读卡器天线调试

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1、上海箜口微电子股份冇限公司工艺文件NBO3O7渎耳器人线设汁和调试作业指导15FM XT GY-TS NB0307发行版本：第A版第1次修改心主上海复旦微电孑股份有眼公司SHANGHAI FM OO.,I_TD上海复旦微电子股份有限公司工艺文件FM XT GY-TS NB0307NB0307读写器天线设计和调试作业指导书编制：日期:审核：日期:标准化：日期:批准：日期:发行版本：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

2、1台及罪接触R 1张：2）信号源（输出 H3.56MHZ,功率lOdbm） 1台；3）高频Q表1台：4）数字力用表（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。3. 调试环境的要求1）温度室温，保持恒定：2）调试周阳应无金属物体。4. NB0307天线设计及测试4. 1. NB0307天线原理NBO3O7项冃是针对本公司即将推出的FM222非接触读写芯片（其功能 与PHILIPS公司的RC531系列非接触读写芯片全兼容）Iflj开发的一种芯片功 能测试产品。它能够成功地在无外界放人的情况卜作用距离町以达到100 米（由犬线结构决定），设计规则

3、和参数符介ISO14443. ISO15693和ICode 标准。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。长度10CM图1完全匹配大线原理框图（匹配到500欧姆）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。Co .C3用低公差、SMD 封装（0805、0603、0402）。Cla. Clb、C2a、C2b用低公差、SMD 封装（0805、0603、

4、0402）c4XR7电容器。Lo自感系数小，高Q的电感，并H满足频率范1韦1和最人的灌入电流。Rl、R2用 SMD 封装（0805、0603、0402）。第3页共17页上海箜几微电子股份冇限公司工艺文件NBO3O7渎耳器犬线设汁和调试作业指导15FM XT GY-TS NB0307发行版本：第A版第1次修改5NB0307基本参数设计根据已确定参数來设计非接触卡夭线电路参数，按照以卜來确定非接触 卡天线电路的参数。 设计天线线圈,测最电感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（见章节53-5.5）； 计算外接电阻來调報谐振电路（见章节5.6）： 连接谐振

5、电路到EMC低通滤波电路的输出，來检査犬线谐振性能（见章巧5.7）； 检査并调整殆质因数（见章廿5.8）； 检資并调整接收电路（见章节5.9）05. 1.已给定参数OzO2图3己给定电路参数（EMC濾波和匹配电路）为了减少犬线电路设计参数的数最，所以给定以卜已确定的参数，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=2x50pF （陶瓷 NPO,公差小 /正负 2%）； C3=15PF （陶瓷NP0,公差小丁正负10%）； C4=0.01iiF （陶瓷 NPO,公差小 J：止负 10%）； Rl=470

6、Q-2.7KQ （根据大线线圈的值來确定见章节4.9）： R2=820 Q : Zant=Z=500 Q。5. 1.1.分析给定参数电路接收电路见章节49 在这里我们主要分析发射支路匹配电路EMC滤波实践中对阻抗匹配网络提出以卜三个要求：1）实现将负我变换为功率管所要求的匹配负我阻抗，以保证射频功率管 能输出所需的功率：2）能完成滤除不岛耍的各次谐波分彊，以保证负戏上能获得所需频率的功率:3）匹配网络的损耗要小，既网络的功率传输效率耍尽町能的高。匹配网络很多，仃L型、T型、口熨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15Q20Q,要匹配到5000。采用L型2 节匹配网络

7、。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XI为电容元件，而X2为电感元件。这种匹配网络结构简单，只适介用丁 RsRl的匹配情况。图4 L型匹配网络XI 二且三 Rl fQ UlRsX2 = OeRs = JRs（Rl-Rs）It中Q为匹配网络的品质因素，XI为电容元件，X2为电感元件.由上面公式就可以推倒岀Lo、Co第7页共17页上海箜口微电子股份冇限公司工艺文件NBO3O7渎耳器人线设汁和调试作业指导15FM XT GY-TS NB0307发行版本：第A版第1次修改取Rs =15Q, Rl = 500Q, 3 = 2 f、为工作频率13.56MHz。根据上 面的计算公

