單端NFC設備搭載多路單端NFC天線的設計方法

摘? 要：NFC是一種近距離識別技術，在當前市面上使用極其廣泛，NFC方案多采用NFC模塊集成NFC差分天線的設計方式。而對于新應用場景，如餐飲智能柜，要求在智能柜可以實時監測柜中各個位置是否存在粘貼NFC標簽的物品。如果采用傳統NFC設計方式，需要采用多個NFC識別模塊，造成整體方案的成本急劇上升。本文中提出了一種采用一臺NFC設備搭載多路NFC天線的高性能匹配設計方案。

關鍵詞：NFC;單端NFC;多路NFC天線

Abstract：NFC is a close-range identification technology，which is widely used in the current market. The NFC scheme mostly uses NFC module to integrate the design of NFC differential antenna. For new application scenarios，such as restaurant smart cabinet，it is required that the smart cabinet can real-time monitor whether there are items pasted with NFC labels in each location of the cabinet. If the traditional NFC design is adopted，multiple NFC recognition modules are needed，resulting in a sharp increase in the cost of the overall scheme. In this paper，a high-performance matching design scheme for a multi-channel NFC antenna mounted on a single NFC device is proposed.

Keywords：NFC;single-ended NFC;multiple NFC antenna

0? 引? 言

NFC技術在當下時代應用廣泛[1]，已演變了多種應用場景，如門鎖、手機支付、玩具、共享單車等。這些場景的應用中，NFC芯片與天線之間采用常規差分饋電方式，并且局限在較小的面積內。目前新興場景，如智能書架、智能文件柜、智能取餐柜等，要求單片NFC識別芯片能夠帶載多個NFC天線，實現對多個方位的識別。本文中提出了一種較為新穎的NFC應用方式，通過采用多路射頻開關的切換功能來實現單NFC設備對多NFC天線的應用，并詳細論述了單端NFC天線的設計以及單端NFC設備與單端NFC天線的匹配設計。

1? 單端NFC天線設計

1.1? 單端設計的原因

單端設計是為了簡便地傳輸信號，當信號需要從一塊板傳輸到另一塊板的時候，單端傳輸方式明顯比差分傳輸更簡便，且更經濟。差分傳輸的優點在于對信號的抗干擾能力更強，但在部分場景下難以使用，比如在需要延長線的場景下，以及多路切換的情況下。

NFC天線在距離NFC設備較遠的一種場景如圖1所示。通過同軸饋線將NFC天線拉遠進行NFC標簽的識別。在這種情況下，一般要求進行NFC單端傳輸。目前幾乎所有NFC天線，以及NFC芯片都是采用差分輸入輸出設計方式，而較為經濟的同軸饋線阻抗一般為單端50歐，如果直接進行連接，那么會大幅度降低NFC的識別性能，甚至無法識別。因此需要考慮進行差分NFC天線的單端化設計，以及NFC芯片的單端化設計，并進行功率輸出匹配，從而達到高性能識別的目的[2]。

1.2? 線圈天線設計

設計一個合理的線圈天線，如圖2所示，線圈天線設計主要需考慮的參數為：讀取距離、天線Q值、線圈電感。選定這些參數，然后確定天線尺寸以及匹配。

1.4? 天線測量

使用矢量網絡分析儀測量實際匹配后的天線，通常我們可以得到1.5以下的駐波，這說明天線在13.56MHz處已經匹配很好了，但是為了保證天線能夠滿足ISO14443協議的傳輸，需要確定天線帶寬能夠滿足2MHz要求，即Q值滿足要求7。

具體測量天線帶寬的方法可以采用兩根設計的NFC天線，一根接信號源，一根接頻譜儀，將兩根天線固定好相對位置，NFC天線帶寬測試方案如圖5所示，必須保證在測量中天線位置不能被移動。信號源發出一個固定功率的掃頻信號（8.56MHz～18.56MHz）。

