基于差分发射的近场耦合天线实用接口电路的设计

基于差分发射的近场耦合天线实用接口电路的设计*

赵筱赫1,张春强2,张强松3,宋海洋2,

(1.河南机电高等专科学校,河南 新乡 453000;2.中国平煤神马集团,河南 平顶山 467000;

3.新开普电子股份有限公司,河南 郑州 450000)

摘要:天线作为射频通讯的接收部件,其性能的稳定性直接关系到整个通信系统能否可靠工作,而天线与读卡器之间的接口电路的设计直接关系着无线射频通信能否实现。文章在原有接口电路的基础上,设计出差分式的接口电路,其结构更加简单、工作更加可靠、抗干扰能力强、响应速度快且成本较低的接口电路,并且可以实现与市面上流行的多种卡类的通信。将该电路用于某公司的校园一卡通读卡器中,经过多年运行,系统稳定可靠。

关键词:近场耦合天线；无线通信；接口电路

收稿日期：2015-06-25

中图分类号：TN409

随着现代无线通信技术的快速发展,近场非接触性双向通信技术越来越多的应用于产品识别、数据采集等领域,在物流仓储、商品零售、交通运输、防伪识别、校园管理等行业有着得天独厚的推广优势。

天线作为非接触卡通信方式智能终端的核心部件,其性能的稳定性直接关系到整个系统的运行可靠性,在天线设计过程中,必须考虑与天线相关的外观、主板、结构等的总体环境设计,使外观、主板、结构、天线作为一个整体,提供给天线合理的预留空间及内部RF环境,从而为天线的良好性能打下基础,为产品的稳定性立下根基。根据应用需求,本文设计基于FM1722/MFRC531芯片的差分发射电路的近场耦合天线实用接口电路[1,2]。

1电源电路设计

1.1设计电压

FM1722/MFRC531需要三路电源供电:TVDD、AVDD、DVDD;对FM1722,要求满足:DVDD≤AVDD≤TVDD;否则可能造成芯片发热,本文对各电源电压选取如表1所示。

表1　电源电压的选取

1.2设计电流

按照手册中的电流消耗,ITVDDMAX=150mA; IAVDDMAX=40mA。本文按照30%裕量,同时在主板电源设计时,考虑天线系统的250mA的电流,综合考虑采用输出电流至少250mA的LDO电源芯片。同时使发射电流ITVDD≤100mA,从而降低发射电路的功耗[3,4]。

1.3电源滤波电路设计

为得到稳定的直流电源,需要对电源进行滤波处理。如图1所示,为该天线的电源滤波电路,本文采用π型滤波电路,在调试时,可以在电感L5位置串入万用表测试其发射电流。

2天线接口匹配电路的设计

如图2所示,为典型的天线接口匹配电路,主要包括EMC滤波电路和阻抗匹配电路两部分。

图1　电源滤波电路设计

图2　典型的天线接口电路

2.1EMC滤波电路设计

如图2所示,由L0、C0组成EMC低通滤波电路,其主要作用如下:

A. 对发射信号进行滤波,滤除其13.56MHz的高次谐波,使其符合无线电委员会的规定;

B. 降低发送信号过冲,改善发送信号质量;

C. 阻抗匹配功能;

EMC低通滤波电路参数选择(主要针对基本参数设计而言):

本文取L0=1uH,滤波器震荡频率fr0=14.3MHz。

根据滤波电路的频率计算公式:

(1)

其中ω为震荡角频率。

可得匹配电容的大小:

(2)

将已知数据代入(2)式,得C0=123.9pF,可用两电容并联实现,即C0=68pF+56pF=124pF。

2.2天线阻抗匹配电路设计

如图3为本文设计的天线匹配电路,其中电容C1与C2的容值可调,具体取值要根据天线线圈的电感量来确定,电容调节起始推荐值如表2所示。当天线板制板后,利用网络分析仪对其电感量进行初步量测,从而确定电容调节的初始值。

图3　阻抗匹配电路图

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

3接收电路的设计

如图5所示,为信号接收电路。VMID为FM1722/MFRC531内部输出的参考电压,主要给RX脚提供参考电压;图中CRX主要用于隔直流,而R1、R2对接收的交流信号进行分压,从而达到适合接收脚的电压范围。

图4　信号接收电路图

在图5中,可以事先定出R1、CVMID及CRX,同时不考虑天线的影响,使URX的目标值为1V,则式(3)为R2的取值计算公式。

(3)

