关于13.56MHz读卡天线的一些资料收集与调试心得_13.56mhz 读卡器天线平衡匹配

前言：

为了方便查看博客，特意申请了一个公众号，附上二维码，有兴趣的朋友可以关注，和我一起讨论学习，一起享受技术，一起成长。

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刚开始开发设计13.56MHz读卡天线的时候，因为知识层面的浅薄与经验的不足，笔者在的产品设计过程中走了不少弯路，在此做一个总结，也是对13.56MHz读卡天线的学习笔记。

前面也转载过一几篇文章，目录如下，但感觉都掌握的不够，学习的不够深入，再重新理一遍思路。

1.13.56MHz天线绘制

2.看完这篇“史密斯圆图”告别懵逼射频！

3.IC卡——基础知识

1.简介

现如今，13.56MHz无线智能卡应用十分广泛，如：二代身份证、手机支付、校园一卡通、工卡等都是使用13.56MHz无线智能卡技术。

高频RFID频率是13.56MHz的，射频输出两个脚TX1，TX2，接收一个脚RX，另外一个是RX的偏置电压VMID，让RX信号偏置到1/2电源电压位置，保证接收性能最好。

ISO14443A/B：超短距离智慧卡标准，该标准订出读取距离<20cm的短距离非接触智慧卡的功能及运作标准。 ISO14443 定义了TYPE A, TYPE B 两种类型协议，通信速率为106kbit/s，都是采用 423KHz 的副载波技术，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。

1.1 副载波调制

电子标签向阅读器进行数据传送。下图解释的比较清楚了：

对于13.56 MHz 的射频系统，常用的副载波频率为：847KHz；424KHz；212KHz。

副载波调制的结果是在载波频率 13.56MHz 的周围产生 ± fSUB 的边频带 副载波负载调制可以简单并健壮地测试接收信号

2.天线

2.1 天线作用

天线是一种转能器，是有高品质因子并调谐到工作频率的振荡电路。。**发射时，它把发射机的高频电流转化为空问电磁波；接收时，它又把从空间截获的电磁波转换为高频电流送入接收机。**对于设计一个应用于射频识别系统中的小功率、短距离无线收发设备，天线设计是其中的重要部分。良好的天线系统可以使通信距离达到最佳状态。

在天线电流一定情况下，天线线圈能产生较大的磁通量，满足一定的工作距离；足够的带宽，可以无失真地传送用于数据调制的副载波信号；功率匹配，即最小的能量损耗，最大程度利用阅读器输出的可用能量。

天线线圈等效电路：

2.2 组成部分

下图有很清晰的说明：

电路组成：

电容与天线线圈并联或者串联起来组成LC谐振电路，通过此谐振电路，阅渎器将能量传输至射频卡，并与卡进行通信。谐振电路的谐振频率可调谐至阅读器的工作频率13.56 MHz。

计算公式：

天线电感和电容的实际值由不同的参数决定：天线结构 PCB 的类型；导体的厚度；线圈之间的距离；屏蔽层；附近环境的金属和铁等都会对天线的性能造成影响。

2.2.1 发射电路

信号发射部分可细分为EMC滤波电路、谐振与阻抗匹配电路、线圈三部分。其中：

EMC滤波电路：

主要是由LC低通滤波电路组成低通滤波器，读卡芯片经由TX1和TX2送出的天线信号主要是13.56Mhz，但是不可避免也会有高次谐波存在，该部分的低通滤波器主要作用就是滤除高于13.56Mhz的无用信号。滤除 13.56 MHz 中的三次、五次和高次谐波，设计电路时在射频模块发送端：即TX1脚，TX2脚和地TVSS脚之间引入一个低通滤波器电路。这样既有利于读卡器与卡片之间的正常通信，也能减少天线部分对空间或者附近电路的电磁干扰。

匹配电路：

匹配电路形式上图中深黄色区域，主要是调整整个天线发射部分的谐振频率点 13.56Mhz附近，这样可以使得线圈上的信号幅度增加有利于磁场辐射。另外匹配电路还要将发射部分电路的电阻匹配到与读卡芯片的输出电阻附近，典型的是50欧姆（不同芯片不一样），可以使得天线部分获得最大功率有利于读卡距离提升。

天线线圈：

线圈可以是PCB线圈或者铜线绕制线圈。

电阻 Rext 用于品质因数的调控，降低原始的 Q 因子。

计算公式：

2.2.1 接收电路：

信号接收电路由四个元器件构成，图中黄色区域 Cmin 电容可稳定读卡芯片内部提供的固定参考电压 Vmin，R1则将此参考电压引入到RX引脚，为芯片的接收信号添加固定直流电平，CRx 则从发生电路引入反馈信号与 Vmin 叠加后送入芯片内部。通过调节 R2和 R1 的比值可以调节 Rx 脚信号的幅度，使得芯片的读卡距离最佳。

对于设计匹配器件的选择，与印刷板上天线的面积，圈数等有直接关系，需要结合自身设计具体调试。

2.3 读卡距离的影响因素

阅读器的工作距离由三方面要素决定：阅读器的天线尺寸,天线匹配电路的品质因子 Q 和阅读器周围环境。

品质因数：mifare卡中，Q = 35。计算公式：

天线的品质因数Q，是谐振时回路中的感抗值（ 或者容抗值） 与回路电阻的比值。 反应了天线的输出能量， Q值既影响能量的传输效率， 同时读写器的通带特性也受到影响。

3.天线调谐

要获得最优的性能，天线必须进行正确的调谐。建议在完整的终端上最后进行天线调谐。包括终端的所有部分都应正确连接到电源以及将天线和读卡器的 PCB 调整到在它们最后的位置上。

调谐过程的解释分成两个部分：

第一部分是调谐在能量传输上获得最优的工作距离；

第二部分是解释如何检查天线的品质因子确保数据正确传输。

天线的调谐过程被划分到第一次开发测试和第二次生产测试的调谐方法 我们建议用阻抗分析仪进行。成功调谐的一个最重要的因素是要知道天线的等效电子参数，找到调谐最好的起始值。测量天线等效参数的最简单方法是用阻抗分析仪。

矢量分析仪常用参数选择表：

4.Reader与Tag交互

5.天线参数的参考设计

在天线调谐过程中，我们需要结合矢量网络分析仪，示波器等设备进行天线的匹配。

TX1，TX2两端发出两路相位相反的信号：

注：RC500天线设计及应用指南-周立功是个很好的天线匹配的设计资料。

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参考：

1.13.56 MHz RFID读卡器天线的设计

2.13.56MHz RFID 阅读器直接匹配天线的设计

3.How to design a 13.56 MHz customized antenna

4.高频RFID射频电路原理

5.NXP MFRC523 无接触读卡器参考设计