基于差分發(fā)射的近場耦合天線實用接口電路的設(shè)計*

趙筱赫1,張春強2,張強松3,宋海洋2,

(1.河南機電高等?？茖W(xué)校,河南 新鄉(xiāng) 453000;2.中國平煤神馬集團,河南 平頂山 467000;

3.新開普電子股份有限公司,河南 鄭州 450000)

摘要:天線作為射頻通訊的接收部件,其性能的穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個通信系統(tǒng)能否可靠工作,而天線與讀卡器之間的接口電路的設(shè)計直接關(guān)系著無線射頻通信能否實現(xiàn)。文章在原有接口電路的基礎(chǔ)上,設(shè)計出差分式的接口電路,其結(jié)構(gòu)更加簡單、工作更加可靠、抗干擾能力強、響應(yīng)速度快且成本較低的接口電路,并且可以實現(xiàn)與市面上流行的多種卡類的通信。將該電路用于某公司的校園一卡通讀卡器中,經(jīng)過多年運行,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞:近場耦合天線；無線通信；接口電路

收稿日期：2015-06-25

中圖分類號：TN409

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,近場非接觸性雙向通信技術(shù)越來越多的應(yīng)用于產(chǎn)品識別、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域,在物流倉儲、商品零售、交通運輸、防偽識別、校園管理等行業(yè)有著得天獨厚的推廣優(yōu)勢。

天線作為非接觸卡通信方式智能終端的核心部件,其性能的穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行可靠性,在天線設(shè)計過程中,必須考慮與天線相關(guān)的外觀、主板、結(jié)構(gòu)等的總體環(huán)境設(shè)計,使外觀、主板、結(jié)構(gòu)、天線作為一個整體,提供給天線合理的預(yù)留空間及內(nèi)部RF環(huán)境,從而為天線的良好性能打下基礎(chǔ),為產(chǎn)品的穩(wěn)定性立下根基。根據(jù)應(yīng)用需求,本文設(shè)計基于FM1722/MFRC531芯片的差分發(fā)射電路的近場耦合天線實用接口電路[1,2]。

1電源電路設(shè)計

1.1設(shè)計電壓

FM1722/MFRC531需要三路電源供電:TVDD、AVDD、DVDD;對FM1722,要求滿足:DVDD≤AVDD≤TVDD;否則可能造成芯片發(fā)熱,本文對各電源電壓選取如表1所示。

表1　電源電壓的選取

1.2設(shè)計電流

按照手冊中的電流消耗,ITVDDMAX=150mA; IAVDDMAX=40mA。本文按照30%裕量,同時在主板電源設(shè)計時,考慮天線系統(tǒng)的250mA的電流,綜合考慮采用輸出電流至少250mA的LDO電源芯片。同時使發(fā)射電流ITVDD≤100mA,從而降低發(fā)射電路的功耗[3,4]。

1.3電源濾波電路設(shè)計

為得到穩(wěn)定的直流電源,需要對電源進行濾波處理。如圖1所示,為該天線的電源濾波電路,本文采用π型濾波電路,在調(diào)試時,可以在電感L5位置串入萬用表測試其發(fā)射電流。

2天線接口匹配電路的設(shè)計

如圖2所示,為典型的天線接口匹配電路,主要包括EMC濾波電路和阻抗匹配電路兩部分。

圖1　電源濾波電路設(shè)計

圖2　典型的天線接口電路

2.1EMC濾波電路設(shè)計

如圖2所示,由L0、C0組成EMC低通濾波電路,其主要作用如下:

A. 對發(fā)射信號進行濾波,濾除其13.56MHz的高次諧波,使其符合無線電委員會的規(guī)定;

B. 降低發(fā)送信號過沖,改善發(fā)送信號質(zhì)量;

C. 阻抗匹配功能;

EMC低通濾波電路參數(shù)選擇(主要針對基本參數(shù)設(shè)計而言):

本文取L0=1uH,濾波器震蕩頻率fr0=14.3MHz。

根據(jù)濾波電路的頻率計算公式:

(1)

其中ω為震蕩角頻率。

可得匹配電容的大小:

(2)

將已知數(shù)據(jù)代入(2)式,得C0=123.9pF,可用兩電容并聯(lián)實現(xiàn),即C0=68pF+56pF=124pF。

2.2天線阻抗匹配電路設(shè)計

如圖3為本文設(shè)計的天線匹配電路,其中電容C1與C2的容值可調(diào),具體取值要根據(jù)天線線圈的電感量來確定,電容調(diào)節(jié)起始推薦值如表2所示。當天線板制板后,利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對其電感量進行初步量測,從而確定電容調(diào)節(jié)的初始值。

圖3　阻抗匹配電路圖

Lant[μH]Cs[pF]Cp1[pF]Cp2[pF]0.8272703300.9272702701.0272202701.127180||222201.227180180||221.3271801801.4271501801.5271501501.627120||101501.727120120

3接收電路的設(shè)計

如圖5所示,為信號接收電路。VMID為FM1722/MFRC531內(nèi)部輸出的參考電壓,主要給RX腳提供參考電壓;圖中CRX主要用于隔直流,而R1、R2對接收的交流信號進行分壓,從而達到適合接收腳的電壓范圍。

圖4　信號接收電路圖

在圖5中,可以事先定出R1、CVMID及CRX,同時不考慮天線的影響,使URX的目標值為1V,則式(3)為R2的取值計算公式。

(3)