在本實例中，實測BW=2.619MHz>2MHz，滿足設計要求。

除此測量天線帶寬的方式之外，還有一個經驗法則，Return loss的-10dB帶寬的兩倍即是天線的實際傳輸帶寬。

2? 單端NFC識別電路匹配設計

2.1? 多通道NFC設備框架介紹

多通道NFC設備是針對智能餐飲柜的一套解決方案，原理是采用1個NFC芯片搭載多個天線去輪詢讀取標簽，確認商品是否被拿走。具體切換通過采用多路射頻開關來切換各通道，以此來進行輪詢掃描。

文中提出的設計思路，電路構成大體如圖6所示。在標準平衡系統中的NFC電路無法應用遠距離天線的情況下，采用單端傳輸方式，以達到延長NFC設備與NFC天線的距離的目的。實施為在平衡電路基礎Match電路后增加了Balun電路，將信號轉為單端信號，輸出到多路射頻開關，再通過多路射頻開關以及同軸電路傳輸給NFC天線。

市面上通常的NFC產品的天線一般做在一塊PCB板上，部分也有通過拉線傳輸的，但是天線距離NFC設備通常不超過20cm。文中介紹的是一種能夠通過同軸線纜拉長3m甚至5m遠還能夠正常讀取5cm范圍內標簽的應用場景。

TX鏈路設計步驟：

（1）確定TX端的目標阻抗;

（2）LPF電路設計，確定截止頻率;

（3）Match、Balun電路設計，綜合仿真;

（4）焊接器件實際測量阻抗;

（5）實測盤點標簽。

2.2? 確定TX端的目標阻抗

NFC的TX鏈路不同于平常無線產品的TX鏈路，不能完全用功率來考量。根據NFC天線的工作原理可以知道，NFC天線并非傳統的半波偶極子或者單極子天線，它應該被當做一個耦合線圈來看待。所以在天線尺寸確定的情況下，以安倍定律以及磁通量計算公式來看，當電流越大的時候，通過線圈的磁通量會越大，則線圈天線覆蓋的磁場范圍就越大。

磁感應強度與磁通量計算公式：

由此可見，為了讓線圈天線上的電流更大，TX鏈路的阻抗應該盡可能小。當然如果不太注重讀取范圍這個因素，而是用在低功耗場景下，那么該阻抗也需要盡可能大。最終的選擇還是需要根據使用的NFC芯片來確定，一般NFC芯片會給出一個阻抗范圍，比如20Ω～80Ω，本文中選取20Ω為例。

2.3? LPF電路設計，確定截止頻率

LPF電路的作用是濾除二次和更高次的諧波能量，主要是為了設備的EMC能力更好。通常截止頻率的選取范圍為14.5MHz～22MHz，主要在確定LPF不會對本次頻率有影響的同時能夠更好地濾除二次諧波。

LPF電路的電感L0的選擇范圍大體在330nH～560nH，并且電感L最好遵循小于二分之一的天線線圈電感的要求。這里選擇330nH作為例子，需要注意電感的選擇還需要考慮電流，故此這里選擇大電流系列電感。確定截至頻率FC，也確定了電感L0，那么電容C0也可以計算出來了。

截至頻率選擇18.6MHz（盡量靠中間，確認對13.56 MHz無影響），計算C0為220pF。

2.4? Match、Balun電路設計，綜合仿真

在Match電路確定之前，先確定Balun電路，LC巴倫電路是用來平衡轉不平衡的一個裝置，可以根據其前后阻抗計算L和C的值，這里單端阻抗50Ω，差分阻抗因為沒確定匹配網絡，所以根據LPF電路來確定，NFC芯片阻抗2Ω（本文中選用PN7462AU芯片為例）經過LPF電路后，實部阻抗變為8Ω左右，所以Balun電路差分阻抗選擇16Ω，如圖7所示。

經過計算Balun電路L為330nH（應用在TX端的大電流電感不易尋找，盡量與LPF電感相同，更便于生產），C為415pF，但是由于單個電容沒有415pF的，就近選擇390pF電容，如圖8所示。

