如何设计 NFC 动态标签的天线

近场通信（NFC，Near Field Communication）是一种基于无线射频识别（RFID，Radio Frequency I Dentification）技术发展起来的近距离无线通信技术，它们都是通过无线频率的电磁感应耦合传递数据，但是 RFID 的传输范围可以达到 1m，而 NFC 的传输范围通常在 10cm 以内。NFC 的无线信号频率为 13.56MHz，可以兼容 ISO14443、ISO15693、Felica 等非接触式智能卡规范，数据传输速率可以达到 106kbit/s、212 kbit/s、424kbit/s。

意法半导体的 NFC 动态标签芯片 ST25DV-I2C 和 ST25DV-PWM 可以通过低功率的 I²C 总线以及 13.56MHz 无线射频访问芯片内置的EEPROM（电可擦除只读存储器），同时支持近程的 ISO/IEC 14443 Type A 和远程的 ISO/IEC 15693 标准。本文旨在介绍无源 RFID 的基本原理，以及 13.56MHz 感应天线设计的基础知识，文中部分内容参考自意法半导体编号为《AN2972》的官方应用笔记（Application Note）。

操作方式

实际电路当中集成动态 NFC 标签芯片是一项非常简单的工作，只需要将其通过 I²C 总线连接至 MCU 微控制器即可，而动态 NFC 标签芯片在 RF（射频，Radio Frequency）一端，则还需要连接外部天线才能够正常工作。

动态 NFC 标签的天线通常是放置于 PCB 电路板上的一圈环形走线，其阻抗与内部的调谐电容值相匹配，进而创建出一个 13.56MHz 频率的共振电路，这个调谐频率的基本方程为:

\[ f_{调谐} = \frac{1}{2 \pi \times \sqrt{L_{天线} \times C_{调谐}}} \]

基本原理与方程

本文接下来的内容当中，NFC 标签用于指代安装在 PCB 上并与其天线相连接的动态 NFC 标签芯片，而 NFC 读卡器则是指能够以射频模式与 NFC 标签进行通信的设备。

无源 RFID 技术

能量传递

动态 NFC 标签芯片通过其环形天线，从读卡器产生的磁场中获取运行所需的能量。该过程类似于变压器的互感，其中 NFC 读卡器相当于初级绕组，而 NFC 标签则相当于次级绕组。从 NFC 读卡器到 NFC 标签芯片的能量传输主要取决于如下四个方面：

1. NFC 标签天线的调谐程度，接近于 NFC 读卡器的载波频率 13.56 MHz；
2. NFC 读卡器和 NFC 标签天线之间的距离与方向；
3. NFC 读卡器天线与 NFC 标签天线的尺寸；
4. NFC 读卡器的功率；

下面的示意图展示了在射频模式下，NFC 读卡器与标签之间的功率传输机制：

NFC 读卡器通过电磁场向 NFC 标签传递的能量，取决于 NFC 读卡器产生的磁感线如何流经 NFC 标签天线。

• 双方的 NFC 天线保持平行时，通信效果最佳；
• 双方的 NFC 天线相互垂直时，无法进行有效的通信；
• 双方的 NFC 天线处于其它位置时，通信效果会到一定程度的影响；

数据传输

将 NFC 标签放置于 NFC 读卡器的电磁场当中，NFC 标签芯片的内置电路就会开始解调来自于读卡器的信息：

通信结束之后，NFC 读卡器会继续为 NFC 标签供电，以使得 NFC 标签产生一个应答响应，发送回 NFC 读卡器（动态 NFC 标签芯片会通过调节内部的输入阻抗，将应答信号反向散射到 NFC 读卡器）。

▶ 整个数据通信过程所涉及的全部标准与协议，都已经嵌入到了 NFC 读卡器与 NFC 标签芯片的内部电路当中。

简化等效电路

下面的示意图给出了 NFC 动态标签及其天线的等效电路：

• 动态 NFC 标签芯片的模型由一个代表其所消耗电流的电阻 \(R_{chip}\) 和一个代表内部调谐电容与内部寄生电容的 \(C_{tun}\) 来进行表示；
• 环形天线的模型是由表示环形天线上全部杂散电容的 \(C_{ant}\) ，以及表示天线电阻损耗的 \(R_{ant}\)，和表示环形天线自感的 \(L_{ant}\) 共同组成；