8、式，计算出电感L。为luH,电容Co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S22o此时仿真结果只作为参 考。实际调试结果Lo为luH,电容Co为100PFBitterwxth # 14 59 MH? 59 6 1B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最的传送为单向，数据的传送则为双向。读写器上的大线和卡上的犬线 町以看成一互感系统，犬线线圈结构也可以解释为变压器（变压器耦合），设 诃写器上天线和卡上天线的互感系数为M,则根拥互感原埋得到：AH = N式中：y为非接触卡屮大线线圈圈数，

9、e为穿过卡上大线中的磁通最，I为渝过读写器犬线的电流。设大线是半径为R的员I形，根据毕奥-沙伐尔定律，在过圆形犬线闘心且 垂直天线平面的线轴上的磁感应强度为：佟 INR2j（疋+/丁其中：尺为读写器上大线的半径，y为读写器大线线圈圈数，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，而磁通届=J dS。/0 =- = 4xl0-7 （N/屮）为真空磁导率。 （）c非接触卡天线上的感应电动势7 = 7警由法拉第定律知道，感应电动沖一N莎S2(R2+X2yuqNN2R2S2 dix2(疋+2律 dta 2xftJ2S2O2BQ其中：/为传输信号的频率，N?为非接触卡中犬线线圈圈

10、数，S2为非接 触卡中人线线圈的面枳，Q为非接触E屮天线的品质因数，鸟距读写器人线 X处的磁场强度。互感系数为：M =2（，+炉）了JPP：虑为读写器上天线的半径，N为读写器上天线线圈圈数，弘为非接触卡中大线线圈圈数，S,为非接触卡屮天线线圈的面枳，X为非接触卡上天线到读写器上天线的距离，1为流过读写器天线的电流， po= = 47TxlO1 （N/A2）为真空磁导率。V5.2.2.天线的物理实现和等效电路读写器屮的犬线用J：产牛磁通竜，而磁通帚用于向卄接触卡片提供电源并在读写器与非第9页共】7页上海复几微电子股份冇限公司工艺文件NBO3O7读写器天线设计和调试作业指导W发行版本第A版FM X

11、T GYTS NB0307第 1次修改接触卡Z间传送信息。因此，对读写器大线的构造有以I、儿个基本要求:1）使大线线圈的电流最人，用于产生最大的催通起：2）功率匹配，以放人程度地利用产生磁通届的町用能帚；3）足够的带宽，以无失真地传送用数据调制的载波信号。根据互感原理可知，半径越人，圈数越多，读写器上天线和卡上的天线的 互感系数就越人，耦合系数也就越人，这样读写器和非接触卡片的通信距离 就越人。根据国际标准，非接触卡和读写器的通信距离为1 Ocnio 一般来说读 写器的天线的半径约等于通信距离。大线的等效电路见6所示，夭线电感L=La+Lb和串联电阻Rl=2*RcoiL 设计好PCB板大线后，

12、uj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Z间测量得到天线的电器参数L和R。大线线圈参数一般介于以卜数值Z间L=La+Lb=300nH .2uHRl=2xRcoi1=0.5.5 Q5. 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、半径的关系夭线线圈等效电路见图6的左图所衣示，右图表是PCB X线电感、圈数 和半径之间的关系。图5屮右上图表示，犬线半径和电感的关系。蓝颜色的线表示犬线半径小 r 5cm和电感的关系；红颜色的线表示天线半径人r 5cm和电感的关系。图5中右卜图表示，大线半径和圈数的关系。当犬线

13、半径小于5cm （蓝颜 色）时，圈数为2；天线半径人于5cm （蓝颜色）时，圈数为1这两幅图说明了 H PCB犬线的规则，当要实现相同的电感值，如果PCB 犬线半径人于5cni,只需1圈就町以满足；肖PCB犬线半径小于5cm,要得 到相同的电感值，就需要2圈才可以实现。5. 2. 4. PCB天线线圈电感的理论计算PCB大线仃関形和矩形两种情况，线圈电感计算公式如卜：LnH = 2xlcmx（ln（）一K）xN；Dmm苴中：L为天线线圈的电感；7为天线线圈一圈的长度：D为大线线圈苴径或导体的宽度；K为天线线圈外行因子（K=1.07为圆形天线，K=l. 47为矩形天线）：N为犬线线圈圈数；5.

