读卡器天线调试

=
-N2
dF 21 dt
=
-N2
d( dt
B × dS )
= -N2
d dt
é ê
u0i1 N1R 2
ê
3
êë 2(R 2 + X 2 ) 2
ù
×
dS
ú ú
úû
=
é -êê
êë
u0 N1 2(R 2
N2R +X
2 2
S2
3
)2
ù ú ú úû
di1 dt
= -M di1 dt
» 2p ´ fN2 S2Q2 B0
m0
=
1 e0c2
= 4p ´10-7 (N / A2 ) 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
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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；
5.1.已给定参数பைடு நூலகம்
FM222 RX
VMID AVSS TX1
TVSS
C4
R2
LO CO
CO
R1
C3
GND
1
z
TX2
LO
2
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）；
MI = N1F
式 中 ： N1 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：
B = m0 IN1R 2 2 (R2 + X 2)3
由 上 面 公 式 就 可 以 推 倒 出 L0、 C0
X2
=w
´ L0
Þ
L0
=
X2 w
=
RS (RL - RS ) w
X1 =
1 w ´ C0
Þ C0
=
1 w ´ X1
=
w ´ RL
1
´
RS
RL - RS
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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 PHILIP S 公 司 的 R C531 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 I­C ode 标准。
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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。
5. NB0307 基本参数设计
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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）。
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。
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X2
Rs
X1
RL (Rs<R L )
图 4 L 型匹配网络
Qe =
RL -1 = X 2 = RL
RS
RS X1
X1 = RL Qe
= RL
RS RL - RS
X 2 = Qe RS = RS (RL - RS )
其 中 Qe 为 匹 配 网 络 的 品 质 因 素 ， X1 为 电 容 元 件 ， X2 为 电 感 元 件 。
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取 RS = 15W ， RL = 500W ， w = 2p ´ f ， 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 S 21，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 C0 为 100PF
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5.1.1. 分析给定参数电路
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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。
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FM XT GY­TS NB0307
NB0307 读写器天线 设计和调试作业指导书
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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 15 W ­­­20 W ，要匹配到 500 W 。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〈 RL 的 匹 配 情 况 。
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。
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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 。
其 中 ： R 为 读 写 器 上 天 线 的 半 径 ， N1 为 读 写 器 上 天 线 线 圈 圈 数 ， N2 为 非
接触卡中天线线圈圈数， S2 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 ， i1 为 流 过 读 写 器 天 线 的 电 流 ，
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RX 接收电
FM222
路
(其它
读卡
芯
片） TX EMC滤波
电路
500
匹 配
欧 姆
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）
FM222 RX
VMID AVSS TX1
TVSS
C4
R2
LO CO
CO
R1
C3
Rext C1a
C2a GND
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=470 W ­­­2.7K W （根据天线线圈的值来确定见章节 4.9）； l R2=820 W ； l Zant=Z=500 W 。
其 中 ： R 为 读 写 器 上 天 线 的 半 径 ， N1 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，
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m0
=
1 e0c2
= 4p ´10-7 (N / A2 ) 为 真 空 磁 导 率 。
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ò 由 法 拉 第 定 律 知 道 ， 感 应 电 动 势 V = - N dF ， 而 磁 通 量 F = B × dS 。 dt
ò 非 接 触 卡 天 线 上 的 感 应 电 动 势 V
C2b
Rcol La Lb
TX2 LO
电路中参数说明
C1b 图 2 完整天线电路
Rext
Rcol
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）。
其 中 ： f 为 传 输 信 号的 频 率 ， N2 为 非 接 触 卡中 天线 线 圈 圈 数 ， S2 为 非 接
触 卡 中 天 线 线 圈 的 面 积 ， Q2 为 非 接 触 卡 中 天 线 的 品 质 因 数 ， B0 距 读 写 器 天 线 X 处的磁场强度。
互 感 系 数 为 ： M = m0N1N2R2S 3 2(R 2 + X 2 ) 2
C4 L0 R1、R2
XR7 电容器。 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。 用 SMD 封装（0805、0603、0402）。
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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：
天 线 的 等 效 电 路 见 6 所 示 ， 天 线 电 感 L=La+Lb 和 串 联 电 阻 RL=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。