其中，虽然 \(C_{ant}\)、\(R_{ant}\)、\(L_{ant}\) 是一个常量，但是其总阻抗具有频率依赖性。即在自谐振频率下，天线阻抗的虚部 \(Z_{ant}\) 为零呈现纯阻性；而在低于自谐振频率时，天线阻抗的虚部为正值呈现感性。当频率低于自谐振频率（\(Z_{ant} = R_A+ j_{XA}\)）的时候，天线的等效电感 \(L_A\) 被定义为 \(L_A = \frac{X_A}{\omega}\)。

▶ 低频情况下，杂散电容的影响可以忽略不计 \(L_A = L_{ant}\)(自感)。而达到 13.56MHz 频率的时候，杂散电容的影响就不能再被忽视 \(L_A > L_{ant}\)。

基本方程

谐振频率

下图展示了存在正弦磁场的情况下，安装有环形天线的 NFC 动态标签芯片的等效电路。其中的 \(V_{OC}\) 表示天线传递的开路电压，该电压值取决于磁场强度以及天线的尺寸和匝数。

NFC 标签的天线阻抗为 \(Z_{ant} = R_A + jL_A \omega\)，其中的 \(L_A\) 表示天线的电感。而 NFC 标签芯片的阻抗为 \(Z_S = R_S + j \times \frac{1}{CS \omega}\)，其中的 \(R_S\) 表示的是 NFC 标签芯片的电流损耗，而 \(C_S\) 表示的是串联等效调谐电容。

▶ 等效 RLC 电路的谐振频率由条件 \(L_A C_S \omega^2 = 1\) 给出，其中 \(\omega = 2 \pi f\)（此处的 \(f\) 表示频率 Hz）。

最优天线调谐

RLC 电路的总阻抗 \(Z_{tot} = Z_{ant} + Z_S\)，当谐振频率为 \(L_A C_S \omega^2 = 1\) 时，总阻抗降低至 \(Z_{tot} = R_A + R_S\)，此时天线的总阻抗最小，天线内部的电流以及传递给 NFC 标签芯片的电压最大，进而向设备提供的能量也就最大。

▶ 上图展示了三个动态 NFC 标签天线调优的例子，其中的标签 #2 为最优的天线调谐。

如何设计 PCB 天线

13.56MHz 频率下的 NFC 天线可以根据需要，被设计成为不同的形状。如前所述，需要重点关注的参数是天线在 13.56MHz 频率下的等效电感 \(L_A\)。

▶ 杂散电容非常难进行近似的取值，通常处于以 pF 作为单位的范围以内。

接下来的内容会给出计算各种形状天线自感 \(L_{ant}\) 的有效公式（不考虑天线杂散电容），以及如何通过意法半导体官方提供的 eDesignsuite 工具来计算等效电感 \(L_A\)。

圆形天线的电感

\[ L_{ant} = \mu_0 \times N^{1.9} \times r \times \ln(\frac{r}{r_0}) \implies 4 \pi \cdot 10^{-7} \times 天线圈数^{1.9} \times 天线半径 \times \ln\bigg(\frac{天线半径}{导线直径}\bigg) \]

• r 是天线半径，单位为毫米；
• r_0 是导线直径，单位为毫米；
• N 是天线的圈数；
• \(\mu_0 = 4 \pi \cdot 10^{-7} H/m\)；
• \(L\) 的单位为亨利；

螺旋形天线的电感

\[ L_{ant} = 31.33 \times \mu_0 \times N^2 \times \frac{a^2}{8a + 11c} \implies 31.33 \times 4 \pi \cdot 10^{-7} \times 天线匝数^2 \times \frac{平均半径^2}{8\times平均半径 + 11\times绕组厚度} \]

