗分析儀或者矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀矢網(wǎng)的測試頻率范圍可以設(shè)置為1MHz~100MHz，通過矢網(wǎng)可以直接測量13.56MHz的歐姆損耗電阻Rs_ant、電感值Lant、自諧振頻率Fra和自諧振并聯(lián)阻抗Rp第二十五頁，共34頁。第三步：匹配電路的設(shè)計和調(diào)試有效的利用SmithChart工具可以簡化匹配電路的設(shè)計，拋棄繁瑣的公式計算射頻電路多工作于50歐姆，所以本課程主要介紹如何利用SmithChart把設(shè)計匹配電路，把線圈天線匹配50歐姆電路系統(tǒng)第二十六頁，共34頁。第三步：匹配電路的設(shè)計和調(diào)試串聯(lián)匹配第二十七頁，共34頁。第三步：匹配電路的設(shè)計和調(diào)試并聯(lián)匹配第二十八頁，共34頁。第三步：匹配電路的設(shè)計和調(diào)試利用Smith圓圖設(shè)計匹配電路匹配電路中，串聯(lián)/并聯(lián)電阻用于調(diào)試天線的Q值/帶寬；電容C1、C2用于把諧振頻率調(diào)整到13.56MHz，把天線阻抗調(diào)整到共軛匹配匹配電路中，電阻值可以根據(jù)Q值/帶寬要求直接計算，C1、C2值可以利用Smith圓圖工具確定Smith圓圖工具：Smith2.0，ADS、MicrowaveOffice第二十九頁，共34頁。④匹配電路的設(shè)計實例第三十頁，共34頁。設(shè)計實例實例演示借助于Smith圓圖設(shè)計匹配電路的全過程假設(shè)測量得到線圈的參數(shù)：Rs_ant=0.2ohm，Lant=1uH假設(shè)天線的Q值設(shè)計為10，匹配到50歐姆阻抗則：Rs_match=ωL/Q-Rs_ant=8.3ohm第三十一頁，共34頁。課程總結(jié)第三十二頁，共34頁。課程總結(jié)課程主要講述了13.56MHzRFID天線及其匹配電路的設(shè)計，內(nèi)容包括：天線設(shè)計線圈天線，通過近場耦合傳輸信號，等效為一個電感線圈面積、匝數(shù)越大，等效感值越大，耦合能量越大，傳輸距離越遠天線需要在13.56MHz的諧振，