RC522線圈設計及相關參數的選定

LC低通濾波電路（藍色區域）

TX1、TX2為載波發送引腳。

載波或者載頻（載波頻率）是一個物理概念，是一個特定頻率的無線電波，單位[Hz]，是一種在頻率、幅度或相位方面被調制以傳輸語言、音頻、圖象或其它信號的電磁波。

下圖為TX1、TX2引腳發送的波形

可以看到TX1、TX2發送的載波為幅值相等，頻率為13.56MHz左右,相位相差180°的正弦信號，

經過后續電路在線圈內疊加產生大於2倍幅值的正弦波(串聯諧振增益)。

這個頻率要用一個石英振盪器發生 但它同時也產生高次諧波 為了符合國際 EMC 規定 13.56MHz 中的三次 五次和高次諧波要被良好地抑制 。

所以這里采用的是低通濾波器來濾除13.56MHz的諧波。

這個低通濾波器第一時間我想到的是RC低通，但是官方使用的是LC低通濾波，

我手里的PCB不方便進行實驗，於是就是用Multism進行了仿真

LC和RC的截止頻率均為13.56MHz左右，

上為LC低通濾波波特圖

下為RC低通濾波波特圖

根據波特圖可以看出LC低通濾波其波形並不是正常的低通濾波，而是在諧振頻率點發生了諧振對信號產生了增益的作用，

而RC低通濾波在截止頻率下不僅沒有對信號產生增益，反而抑制了信號

手冊里采用的LC低通截止頻率附近會對TX發出載波產生諧振增益，這個增益有助於提升NFC的刷卡距離

那這個增益能不能通過修改LC的值進行增大呢？

根據LC諧振頻率公式：

\[\omega=\frac {1}{\sqrt{LC}} \]

LC低通濾波傳遞函數：

\[Av=\frac {1}{1-\omega^2LC} \]

可得

\[Av=\frac{1}{1-1}=+\infty \]

也就是說當在諧振頻率處的 \(Av\) 是趨於無窮大的

由於我選取的\(LC\)諧振頻率只是接近於\(13.56MHz\),並且信號源輸出的頻率為標准的\(13.56MHz\),所以仿真的波特圖\(Av\)不會趨於無窮大

但是我們可以確定的一點是，我們選取得\(LC\)諧振頻率越接近於\(13.56MHz\)，\(Av\)就越大。

而且\(Av\)與\(C\)后所帶的阻抗有關

負載阻值越高，增益越大。

這里\(LC\)的選取只要接近\(13.56MHZ\)就可以了，越接近效果越好。

NFC天線電路(綠色區域)

NFC天線本身就是一個線圈，本就含有電感\(L\)，導線包含電阻\(R\),相鄰導線之間存在電容\(C\),

所以我們可以將線圈進行簡化，調節諧振頻率時，由於電容\(C2\)非常小，可以忽略不計

通過等效電路可以方便我們的參數選定，線圈的電感值不好測定，我使用的是ST官方提供的計算工具

NFC電感在線計算

不過由於我畫的線圈並不是規則的矩形，這種方法對我來說基本沒有辦法用，而且實驗室也沒有測量電感的儀器

本來想着諧振法測電感利用公式

\[\omega=\frac {1}{\sqrt{LC}} \]

和波形發生器、示波器進行測試，找到諧振頻率就能倒推\(L\)的值

但是由於線圈的\(L\)特別小屬於\(nH\)級別，諧振頻率\(f\)基本已經達到100MHZ以上了，

基本已經超出示波器和波形發生器測試范圍了，

這種方法基本也不能用(但凡有台測電感的儀器,我都不會寫這一部分┐(─__─)┌)

后來又想到串聯一個電阻和電感，利用波形發生器產生不同頻率的正弦波，

加到這個串聯回路上就能根據感抗\(X_L=\omega*L\)上分壓來測量電感了

電路如下，非常簡單，利用分壓就可以算出\(L\)

由於\(L\)很小，我直接從\(20MHZ\)開始測試

去掉突變項，取一個近似值\(0.0000005H\)左右

再次通過公式

\[\omega=\frac {1}{\sqrt{LC}} \]

