基于TRF7970A的NFC读写器天线设计、自制及其匹配
基于TRF7970A的NFC读写器天线设计、自制及其匹配
TRF7970A是用于13.56MHz RFID/NFC近场通信系统的模拟射频前端和数据帧元件,可选择工作在三种状态下:RFID/NFC阅读器,NFC对等和模拟卡片模式。器件工支持NFC标准 ISO/IEC 18092和 ISO/IEC 21481,完全集成了ISO15693, ISO15693, ISO18000-3, ISO14443A/B 。在本文中，我们选用TRF7979A评估板模块作为读写器端。模块上集成了MSP430F2370MCU和TRF7970A及其天线，可以十分方便的实现有关功能，且评估板上也预留外接天线，为以后自制天线留下基础。其引脚图如下所示：
读写器模块部分是采用的50Ω标准阻抗匹配方式。评估板的板载天线比较小，因此需要自制天线。在使用时将TRF7970A模块上的SMA（Sub Miniature version A，高频连接器）接口焊上SMA插座即可以使用SMA射频线连接到自制的天线匹配网络，这如果之后还想改变天线来使得通信距离更稳定更远时，仅仅需要改变天线后面的匹配电路。自制天线采用三元件50Ω匹配法。
（1）确定天线尺寸
在确保输出功率的情况下，天线面积越大越好，但是TRF7970A在5-V工作时被限制在200mW。如果天线太大，那么TRF7970A的功率就会被限制在200mW。此时将不能正常的驱动天线，会出现读孔。
在设计NFC/HF RFID天线时，要仔细考虑线圈在最终的天线上的位置。机械封装，并确保天线线圈远离金属。因为NFC/HF RFID是基于磁场的，任何靠近天线线圈的金属都会有阻尼作用 对天线的影响。当天线线圈被阻尼时，电感量会发生变化，而这种变化导致中心频率偏离13.56 MHz，从而对天线的调谐产生负面影响。故本文将在12cm*18cm洞洞板上绕2圈线圈，作为自制天线。
（2）为串联和并联电容预留焊盘
这允许在天线调谐过程中对电容值进行更精细的调整，因为当试图优化中心频率或带宽时，标准值电容通常不能提供足够精确的变化。因此在自制天线的洞洞板上也要预留一定的空间为更精准的调谐。
（3）布置SMA（次微型版本A）或u.FL（射频同轴）连接器的焊盘。
对于PCB天线，为了能够轻松地调整和验证天线，建议在SMA或u.FL连接器上焊接焊盘，以便为网络分析仪工具提供天线线圈和匹配网络的通道。垫子应该放在TRF7970A阻抗匹配的50-Ω点和天线匹配网络之间。在TRF7970A评估板上已预留SMA插座，将SMA插座也置于自制天线一端，后续调试便可通过SMA的射频连接线来连接两端
3. 使用0-Ω的电阻来隔离匹配网络。
为了隔离匹配网络和TRF79xxA发射机匹配电路的其他部分，可以在匹配网络之间放置一个0-Ω的电阻。将电阻器置于50-Ω匹配的最后一个元件和用于网络分析仪接入的连接器之间。
（4）天线至50Ω的三元件匹配
当调整高频RFID应用的天线时，第一步是测量自制天线线圈的电感和复阻抗。读写器天线采用采用自制矩形线圈天线，设计时天线直径取10cm，使用aimo meter-ESR01 LCR测试仪测得时电感值为1.37μH，直流阻抗值为0.48，计算在13.56MHz交流阻抗为:
对于大多数应用，当应用包括使用ISO14443A（NFC类型A）、ISO14443B（NFC类型B）或FeliCa™（NFC类型F）技术时，7至10的Q因子是合适的。
对于只使用ISO15693（NFC V型）技术的应用，Q因子可以显著提高，因为边带不需要这么宽的带宽。高达18的Q因子可以提供很好的读取范围性能，应被视为上限。故在本应用中，经过测试，选择Q=17时具有比较好的调谐效果。要开始在匹配网络上放置元件，应使用所需的Q因子来估计并联电阻的值。
故可以采用20k的并联电阻
既然知道了电感和复阻抗，下一步就是用Smith Chart仿真软件进行仿真调谐。下面的例子使用的是Fritz Dellsperger公司生产的Smith V3.1软件。
打开Smith3.10软件，使用keyboard输入线圈电感和线圈实部和虚部的值。
图1 在史密斯圆环上输入复阻抗
此时可看到此时在Smith圆上的初始位置与此时匹配电路原理图
图2 史密斯圆图初始图
在史密斯模拟器上布置元件时，推荐的顺序是：并联电容、并联电阻和串联电容。放置并联电容，应使数据点靠近半球，在62.7。
图3 在史密斯圆环上加入并联电容
现在的目标是通过添加并联电阻，使数据点向加粗的红圈靠拢 。我们已经计算出实现该目标的并联电阻，并在史密斯图模拟器中使用该值。
如果需要的话，调整并联电容值可以使数据点更接近加粗的红圈。
图4 在史密斯圆环上加入并联电阻
见上图，我们将并联电阻设为2000Ω，这是我们已经计算的。这个值是针对所需的应用要求，所以不需要在模拟图上对任何一个组件进行调整。
随着最后一个串联电容放置，数据点现在几乎是中心的50-Ω点（见图）的史密斯图。最终使用的值是Cp = 62.7 pF，Rp = 2000 Ω，Cs = 38.9 pF。如下图所示：
图5 在史密斯圆环上加入串联电容
现在，理论匹配已经完成，我们需要在洞洞板上进行自制天线，如下图所示