另外,在测试时,需要使用低容值的示波器探头,因此在PCB设计时要充分考虑测量的方便性,测试管脚与地之间构成的环路要尽可能的小。

4发射电路的设计

4.1天线板的设计

如图6为本设计发射电路的原理图,与传统电路相比,串联电容由原先的一个改为两个并联,同时为了方便系统调试,加入可调电容C15。R1、R2用于微调天线Q值。接收电路可采用两种方案,当天线线圈L3或L4为完整圈数时,采用方案1,将中心抽头接地;当天线线圈L3或L4为不完整圈数时,采用方案2,将中心抽头接悬空,从而达到浮地效果,以弥补天线线圈的不对称。设计采用方案2,线圈中心抽头悬空。为了避免大电容的误差,提高系统工作的可靠性,本设计通过小容值电容的并联来获取大电容。绘制天线板时,为方便测量SMITH圆图以进行阻抗匹配,在芯片的TX1、TX2两个输出端,绘制两个焊盘,半径分别为1mm和1.5mm。为提高稳定性,使发射端的EMC低通滤波器尽可能靠近芯片,并使其组成面积尽可能小。

图5　发射电路原理图

为尽量减小发射电路的功耗,在设计中使TVDD的电流限制在100mA以下。为保证差分电路的对称性, 电感电容值选取是必须保证桥臂的平衡,因此,按照以下原则选取元件:C3+C4=C8+C9;C1+C2=C13+C14;C5+C6+C7=C10+C11+C12。为便于测试,对芯片的AUX管脚及MFOUT管脚进行悬空处理。

4.2天线线圈的设计

天线线圈的形状、面积及匝数直接影响射频卡的读卡距离。为使天线产生磁场尽量均匀,本设计采用圆形线圈。天线的读卡距离随其线圈半径的增大而增大,所以,在空间允许的情况下,应使线圈尽可能大,同时为了降低耦合系数,提高稳定性,应避开ISO7810规定的IC卡尺寸(85.6×53.98mm2),同时天线的圈数不宜过大,半径5cm以内推荐4圈,超过5cm推荐2圈。本设计考虑到读卡器的安装空间,采用半径4cm的4圈天线设计。综合以上所述,限于天线的安装空间,为使天线尺寸最小,本文采用弯折的偶极子天线[5]。

天线线圈的品质因数(以下称Q值)直接影响天线的灵敏度。在设计时,初始Q值按下式确定:

(4)

其中LANT为天线线圈的电感值;RANT为天线线圈的电阻值;fR为天线谐振频率。LANT、RANT可通过网络分析仪对PCB天线进行测量,代入上式计算出Q值。

根据带宽定义,及时间带宽积B*T≥1,可以得出:

Q≤fR·T=13.56MHz·3μS=40.68

(5)

即Q值应该小于40.68;由于容差及温度依赖性,本设计取Q值为35。

如图6(a)所示,确定天线板PCB后,其Q值已经确定,为了调整原始Q值,加入衰减电阻REXT,如图6(b)所示,衰减电阻的计算公如式(6)。

(6)

根据式(6)加入衰减电阻就可调整原始Q值;但要注意对于差分型匹配,衰减电阻需要对称两个,其阻值各为为REXT/2。

(a)天线的等效电路

(b)加入衰减电阻后的等效电路 图6　天线等效电路图

5结语

本文设计的基于FM1722/MFRC531芯片的差分发射电路的天线接口电路。并且采用新型的弯折偶极子天线,与传统接口电路相比,其结构更加简单、工作更加可靠且其成本低廉,特别适用于各种内置芯片式的非接触性卡,在公交及校园等刷卡终端有着广阔的实用价值。将该电路用于某公司的校园一卡通读卡器中,经过实验运行,系统稳定可靠。

(责任编辑吕春红)

参考文献:

[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非接触式IC卡的研究与实现[D]. 北京：北京工业大学,2013.

[3]范文兵, 李建华, 禹士鹏,等. RFID 系统数据传输中CRC算法的分析与实现[J].郑州大学学报，2010,31(2):97-101.

[4] 苏艳, 黄海洋, 陈东杰. UHF频段近场耦合RFID读写天线的设计[J].科学技术与工程，2011,11(19):4602-4604.

[6] 陈亮. 无线射频识别IC卡数字模块的研究和设计[D]. 广州：暨南大学, 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