• \(a = \frac{(r_{in} + r_{out})}{2}\) 为平均半径，单位为米；
• \(c = r_{out} - r_{in}\) 是绕组厚度，单位为米；
• \(\mu_0 = 4 \pi \cdot 10^{-7} H/m\)；
• \(L\) 的单位为亨利；
• \(N\) 是天线的匝数；

方形天线的电感

\[ L_{ant} = K_1 \times \mu_0 \times N^2 \times \frac{d}{1 + K_2 \times p} \]

• \(d = \frac{(d_{out} + d_{in})}{2}\)，单位为毫米，其中 \(d_{out}\) 为外径，而 \(d_{in}\) 为内径；
• \(p = \frac{(d_{out} - d_{in})}{(d_{out} + d_{in})}\)，单位为毫米；
• \(K_1\) 和 \(K_2\) 的取值依赖于天线的布局形式：

布局	\(K_1\)	\(K_2\)
正方形	2.34	2.75
六角形	2.33	3.82
八角形	2.25	3.55

eDesignSuite 天线设计工具

意法半导体官方提供的 eDesignsuite 在线工具套件，为 NFC 天线设计提供了 NFC 电感 (NFC Inductance) 和 NFC 调谐电路 (NFC Tuning Circuit) 两款小工具。只需要输入与 PCB 材料和天线尺寸相关的参数，该工具就可以通过计算自电感和杂散电容来得到天线的等效电感。

上图给出了一个天线等效电感的计算示例，包括了天线的几何参数、导体参数、PCB 基板参数。通过计算出的天线等效电感，就可以生成一个天线的原型。接下来，就可以使用网络分析仪测量天线阻抗，或者使用非接触式的方式测量 NFC 标签的调谐频率来验证天线设计。

PCB 布局

动态 NFC 标签芯片与天线之间的连接长度

动态 NFC 标签芯片必须尽可能的靠近天线（位于几毫米范围以内），任何额外的布线都会改变天线的特性。

地平面 电源 信号层

布局 PCB 上的 NFC 天线时，需要注意天线的顶层与底层两个面都不能进行铺铜，并且在天线周围也最好不要存在铜平面；下面的示意图展示了 NFC 天线的最优布局：NFC 标签芯片靠近天线，而接地平面远离天线。

接下来，展示的是两种错误设计的示例，这两种情况下电磁波不会流经天线，NFC 读卡器与动态 NFC 标签的天线之间不会进行能量传递。

下面同样是一种不推荐的布局示例，因为动态 NFC 标签天线周围的环形铺铜会极大的衰减电磁波信号。

而下面则是一种可以被接受的布局示例，主要是由于此处的天线并没有与地平面发生重叠。

▶ 建议在进行 PCB 布局时，专门为 NFC 天线划分出一块周围没有接地层的独立区域。

金属表面

当 NFC 天线靠近导电层时，其自感将会减小，从而造成 NFC 标签的调谐频率增加。

如果设计的 NFC 天线必须靠近金属表面进行工作，那么就必须对频率调谐的漂移进行补偿，以获得 13.56MHz 的正确调谐频率。这里可以通过重新设计一个具有更大等效电感的全新 NFC 天线，或者在现有天线基础之上增加一个外部调谐电容来实现补偿。下面的表格，就展示了一个使用 74pF 调谐电容进行频率补偿的示例：

特性	ANT1-M24LR16E	ANT1-M24LR16E 加入74pF调谐电容
天线尺寸	45 mm x 75 mm	45 mm x 75 mm
空气中的频率调谐	13.7 MHz	7.5 MHz
接近金属表面的频率调谐	25 MHz	14 MHz
空气中的读取范围	7.5 cm	0.5 cm
接近金属表面的读取范围	未检测到	2.5 cm
状态	天线经过调谐可以暴露在空气中工作	天线可以靠近金属表面进行工作

▶ 天线的重新设计会导致走线匝数的增加，需要注意 PCB 上是否预留有足够的空间。如果布局空间无法有效的进行延伸布线，那么就必须采用外部调谐电容作为频率补偿方案。