14、3.外接电阻大线线圈的阳质因数通常定义是ccxL所以，整个电阻就是R=2 x ( Rest+ Rl ) =2xRext+2xRcoil一般取品质因数Q二35 （虽然1-编码通常用高品质因数NB0307读卡需耍Q小于40）,外接电阻Rext被计算出來Res t =Rl-R2-_ex厶20Rcidl(w =2x ji xl3. 56MHz)忽视其它方而的影响，这个计算值仅作为佔计值使用，但是佔计值在卜而 计算匹配电容将耍用到。在后面5.8章节调整胡质因数时，将得到外接电阻的更准确的值。5. 4.串并联电容的确定一般说来，犬线是有一定负我阻抗的谐振回路，读写器器又具有一定的源 阻抗。为了获得址好的性

15、能，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Cla、Clb、C2a、C2b就起到谐振和匹配作用，由丁天线线圈、 谐振电路、匹配电路是对称，所以可以将图2完整犬线简化为图7所示。根 据串、并联阻抗等效互换与冋路抽头时的阻抗变换，町以推倒出卜 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第13页共】7页上海复几微电子股份冇限公司工艺文件NBO3O7读写器天线设计和调试作业指导W发行版本第A版FM XT GY-TS NB0307第 1 次修改容C2和串联电容C1。i/zjR2 +ccLa2 +f!-R!Za -R!Za aqR1 +(coLa-/coC2 )

16、2第#页共17页上海复几微电子股份冇限公司工艺文件NBO3O7读写器天线设计和调试作业指导W发行版本第A版FM XT GY-TS NB0307第 1 次修改JPI La=Lb=L/2,Zt7=250 Q, 6；= 2x/= 2xl3.56xl06 ,尽管计算结果和 实际有所偏差，但是作为以后调谐的初始值。5. 5.天线电路的单独调试在以上步骤中己经确定夭线电路中的参数L, Rext, Cla Clb. C2a和 C2b,但是理论和实际有偏差，所以我们将对犬线电路进行调试，来补偿测龟、 计算屮不确定因索和器件的谋差。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

17、一个信号源來调试，见附录 1所示。（ 开始）图9天线电路的单独调试程序为了调试方便，可用町调电容（20PF）,并在Cla, Clb, C2a和C2b上 进行调试。调试完毕后将将加在Cla, Clb, C2a和C2b ,天线电路完全匹 配阻抗和相位见图10。5. 6.天线和读卡机联调在大线电路E独调试Z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Jt他因素的影响使得犬线没冇工作在最佳状态.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。

18、第15页共17页上海复口微电子股份冇限公司工艺文件NBO3O7渎耳器天线设汁和调试作业指导|5FM XT GY-TS NB0307发行版本：第A版第1次修改图10犬线完全匹配的典型阻抗add 2* to C2b10 pF第17页共17页上海复口微电子股份冇限公司工艺文件NBO3O7渎耳器天线设汁和调试作业指导|5FM XT GY-TS NB0307发行版本：第A版第1次修改第#页共17页上海复口微电子股份冇限公司工艺文件NBO3O7渎耳器天线设汁和调试作业指导|5FM XT GY-TS NB0307发行版本：第A版第1次修改图11天线电路和读卡机一起调试程序第#页共17页上海复口微电子股份冇限

19、公司工艺文件NBO3O7渎耳器天线设汁和调试作业指导|5FM XT GY-TS NB0307发行版本：第A版第1次修改第#页共17页上海复口微电子股份冇限公司工艺文件NBO3O7渎耳器天线设汁和调试作业指导|5FM XT GY-TS NB0307发行版本：第A版第1次修改殆质因索是大线设计中的重耍参数，它苴接影响调制波形的边沿及读卡 的性能。一般來说，较高的品质因数的值会使天线线圈中的电流强度人些， 由此改善对非接触卡的功率传送。与Z相反，犬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。许多系统给岀的垠佳品质因数为10、30