Balun電路確定了，最后還需要確定Match電路，Match電路的確定可以借助仿真軟件，或者直接采用調整匹配的方式（整體TX鏈路調整到20Ω，差分一端接矢量網絡分析儀的信號線，另一端接矢量網絡分析儀的GND，即矢量網絡分析儀的GND不與板上的GND相連）。

下面介紹采用ADS仿真Match電路[4]。

ADS仿真的時候模型需要確認清楚，這里極易犯的一個錯誤就是，將測試GND與中間的信號GND混淆了，連到一起去了，導致仿真與實際的極大不同。實際在用矢量網絡分析儀測量的時候，儀器的GND接到差分端的另一端，這一點在電路中并不與板上的GND相連，所以需要注意，NFC芯片TX鏈路在ADS中的模型電路圖和NFC芯片TX鏈路實際電路圖（去掉RX）如圖9和圖10所示。

具體仿真可以先采用理想器件調諧優化確定好器件的大體值后，再帶入實際器件，這里需要說明下，LPF電路因為距離Match以及后面的Balun電路過近，所以很容易影響后續電路的阻抗，電容C0還會有優化，但是在優化過程中需要注意LPF電路的截止頻率不應超過14.5MHz～ 22MHz這個范圍。Balun的電容也同樣會進行優化，其主要用來調整阻抗的實部，電容值越小，目標阻抗越往高頻偏;值越大，目標阻抗越往低頻偏。Balun電容值過小和Balun電容值過大的情況如圖11和圖12所示。

所以選擇合適的值非常重要，并且采用仿真的方式來調整這類非尋常匹配方式的電路也是很有幫助的。最后通過調諧優化，帶入實際器件仿真得出合適的阻抗。帶入實際器件值仿真效果如圖13所示。

3? 實測單端NFC電路阻抗

依據仿真得出的實際器件值，焊接到PCB板上，用矢量網絡分析儀測量電路整體阻抗，檢查是否符合要求。實際測量時再次進行提醒，注意矢量網絡分析儀直接接到TX1和TX2端口，其中TX1接矢量網絡分析儀的信號線，TX2接矢量網絡分析儀GND。到此基本已經完成了匹配設計，目標阻抗20Ω是在芯片輸出最大電流的情況下，現在實際設計到26Ω，雖然沒到20Ω，但是卻可以更好地保護和防止NFC芯片在天線端受金屬等物體影響阻抗變小，從而導致NFC芯片輸出電流過大，導致出現燒毀的情況。

4? 結? 論

本文論述了如何設計射頻饋線拉遠的NFC單端匹配優化方案，給出調試測試方案，并完成實際PCB板子制作。經過驗證，NFC設備接上3m饋線后再接上NFC天線，可以讀取距離標簽8cm外的ISO14443協議白卡。綜上所述，這種單端NFC設備搭載多路單端NFC天線的設計是可行的，也是必要的，在進行良好匹配設計時，達到差分短距直接匹配的效果。在當前NFC技術的廣泛應用下，探討NFC技術新的應用場景是迫切需要的，也是技術演變之路上必須的。

參考文獻：

[1] ISO/IEC 14443-1，Identification cards. Contactless integrated circuit cards. Proximity cards. Physical characteristic [S].ISO，2016.

[2] [德]Klaus Finkenzeller 著.射頻識別技術原理與應用 [M].王俊峰，宋起柱，彭瀟，等譯，北京：電子工業出版社，2015.

[3] 恩智浦.PN7462 family Antenna design guide [N/OL].https：//www.nxp.com，2019-05-20.

[4] 立功科技.設計MF RC500的匹配電路和天線的應用指南 [N/OL].http：//www.zlgmcu.com，2019-05-20.

作者簡介：陳建祥（1985.04-），男，漢族，福建福州人，本科，中級工程師，研究方向：無線通信，包含WLAN、物聯網、移動通信、無線AI優化等。