摘 要：NFC是一种近距离识别技术，在当前市面上使用极其广泛，NFC方案多采用NFC模块集成NFC差分天线的设计方式。而对于新应用场景，如餐饮智能柜，要求在智能柜可以实时监测柜中各个位置是否存在粘贴NFC标签的物品。如果采用传统NFC设计方式，需要采用多个NFC识别模块，造成整体方案的成本急剧上升。本文中提出了一种采用一台NFC设备搭载多路NFC天线的高性能匹配设计方案。
关键词：NFC;单端NFC;多路NFC天线
Abstract：NFC is a close-range identification technology，which is widely used in the current market. The NFC scheme mostly uses NFC module to integrate the design of NFC differential antenna. For new application scenarios，such as restaurant smart cabinet，it is required that the smart cabinet can real-time monitor whether there are items pasted with NFC labels in each location of the cabinet. If the traditional NFC design is adopted，multiple NFC recognition modules are needed，resulting in a sharp increase in the cost of the overall scheme. In this paper，a high-performance matching design scheme for a multi-channel NFC antenna mounted on a single NFC device is proposed.
Keywords：NFC;single-ended NFC;multiple NFC antenna
0 引 言
NFC技术在当下时代应用广泛[1]，已演变了多种应用场景，如门锁、手机支付、玩具、共享单车等。这些场景的应用中，NFC芯片与天线之间采用常规差分馈电方式，并且局限在较小的面积内。目前新兴场景，如智能书架、智能文件柜、智能取餐柜等，要求单片NFC识别芯片能够带载多个NFC天线，实现对多个方位的识别。本文中提出了一种较为新颖的NFC应用方式，通过采用多路射频开关的切换功能来实现单NFC设备对多NFC天线的应用，并详细论述了单端NFC天线的设计以及单端NFC设备与单端NFC天线的匹配设计。
1 单端NFC天线设计
1.1 单端设计的原因
单端设计是为了简便地传输信号，当信号需要从一块板传输到另一块板的时候，单端传输方式明显比差分传输更简便，且更经济。差分传输的优点在于对信号的抗干扰能力更强，但在部分场景下难以使用，比如在需要延长线的场景下，以及多路切换的情况下。
NFC天线在距离NFC设备较远的一种场景如图1所示。通过同轴馈线将NFC天线拉远进行NFC标签的识别。在这种情况下，一般要求进行NFC单端传输。目前几乎所有NFC天线，以及NFC芯片都是采用差分输入输出设计方式，而较为经济的同轴馈线阻抗一般为单端50欧，如果直接进行连接，那么会大幅度降低NFC的识别性能，甚至无法识别。因此需要考虑进行差分NFC天线的单端化设计，以及NFC芯片的单端化设计，并进行功率输出匹配，从而达到高性能识别的目的[2]。
1.2 线圈天线设计
设计一个合理的线圈天线，如图2所示，线圈天线设计主要需考虑的参数为：读取距离、天线Q值、线圈电感。选定这些参数，然后确定天线尺寸以及匹配。
1.4 天线测量
使用矢量网络分析仪测量实际匹配后的天线，通常我们可以得到1.5以下的驻波，这说明天线在13.56MHz处已经匹配很好了，但是为了保证天线能够满足ISO14443协议的传输，需要确定天线带宽能够满足2MHz要求，即Q值满足要求7。
具体测量天线带宽的方法可以采用两根设计的NFC天线，一根接信号源，一根接频谱仪，将两根天线固定好相对位置，NFC天线带宽测试方案如图5所示，必须保证在测量中天线位置不能被移动。信号源发出一个固定功率的扫频信号（8.56MHz～18.56MHz）。
在本实例中，实测BW=2.619MHz>2MHz，满足设计要求。
除此测量天线带宽的方式之外，还有一个经验法则，Return loss的-10dB带宽的两倍即是天线的实际传输带宽。
2 单端NFC识别电路匹配设计
2.1 多通道NFC设备框架介绍
多通道NFC设备是针对智能餐饮柜的一套解决方案，原理是采用1个NFC芯片搭载多个天线去轮询读取标签，确认商品是否被拿走。具体切换通过采用多路射频开关来切换各通道，以此来进行轮询扫描。
文中提出的设计思路，电路构成大体如图6所示。在标准平衡系统中的NFC电路无法应用远距离天线的情况下，采用单端传输方式，以达到延长NFC设备与NFC天线的距离的目的。实施为在平衡电路基础Match电路后增加了Balun电路，将信号转为单端信号，输出到多路射频开关，再通过多路射频开关以及同轴电路传输给NFC天线。
市面上通常的NFC产品的天线一般做在一块PCB板上，部分也有通过拉线传输的，但是天线距离NFC设备通常不超过20cm。文中介绍的是一种能够通过同轴线缆拉长3m甚至5m远还能够正常读取5cm范围内标签的应用场景。
TX链路设计步骤：
（1）确定TX端的目标阻抗;
（2）LPF电路设计，确定截止频率;
（3）Match、Balun电路设计，综合仿真;
（4）焊接器件实际测量阻抗;
（5）实测盘点标签。
2.2 确定TX端的目标阻抗