NFC 天线调谐的检测

如下的这些因素都会影响到 NFC/RFID 标签的调谐频率：

• 天线等效电感的计算精度；
• 设备主体与天线之间的连接长度；
• 天线所处的工作环境（金属表面、磁性材料）；

▶ 在实际的生产环境当中，往往需要通过专门的仪器来测量 NFC/RFID 标签的谐振频率。

采用网络分析仪测试

动态 NFC 标签天线的调谐频率可以使用带有环形探头的网络分析仪来进行测量。其中的射频电磁场可以由连接环形探头的网络分析仪（设置为反射模式，测量 S11 回波损耗）产生。环形探头可以购买成品，或者使用单匝线圈自行绕制，并且将其连接至同轴连接器。这样构建出的环形探头可以根据标签天线的尺寸相应的调整大小，进而达到更优的耦合效果。

▶ 通过上述的设备配置与连接，可以直接获得当前系统的谐振频率。

如下是一个用于实际测量的网络分析仪参数设置列表：

• 起始频率：5 MHz；
• 截止频率：20 MHz；
• 输出功率：- 10 dBm；
• 测量：Reflection 或者 S11；
• 格式：log magnitude；

将 NFC 天线放置到连接有网络分析仪的环形探头磁场内，由于环形探头与 NFC 标签天线相互耦合，从而导致环形探头的阻抗发生变化。当 NFC 标签处于谐振频率的时候，环形探头的阻抗电阻达到最大值，而电抗恢复到自谐振值。环形探头的阻抗接近于 50Ω，可以通过 S11 曲线上面的最小值进行证明。下图展示了某一个天线原型的谐振频率响应曲线：

采用信号源与示波器测试

NFC 天线的谐振频率也可以采用信号发生器和示波器，以及两个环形天线来进行测量。测试步骤是将一个 ISO 10373-7 标准的环形天线（如下图所示）与信号发生器连接，从而产生出射频电磁场：

再通过示波器探头（1MΩ 或者 10MΩ 输入阻抗）或者 50Ω 阻抗的 BNC 电缆（示波器输入阻抗也设置为 50Ω），将另外一个 ISO 10373-7 标准的环形天线连接到示波器。

此时，由于 NFC 标签与第一个环形天线连接，通过信号发生器输出变化的信号使得 NFC 标签连接的天线产生电磁感应，这些电磁场会被连接在示波器的第二个环天线捕获。如果当前处于 NFC 标签的谐振频率时，那么流入 NFC 标签天线的电流、NFC 标签天线产生的电磁波、示波器显示的电压幅值均将会达到最大值。

首先，让信号发生器输出峰峰值为 200mV 的正弦波信号。然后，以 5MHz 作为起点，逐步提高信号发生器的输出频率，直至达到示波器所测量到信号的最大幅值。最后，信号发生器所输出的频率就是 NFC 标签的谐振频率。下图给了一款 NFC 天线原型的频率响应曲线，也就是在不同的信号发生器频率下，示波器所测量到的信号幅值：

从设计到产品

开发设计人员必须了解电路板上 NFC 天线的理论与实际性能差异，这里列出一些注意事项。对于不同的 NFC 读卡器，同一个 NFC 标签天线所获得的通信效果并不相同，正如下面的示意图所展示的那样：

另外 PCB 制造的工艺参数（例如铜层或者环氧层的厚度）也会对天线性能产生影响，这在更换板材供应商的时候需要格外注意。除此之外，同时使用多个动态 NFC 标签会导致天线相互耦合，从而出现谐振频率不同于单个天线的情况，例如下面的示意图所展示的情况：

更加值得注意的是，产品的外壳也会影响 NFC 标签天线的通信效果，例如使用金属外壳所产生的法拉第笼效应，就会阻止 NFC 读卡器的能量与信号传递到 NFC 标签天线。同时外壳也会影响 PCB 天线的调谐频率，因而总是建议在最终成品上进行 NFC 射频性能的测试。

▶ 总而言之，在实际量产过程当中，需要充分的考量到设计、原型、生产制造三个环节对于 NFC 标签天线射频性能所带来的一系列影响。