計算得到\(C≈276PF\)

由於計算和測量存在誤差最后實際測試\(C=330PF\)時效果最好

實測距離\(40-50mm\)左右

匹配電路(黃色區域)

此部分主要是調整整個天線發射部分的諧振頻率點到\(13.56MHz\)附近，這樣可以使得線圈上的信號幅度增加有利於磁場輻射。

另外匹配電路還要將發射部分電路的電阻匹配到與讀卡芯片的輸出電阻附近，典型的是50歐姆（不同芯片不一樣）。

這樣可以使得天線部分獲得最大功率有利於讀卡距離提升。

阻抗匹配（impedance matching） 主要用於傳輸線上，以此來達到所有高頻、微波信號均能傳遞至負載點的目的，而且幾乎不會有信號反射回來源點，從而提升能源效益。信號源內阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同，或傳輸線的特性阻抗與所接負載阻抗的大小相等且相位相同，分別稱為傳輸線的輸入端或輸出端處於阻抗匹配狀態，簡稱為阻抗匹配。

負載阻抗等於信源內阻抗，即它們的模與輻角分別相等，這時在負載阻抗上可以得到無失真的電壓傳輸。

這個我理解的意思就是從匹配電路和線圈，總阻抗為50歐姆

品質因子

假設天線電感 L 和電阻 R 的值已知
天線的品質因子是天線正確調諧和所獲得的性能的一個重要特性 天線的品質因子由下面的公式定義

\[Q=\frac{\omega*L}{R} \]

這個公式從能量角度理解為產生磁場的無功功率與電阻上消耗的有功功率的比值。

線圈作為通信媒介，我們肯定是希望產生磁場的無功功率更大一些，也就是\(Q\)更大一些。

根據天線的幾何形狀 Q 的值通常在 50-100 之間 要進行正確的數據傳輸這個值還要減少

由於RFID通信方式最小脈寬也要\(T=3us\)

帶寬

\[B=\frac{f}{Q} \]

時間與帶寬的乘積規定：

\[B*T\geq1 \]

算出品質因子的要求為

\[Q\leq f*T\leq40.68 \]

周立功的手冊里推薦Q問為35左右

我們已知線圈\(L\)和\(R\)

利用上述公式

\[R_Q=\frac{\omega*L}{Q}-R \]

\(R_Q\)為外接電阻，用來改善線圈品質因數，

我計算的\(R_Q≈0.2Ω\)，由於沒有這么小的電阻，直接使用\(0Ω\)電阻代替了

其實這個\(R_Q\)可以取稍微大一些，因為\(R_Q\)大一些的話，品質因數\(Q\leq35\)

在低於40下基本都是可以正常工作的。

阻抗匹配

這里我們直接看匹配電路和線圈，在\(13.56MHZ\)下使其阻抗達到50Ω

其他參數選取基本完成了，現在只剩下\(C26\)一個未知項

這里的計算屬實麻煩，我直接在推薦電路數值周圍改了改，取了一個較為合適的值。

(這個計算公式實在看不懂# -__-)

接收電路（淺黃色區域）

先看引腳功能

VMID為RX提供參考電壓，RX負責接收信號

為了減少干擾 在 VMID 管腳連接一個電容到地

這一部分我是直接參考官方的推薦電路，因為線圈參數確定的話，傳回來的信號頻率基本也是確定的。

TGND的疑問

在線圈中間引出一條地線，實際上把線圈分成了兩個回路

\(TX1->TGND\)

\(TX2->TGND\)

\(TX1、TX2\)輸出的為差分信號，所以這兩條回路在任意時刻流過的電流方向都是相同的

所以產生的磁場會進行疊加。

若果我們去掉紅框部分的\(TGND\)

回路變成了\(TX1->TX2\),並且因為\(TX1、TX2\)為差分信號，

也就是\(TX1、TX2\)的信號進行了疊加。

實測接\(TGND\)與不接\(TGND\)效果相差無幾。

參考資料：
設計 MF RC500 的匹配電路和天線的應用指南

13.56MHz RFID讀寫器天線匹配設計方法

13.56Mhz下50歐姆阻抗匹配簡易教程