读卡机芯片天线调试

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1、上海复旦微电吕股倚有眼公司SHANGHAI FIVI CO.,LTD读写器天线设计上海复旦微电子股份有限公司中国上海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 FM1702SL 读写器芯片直接连接天 线（无电缆）设计及调试过程。1.1. 天线原理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。1.2. 天线电路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 。长度10CM图 1 完全匹配天线原理框图（匹配到 500 欧姆）图 2 完整天线 电路电路中参数说明元器件描

2、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）。Cla、Clb、C2a、C2b用低公差、SMD 封装（0805、0603、0402）。C4XR7电容器。L0自感系数小，咼Q的电感，并且满足频率范围和最大的灌入电流。Rl、R2用 SMD 封装（0805、0603、0402）。2. 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。 设计天线线圈，测量电感L、电阻R和品质因数（见章节5.2）； 根据天线电感，计算谐振电容来设计谐振电路（见

3、章节5.3-5.5）； 计算外接电阻来调整谐振电路（见章节5.6）； 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）； 检查并调整品质因数（见章节5.8）； 检查并调整接收电路（见章节5.9）。2.1.已给定参数FM222zTVSS 1-5广AVSS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。 L0= luH （TDK NL322522T-1R0J）； C0=100PF=2x 50pF （陶瓷 NPO,公差小于正负 2%）； C3=15PF（陶瓷NP0，

4、公差小于正负10%）； C4=0.01uF（陶瓷NP0,公差小于正负10%）； R1=470。-2.7K。（根据天线线圈的值来确定见章节4.9）； R2=820 ； Zant=Z=500 。2.1.1. 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 滤波臾器。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 ；（ 阻 抗 变 换）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；（ 滤波）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。

5、（功耗 小）匹配网络很多，有L型、T型、n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。-20。,要匹配到500。采用L型2 节匹配网络。图4为L型匹配网络的模型，XI、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。r：31 I G ：RsXI jRl（RsR L）QeRLQe图4 L型匹配网络-LX1:RS R - RL SX2 二 Q R =；R (R - R )e S L S L S其中Q为匹配网络的品质因素，X1为电容元件，X2为电感元件。 e由上面公式就可以推 倒出 L0、

6、C0X2nCRl取R二150， R = 5000, 3 = 2兀xf， f为工作频率13.56MHz。根据上 SL面的计算公式，计算出电感L0为luH，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luH，电容C0为100PFButterworth # 14.59 MHz 59.6 dB图 5 EMC 滤 波 器 的 幅 频 特 性2.2. 天线线圈的设计和测试2.2.1. 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

7、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：MI = N 1式中：N为非接触卡中天线线圈圈数，为穿过卡上天线中的磁通量，I1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：R IN R 20 12、乂R2 + X 2)3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，1R二二4兀x 10 - 7 (N / A 2)为真空磁导率。08 C 20由法拉第定律知道，感应电动

8、势V = -N羿，而磁通量B - dS。dt非接触卡天线上的感应电动势V = -N2牛=-N2 dt(J B-dS)=-N 2 dtuiN R 2“04_1dS32(R2 + X 2)2didtu N N R2S0_1_2232(R2 + X 2)2dt2n x fN S Q B2 2 2其中： f 为传输信号的频率， N 为非接触卡中天线线圈圈数， S 为非接 22触卡中天线线圈的面积，Q2为非接触卡中天线的品质因数，B距读写器天线 20X处的磁场强度。一 r NN R2S互感系数为：M = 01 232(R2 + X 2)2其中： R 为读写器上天线的半径， N 为读写器上天线线圈圈数，

9、N 为非 12接触卡中天线线圈圈数，S为非接触卡中天线线圈的面积，X为非接触卡上 2天 线 到 读 写 器 上 天 线 的 距 离 ， i 为 流 过 读 写 器 天 线 的 电 流 ，11卩二二4兀x 10 -7 (N / A2)为真空磁导率。08 C 202.2.2. 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

10、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 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 。天线线圈参数一般介于以下