20、。Q值址高为 50、60,如果太高，卡将无法准确地讲别复位响应。该系统品质因数选择为 35。测试装置的连接如图12所示。Ante rins第#页共17页上海复口微电子股份冇限公司工艺文件NBO3O7渎耳器天线设汁和调试作业指导|5FM XT GY-TS NB0307发行版本：第A版第1次修改第#页共17页上海复口微电子股份冇限公司工艺文件NBO3O7渎耳器天线设汁和调试作业指导|5FM XT GY-TS NB0307发行版本：第A版第1次修改图12测试品质因素的装置第#页共17页上海复口微电子股份冇限公司工艺文件NBO3O7渎耳器天线设汁和调试作业指导|5FM XT GY-TS NB0307发

21、行版本：第A版第1次修改5. 7.1.试步骤a）按照图12方法连接，用CH2同步CHL通道（CH1）：将探头的地线弯成环來感应信号。此环放在靠近人线的顶部。通道二（CH2）：连接探头到FM222的管脚4,测最信号输出。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脉冲波形相対比，调试外接电阻Rext：测试信号见图13,标准ISO14443A脉冲波形见图14。图13 NB0307读卡机天线测试信号图14 ISO14443A标准脉冲波形NB0307尺线读卡机测试信兮与标准ISO 144

22、43 A脉冲波形相对比，依般值 见表1。表1 脉冲的持续时间按照标准ISO14443脉冲长度TlusT2usT3usT4usT1最人值3.01.41.00.4T1最小值2.00.71.00.4tl-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F的时间。为了保证正天线的品质因素，时间T2 hY介于：0.7ust21.4us,品质因数太人（Q35）, Rext应该增加：如果t20.7us,品质因数太小，作用距离将不能满足，Rext应该减小。5. 8.接收电路接收电路参数章节4.1已经给定。 C3=15

23、PF （陶瓷NP0公差小负10%）; C4=0.0hiF （陶瓷NP0,公差小丁正负 10%）： Rl=4702.7KQ （根据夭线线圈的值來确定见章巧4.8）； R2=820 Q。由FM222芯片的特性知道，RX输入管脚应满足卜而两点：1）在RX输入管脚（PIN29）戌流电平应保持在Vmid （由R2和C4决定）：2）在RX输入管脚（PIN29）交流电压应介丁 L5Vpp3Vpp, R1应增加，VRX1.5Vpp, R1应减小。6记录调试完成后，应填写附录B调试记录表，己备后面参考使用。附件A测试天线阻抗的简单方法如果在没仃阻抗测试仪的情况卜用简单的方法测试天线阻抗和调试。测试的设备有：1)

24、 信号源一台2) 带低阴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“rbe CYprob.)一个连接两数发 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, 得到其人小和相位。Lissajous图象的角度得到人小，面积描述角度。13.5hzIJJLJPSTc5oo n4 k-Tuning withCca(closed figure:Ref.500 Uangle:图16 简单阻抗测试方法、标准X探头电容Cxprobt只能减少函数发生器的输出信号棉度，这対调试犬线 结來没仃影响。Y探头电容Cyprobe影响相位的偏移，相位的改变引起Lissajous 图形

25、区域的变化。为了补偿其影响。电容C“i并联成匹配网络。调试程序由以卜两步组成：步骤一：校准为了校准，采用高粘度500 Q参考电阻來代替夭线，校准程序见图16函数发生器应设置为：波形：正眩波频率：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。此时叮变电 容Gcal电容值就等丁电容CYprebe Y探头的电压值标志和位和X探头振幅就 是皈数发生器电压的一半第21页共17页上海复口微电子股份冇限公司工艺文件NBO3O7渎耳器天线设汁和调试作业指导|5FM XT GY-TS NB0307发行版本：第A版第1次修改注意:a) 如果X探头的刻度接近Y探头刻度

26、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坏使从天线耦介能駅减小，见图17所示。avoid aground cable loopground cable closed tothe probe head图17 探头的连接方法步骤二：调试程序校准Z后，参考电阻被大线电路Z代替见图18o匹配网络通过调整可变电容C1和C2肖到Lissajous图形完全闭合图形角度正好等J：校准步骤中的角度，这样X线阻抗Z=2Zant=500 Q。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AT 45度，天线阻抗Z人T- 500 Q；d) 如果角度小丁 45度.天线阳抗Z小T 500 Qo附件B NB0307读写器天线调试记录表编号:产品名称：调试负贵人：日期:号产品 编号Rext(G)Lcoil wRcoil(Q)Cla. Clb(pF)C2a、C2b(pF)R1(Q)第23页共17页