NFC的TX链路不同于平常无线产品的TX链路，不能完全用功率来考量。根据NFC天线的工作原理可以知道，NFC天线并非传统的半波偶极子或者单极子天线，它应该被当做一个耦合线圈来看待。所以在天线尺寸确定的情况下，以安倍定律以及磁通量计算公式来看，当电流越大的时候，通过线圈的磁通量会越大，则线圈天线覆盖的磁场范围就越大。
磁感应强度与磁通量计算公式：
由此可见，为了让线圈天线上的电流更大，TX链路的阻抗应该尽可能小。当然如果不太注重读取范围这个因素，而是用在低功耗场景下，那么该阻抗也需要尽可能大。最终的选择还是需要根据使用的NFC芯片来确定，一般NFC芯片会给出一个阻抗范围，比如20Ω～80Ω，本文中选取20Ω为例。
2.3 LPF电路设计，确定截止频率
LPF电路的作用是滤除二次和更高次的谐波能量，主要是为了设备的EMC能力更好。通常截止频率的选取范围为14.5MHz～22MHz，主要在确定LPF不会对本次频率有影响的同时能够更好地滤除二次谐波。
LPF电路的电感L0的选择范围大体在330nH～560nH，并且电感L最好遵循小于二分之一的天线线圈电感的要求。这里选择330nH作为例子，需要注意电感的选择还需要考虑电流，故此这里选择大电流系列电感。确定截至频率FC，也确定了电感L0，那么电容C0也可以计算出来了。
截至频率选择18.6MHz（尽量靠中间，确认对13.56 MHz无影响），计算C0为220pF。
2.4 Match、Balun电路设计，综合仿真
在Match电路确定之前，先确定Balun电路，LC巴伦电路是用来平衡转不平衡的一个装置，可以根据其前后阻抗计算L和C的值，这里单端阻抗50Ω，差分阻抗因为没确定匹配网络，所以根据LPF电路来确定，NFC芯片阻抗2Ω（本文中选用PN7462AU芯片为例）经过LPF电路后，实部阻抗变为8Ω左右，所以Balun电路差分阻抗选择16Ω，如图7所示。
经过计算Balun电路L为330nH（应用在TX端的大电流电感不易寻找，尽量与LPF电感相同，更便于生产），C为415pF，但是由于单个电容没有415pF的，就近选择390pF电容，如图8所示。
Balun电路确定了，最后还需要确定Match电路，Match电路的确定可以借助仿真软件，或者直接采用调整匹配的方式（整体TX链路调整到20Ω，差分一端接矢量网络分析仪的信号线，另一端接矢量网络分析仪的GND，即矢量网络分析仪的GND不与板上的GND相连）。
下面介绍采用ADS仿真Match电路[4]。
ADS仿真的时候模型需要确认清楚，这里极易犯的一个错误就是，将测试GND与中间的信号GND混淆了，连到一起去了，导致仿真与实际的极大不同。实际在用矢量网络分析仪测量的时候，仪器的GND接到差分端的另一端，这一点在电路中并不与板上的GND相连，所以需要注意，NFC芯片TX链路在ADS中的模型电路图和NFC芯片TX链路实际电路图（去掉RX）如图9和图10所示。
具体仿真可以先采用理想器件调谐优化确定好器件的大体值后，再带入实际器件，这里需要说明下，LPF电路因为距离Match以及后面的Balun电路过近，所以很容易影响后续电路的阻抗，电容C0还会有优化，但是在优化过程中需要注意LPF电路的截止频率不应超过14.5MHz～ 22MHz这个范围。Balun的电容也同样会进行优化，其主要用来调整阻抗的实部，电容值越小，目标阻抗越往高频偏;值越大，目标阻抗越往低频偏。Balun电容值过小和Balun电容值过大的情况如图11和图12所示。
所以选择合适的值非常重要，并且采用仿真的方式来调整这类非寻常匹配方式的电路也是很有帮助的。最后通过调谐优化，带入实际器件仿真得出合适的阻抗。带入实际器件值仿真效果如图13所示。
3 实测单端NFC电路阻抗
依据仿真得出的实际器件值，焊接到PCB板上，用矢量网络分析仪测量电路整体阻抗，检查是否符合要求。实际测量时再次进行提醒，注意矢量网络分析仪直接接到TX1和TX2端口，其中TX1接矢量网络分析仪的信号线，TX2接矢量网络分析仪GND。到此基本已经完成了匹配设计，目标阻抗20Ω是在芯片输出最大电流的情况下，现在实际设计到26Ω，虽然没到20Ω，但是却可以更好地保护和防止NFC芯片在天线端受金属等物体影响阻抗变小，从而导致NFC芯片输出电流过大，导致出现烧毁的情况。
4 结 论
本文论述了如何设计射频馈线拉远的NFC单端匹配优化方案，给出调试测试方案，并完成实际PCB板子制作。经过验证，NFC设备接上3m馈线后再接上NFC天线，可以读取距离标签8cm外的ISO14443协议白卡。综上所述，这种单端NFC设备搭载多路单端NFC天线的设计是可行的，也是必要的，在进行良好匹配设计时，达到差分短距直接匹配的效果。在当前NFC技术的广泛应用下，探讨NFC技术新的应用场景是迫切需要的，也是技术演变之路上必须的。
参考文献：
[1] ISO/IEC 14443-1，Identification cards. Contactless integrated circuit cards. Proximity cards. Physical characteristic [S].ISO，2016.
[2] [德]Klaus Finkenzeller 著.射频识别技术原理与应用 [M].王俊峰，宋起柱，彭潇，等译，北京：电子工业出版社，2015.
[3] 恩智浦.PN7462 family Antenna design guide [N/OL].https：//www.nxp.com，2019-05-20.
[4] 立功科技.设计MF RC500的匹配电路和天线的应用指南 [N/OL].http：//www.zlgmcu.com，2019-05-20.
作者简介：陈建祥（1985.04-），男，汉族，福建福州人，本科，中级工程师，研究方向：无线通信，包含WLAN、物联网、移动通信、无线AI优化等。