11、数值之间L=La+Lb=300nH 2uHRl=2 x Rcoil=0.5 . 5。2.2.3. 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

12、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。2.2.4. 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：LnH - 2 x lcm x （ln（lmm ） - K） x N 1。8D mm其中：L为天线线圈的电感；l 为天线线圈 一圈的长度；D为天线线圈直径或导体的宽度；K为天线线圈外行因子（K=1.07为圆形天线，K=1.47为矩形天线）;N为天线线圈圈数；2.3. 外接电阻天线线圈的品质因数通常定义是L所以， 整个

13、电阻就 是R=2 x （ Rest+R L） =2 x Rext+2 x Rcoil一般取品质因数Q=35 （虽然I-编码通常用高品质因数，FM1702SL需要Q 小于 40），外 接 电 阻 Rext 被 计 算 出 来R R w x LRest=L = R （ w =2 x n x 13.56MHz ）22Qc u il忽视其它方面的影响，这个计算值仅作为估计值使用，但是估计值在下面 计算匹配电容将要用到。在后面 5.8 章节调整品质因数时， 将得到外接电阻的更准确的值。2.4. 串并联电容的确定一般说来，天线是有一定负载阻抗的谐振回路，读写器器又具有一定的源 阻抗。为了获得最好的性能，

14、必须通过无源的匹配回路将线圈阻抗转换为源 阻抗。图 2 中 C1a、C1b、C2a、C2b 就起到谐振和匹配作用， 由于天线线圈、 谐振电路、匹配电路是对称， 所以可以将图 2 完整天线简化为图 7 所示。根 据串、并联阻抗等效互换与回路抽头时的阻抗变换， 可以推倒出下面公式。在确定天线线圈电感、电阻（ 包括外接电阻），现在根据公式计算并联电 容 C2 和 串 联 电 容 C1 。C1C2La图 7 简化天线 等效电路C = C = C =22a2bR 2 + 2 L 2a +C = C = C =11 a1bR2 + CoL -1 / coCa2(1/oC -oL )一 C2 a C22其中

15、L =L =L/2, Z =500 o ,二2兀x f二2兀x 13.56 x 106，尽管计算结果和 a ba实际有所偏差，但是作为以后调谐的初始值。2.5. 天线电路的单独调试在以上步骤中已经确定天线电路中的参数 L， Rext ， C1a ， C1b， C2a 和 C2b，但是理论和实际有偏差，所以我们将对天线电路进行调试，来补偿测量、 计算中不确定因素和器件的误差。图 9 为天线电路的单独调试的步骤。推荐 使用阻抗分析仪， 但是简单方法就是用示波器和一个信号源来调试， 见附录 1 所 示 。开始图 9 天线电路的单独调试程序(ZZant+10%Z)?调整Cl使相位变化0+10或0-10

16、减小C2增加C2为了调试方便，可用可调电容（20PF），并在C1a，C1b，C2a和C2b上 进行调试。调试完毕后将将加在 C1a， C1b， C2a 和 C2b 上，天线电路完全匹 配阻抗和相位见图 10。2.6. 天线和读卡机联调在天线电路单独调 试之后将天线电路连 接到 FM222 电路的输出 的 EMC 滤波电路，由于连接器及其他因素的影响使得天线没有工作在最佳状态。为 了得到更远距离的 读卡性能，我们再进 行 细调。调试程序见 11 所示。调试过程就是在C2a和C2b跨接一个可变电容（10PF ）进行调试，调试 完毕后将可调电容值的两倍分别加到2a和C2b。图 11 天线电路和读卡机

17、一起调试程序2.7. 调试品质因素品质因素是天线设计中的重要参数， 它直接影响调制波形的边沿及读卡 的性能。 一般来说， 较高的品质因数的值会使天线线圈中的电流强度大些， 由此改善对非接触卡的功率传送。 与之相反， 天线的传输带宽刚好与品质因数值成反比例变化，选择的品质因数过高会导致带宽缩小从而明显地减弱非 接触卡接收到的调制边。许多系统给出的最佳品质因数为1030。Q值最高为 5060 ，如果太高，卡将无法准确地识别复位响应。 该系统品质因数选择为 35。 测试装置的连接如图 12 所示。2.7.1. 测试步骤a）按照图12方法连接，用CH2同步CHI。通道一（CH1）：将探头的地线弯成环来