另外,在測試時,需要使用低容值的示波器探頭,因此在PCB設(shè)計時要充分考慮測量的方便性,測試管腳與地之間構(gòu)成的環(huán)路要盡可能的小。

4發(fā)射電路的設(shè)計

4.1天線板的設(shè)計

如圖6為本設(shè)計發(fā)射電路的原理圖,與傳統(tǒng)電路相比,串聯(lián)電容由原先的一個改為兩個并聯(lián),同時為了方便系統(tǒng)調(diào)試,加入可調(diào)電容C15。R1、R2用于微調(diào)天線Q值。接收電路可采用兩種方案,當天線線圈L3或L4為完整圈數(shù)時,采用方案1,將中心抽頭接地;當天線線圈L3或L4為不完整圈數(shù)時,采用方案2,將中心抽頭接懸空,從而達到浮地效果,以彌補天線線圈的不對稱。設(shè)計采用方案2,線圈中心抽頭懸空。為了避免大電容的誤差,提高系統(tǒng)工作的可靠性,本設(shè)計通過小容值電容的并聯(lián)來獲取大電容。繪制天線板時,為方便測量SMITH圓圖以進行阻抗匹配,在芯片的TX1、TX2兩個輸出端,繪制兩個焊盤,半徑分別為1mm和1.5mm。為提高穩(wěn)定性,使發(fā)射端的EMC低通濾波器盡可能靠近芯片,并使其組成面積盡可能小。

圖5　發(fā)射電路原理圖

為盡量減小發(fā)射電路的功耗,在設(shè)計中使TVDD的電流限制在100mA以下。為保證差分電路的對稱性, 電感電容值選取是必須保證橋臂的平衡,因此,按照以下原則選取元件:C3+C4=C8+C9;C1+C2=C13+C14;C5+C6+C7=C10+C11+C12。為便于測試,對芯片的AUX管腳及MFOUT管腳進行懸空處理。

4.2天線線圈的設(shè)計

天線線圈的形狀、面積及匝數(shù)直接影響射頻卡的讀卡距離。為使天線產(chǎn)生磁場盡量均勻,本設(shè)計采用圓形線圈。天線的讀卡距離隨其線圈半徑的增大而增大,所以,在空間允許的情況下,應(yīng)使線圈盡可能大,同時為了降低耦合系數(shù),提高穩(wěn)定性,應(yīng)避開ISO7810規(guī)定的IC卡尺寸(85.6×53.98mm2),同時天線的圈數(shù)不宜過大,半徑5cm以內(nèi)推薦4圈,超過5cm推薦2圈。本設(shè)計考慮到讀卡器的安裝空間,采用半徑4cm的4圈天線設(shè)計。綜合以上所述,限于天線的安裝空間,為使天線尺寸最小,本文采用彎折的偶極子天線[5]。

天線線圈的品質(zhì)因數(shù)(以下稱Q值)直接影響天線的靈敏度。在設(shè)計時,初始Q值按下式確定:

(4)

其中LANT為天線線圈的電感值;RANT為天線線圈的電阻值;fR為天線諧振頻率。LANT、RANT可通過網(wǎng)絡(luò)分析儀對PCB天線進行測量,代入上式計算出Q值。

根據(jù)帶寬定義,及時間帶寬積B*T≥1,可以得出:

Q≤fR·T=13.56MHz·3μS=40.68

(5)

即Q值應(yīng)該小于40.68;由于容差及溫度依賴性,本設(shè)計取Q值為35。

如圖6(a)所示,確定天線板PCB后,其Q值已經(jīng)確定,為了調(diào)整原始Q值,加入衰減電阻REXT,如圖6(b)所示,衰減電阻的計算公如式(6)。

(6)

根據(jù)式(6)加入衰減電阻就可調(diào)整原始Q值;但要注意對于差分型匹配,衰減電阻需要對稱兩個,其阻值各為為REXT/2。

(a)天線的等效電路

(b)加入衰減電阻后的等效電路 圖6　天線等效電路圖

5結(jié)語

本文設(shè)計的基于FM1722/MFRC531芯片的差分發(fā)射電路的天線接口電路。并且采用新型的彎折偶極子天線,與傳統(tǒng)接口電路相比,其結(jié)構(gòu)更加簡單、工作更加可靠且其成本低廉,特別適用于各種內(nèi)置芯片式的非接觸性卡,在公交及校園等刷卡終端有著廣闊的實用價值。將該電路用于某公司的校園一卡通讀卡器中,經(jīng)過實驗運行,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

(責任編輯呂春紅)

參考文獻:

[1] Kang Daehyun,Kim Dongsu, Choi Jinsung, et al. Fellow, A Multimode/Multiband Power Amplifier With A Boosted Supply Modulator. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2010:58 (10): 2598-2608.

[2]王素琴. Mifarel非接觸式IC卡的研究與實現(xiàn)[D]. 北京：北京工業(yè)大學(xué),2013.

[3]范文兵, 李建華, 禹士鵬,等. RFID 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中CRC算法的分析與實現(xiàn)[J].鄭州大學(xué)學(xué)報，2010,31(2):97-101.

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[6] 陳亮. 無線射頻識別IC卡數(shù)字模塊的研究和設(shè)計[D]. 廣州：暨南大學(xué), 2006.

Practical Interface Circuit Design in Near Field Coupling Antenna

Based on Difference Launch

ZHAO Xiao-he,et al

(Henan Mechanical and Electrical Engineering College, Xinxiang 453000,China)

Abstract:Antenna is used as the main component of the wireless communication, whose performance is directly related to the stability of the entire communication system can work reliably. Design of the interface circuit between the antenna and the card reader is directly related with the realization of wireless radio frequency communication. In this paper, based on the original interface circuit, designed the interface circuit more simple, reliable and lower cost, and can be achieved with a variety of cards on the market popular communication. The circuit is used for the campus card of a corporation, card reader, after many years of operation, the system is stable and reliable.

Key words:near field coupling antenna; wireless communication; interface circuit