【NFC-PCB校园卡制作】NFC天线阻抗匹配篇——立创eda专业版实战

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背景

使用电感的阻抗匹配

立创EDA专业版天线布线

参考资料

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背景

笔者最近在设计一块具有NFC功能的PCB，因此板上需搭载NFC芯片。CUID是NFC芯片中的一种，具有可多次读写、可绕开UID卡无法破解的防火墙的功能[1]。因此，笔者将选用淘宝上的COB封装的CUID芯片作为本项目中的NFC芯片，如图1。

图1

NFC芯片的信号传输载波频率为13.56MHz的高频信号，所以必须配置一个经阻抗匹配的天线[2]。经笔者调研，市面上CUID卡的阻抗匹配一般只需连接方形或环形的线圈，而不需要外加电容电路，示例图见图2。

图2

那么，在PCB中只需将导线作为线圈，并做到电感值的匹配，就可以实现NFC近场通信了。这款CUID芯片所需线圈电感值约6.5uH，如图3。

图3

使用电感的阻抗匹配

意法半导体提供了NFC电感工具，只需输入天线尺寸和PCB基板的参数，就可以得到天线的等效电感[3]。该工具的网页链接为：https://eds.st.com/antenna/#/，界面见图4。

图4[4]

对于本项目用到的CUID芯片，参数如图5所设置。

图5

立创EDA专业版天线布线

由图5知天线长=30mm，天线宽=30mm，线宽=2.54mm，线间距=0.3mm，圈数=13。

图6中的绿点是立创eda中设置导线端点的坐标点，可以看出它是在导线端点的中心的。

从天线的左上角按上方线-右方线-下方线-左方线-上方线-……-左方线的顺时针顺序进行布线。可以看出，从刚开始布线到已经转换3次方向的时候，后续线长均需此时减去线宽和线间距。继续布下去，则每转换2次方向，线长减去线宽和线间距。

图6

笔者写了一个在天线长宽（Antenna Length/Antenna Width）相等或不等时，计算线宽的C++程序，其输出结果可供布线时查阅：

#include<iostream>
#include <algorithm> //std::for_each

using namespace std;

struct AntennaParameters {
    int turns;
	float spacing;
	float wire_width;
	float antenna_length;
	float antenna_width;
};

struct WireLengthInfo {
	std::string length_info;
    float length;
};

WireLengthInfo Wires[] = {
        {"Top Wire Length: ", 0},
        {"Right Wire Length: ", 0},
        {"Bottom Wire Length: ", 0},
        {"Left Wire Length: ", 0}
    };


void CalWireLength(AntennaParameters params)
{
	if(params.turns > 15)
	{
		cout << "Error: Turns should not greater than 15.";
		return;
	}
	
	int wire_id = 0;
	int cut_off_count = 0;
	float delta_dis = params.spacing + params.wire_width;

	Wires[0].length = params.antenna_length;
	Wires[1].length = params.antenna_width;
	Wires[2].length = params.antenna_length;
	Wires[3].length = params.antenna_width;
	
	// In the first turn
	cout << "1st turns(Four elements) starts: " << endl;
	for(int i = 0; i <= 3; i++)
	{
		
		if(cut_off_count == 3) // In 1st turn, per three direction change cut once
		{
			for_each(begin(Wires), end(Wires), [delta_dis](WireLengthInfo& wire){
				wire.length -= delta_dis;
			});
			cut_off_count = 0;
		}
		cut_off_count ++;
		cout << Wires[wire_id].length_info << Wires[wire_id].length << endl;
		wire_id = (wire_id + 1) % 4;
	}

	
	// In the rest turns
	for(int i = 2; i <= params.turns; i++)
	{
		// which turn
		char last_digit = to_string(i).back();
		
		if(last_digit == '1')
			cout << i << "st turns(Four elements) starts: " << endl;		
		else if(last_digit == '2')
			cout << i << "nd turns(Four elements) starts: " << endl;
		else if(last_digit == '3')
			cout << i << "rd turns(Four elements) starts: " << endl;
		else
			cout << i << "th turns(Four elements) starts: " << endl;
		
		for(int j = 0; j <= 3; j++)
		{
			
			if(cut_off_count == 2) // In the rest turn, per two direction change cut once
			{
				for_each(begin(Wires), end(Wires), [delta_dis](WireLengthInfo& wire){
				wire.length -= delta_dis;
			});
				cut_off_count = 0;
			}
			cut_off_count ++;
			cout << Wires[wire_id].length_info << Wires[wire_id].length << endl;
			wire_id = (wire_id + 1) % 4;
		}
	}         
	return;
}
int main()
{
	AntennaParameters parameters;
	parameters.turns = 13;
	parameters.spacing = 0.3;
	parameters.wire_width = 0.254;
	parameters.antenna_length = 30;
	parameters.antenna_width = 30;

	CalWireLength(parameters);
	
	return 0;                                   
} 

在立创eda专业版中可绘制天线如图7。

图7

参考资料

【1】https://zhuanlan.zhihu.com/p/351266514

【2】https://www.zhihu.com/question/481557206

【3】https://zhuanlan.zhihu.com/p/575851244

【4】https://eds.st.com/antenna/#/