18、感应信号。此环放在靠近天线的顶部。 通道二（CH2）：连接探头到FM222的管脚4,测量信号输出。b）设置FM222微波输出信号选择寄存器（设置为“2”用内部编码器产生调制信号，米勒 编码或“3”串行数据流，非米勒编码）。c）测试信号与标准ISO14443A脉冲波形相对比，调试外接电阻Rext 测试信号见图 13， 标准 ISO14443A 脉冲波形见图 14。CH2MFoutSelect2V/Dev.CH2MFoutSelect2V/Dev.CH1 RFOut 0.5V/Div.FM1702SL 测试信号 与 标准 ISO14443A 脉冲波形相对比，依照 值见表 1。表 1脉冲的持续 时

19、间按照标准 ISO14443脉冲长度TlusT2usT3usT4usT1最大值3.01.41.00.4T1最小值2.00.71.00.4t1-t2 的时间为信号幅度从 90% 跌到 5%的信号时间宽度。对于 FM222 的 脉冲宽度是一个确定值，我们只检测时间T2 ,即信号保持在信号幅度的5% 以下的时间。为了保证正天线的品质因素， 时间 T2 应介于： 0.7ust2 1.4us ,品质因数太大（Q35 ）, Rext应该增加；如果t2 3Vpp , R1 应增加, VRX1.5Vpp , R1 应减小。R XR X3. 记录调试完成后，应填写附录B调试记录表，已备后面参考使用。附件 A 测

20、试天线阻抗的简单方法如果在没有阻抗测试仪的情况下， 用简单的方法测试天线阻抗和调试。 测试的设备有：1） 信号源一台2） 带低阻抗探头的示波器一台测试电路见图16。示波器的两个探头（C b CYb ）一个连接函数发xprobe Yp robe生器输出、另一个并联到参考电阻上。示波器上显示出一个Lissajous 图象， 得到其大小和相位。 Lissajous 图象的角度得到大小， 面积描述角度。图 16 简单阻抗测试 方法、标准X探头电容C b只能减少函数发生器的输出信号幅度，这对调试天线 xp ro be结果没有影响。Y探头电容CY b影响相位的偏移，相位的改变引起LissajousYp r

21、 o be图形区域的变化。为了补偿其影响。电容C l并联成匹配网络。cal调试程序由以下两步组成：步骤一：校准为了校准， 采用高精度 500 参考电阻来代替天线， 校准程序见图 16函数发生器应设置为：波形：正弦波频 率 ： 13.56MHz幅 度 ： 2V-5V调整可变电容直到 Lissajous 图形完全闭合， 标志相位为 0。 此时可变电容Ccal电容值就等于电容CY b Y探头的电压值标志相位和X探头振幅就 Yp r o b e 。是函数发生器电压的一半注意：a）如果X探头的刻度接近Y探头刻度的2倍（比如：X刻度：2V/DIV 和Y刻度1V/DIV）Lissajous图形角度将为45度；b）避免将探头的地线弯成环使从天线耦合能量减小， 见图 17 所示。步骤二：调试程序校准之后，参考电 阻被天线电路 Z 代替见 图 18。匹配网络通过 调整可变 电容 C1 和 C2 直到 Lissajous 图 形完全闭合，图形角度正好等于 校准步骤中的 角度，这样天线阻抗Z=2Zant=500。图 18 简单阻抗测试方法图形解释：a) 图 形 没 有 闭 合 表 示 X 和 Y 的 相 位 还 没 有 等 于 零b) 如果相位等于零， 图形将会完 全闭合；c) 如果角度大于45度，天线阻抗Z大于500。；d) 如果角度小于45度，天线阻抗Z小于500。e)