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设计MF RC500的匹配电路和天线的应用指南目录1.介绍.32.系统的基本原理.32.1 结构示意图.32.2 系统配置.32.3 MIFARERF 接口.42.3.1 能量传输.42.3.2 RWD-卡的数据传输.52.3.3 卡，RWD的数据传输.63.MFRC500匹配电路和天线的设计.83.1 基本设计规则.83.2 估算最合适的天线大小.93.3 直接匹配的天线.103.3.1 EMC 电路.103.3.2 接收电路.103.3.3 直接匹配天线的天线匹配电路.113.4 50。匹配的天线.143.4.1 EMC 电路.143.4.3 50Q的长距离解决方案.153.4.4 50 Q的短距离解决方案.163.4.5 50Q天线的天线匹配电路.164,环境的影响.194.1 金属的天线环境.194.2 多个天线.194.3 温度.195,天线的屏蔽和补偿.195.1.1 电子屏蔽.195.1.2 补偿.215.1.3 铁屏蔽.216.MF RC500天线设计的举例.236.1 总体布线提示.236.1.1 EMC滤波器和接收电路.236.2 天线和匹配电路的布线.246.3 直接匹配天线的例子.246.3.1 屏蔽和补偿的矩形天线.246.3.2 矩形天线.256.3.3 屏蔽的矩形天线.266.4 50Q匹配天线的举例.276.4.1 补偿的矩形天线.276.4.2 补偿的环形天线.28-1-6.4.3 屏蔽的环形天线.297.天线的调谐.307.1 最优工作距离的调谐方法.307.1.1 直接匹配天线的调谐.307.1.2 50 Q匹配天线的调谐.317.2 检查Q因子.368.参考文献.389.附录A.389.1 缩写.389.2 天线线圈电感的计算.389.3 线圈电阻的估算.39-2-1,介绍本应用指南的意图是支持MF RC500 MIFARE读卡器内部与RF相关的设计 它的目的是提供设计应 用指定的天线和匹配电路所使用的MIFARERF接口(ISO14443A)的一些必要的理解，使读卡器与无线 的MIFARE卡有最好的通讯性能 本文档将介绍系统RF部分的背景以及概述如何为标准应用设计和调整 天线的过程这里详细解释并列举了两种不同的天线和匹配电路的概念和设计.而且有完整的调谐过程 有兴趣的读者可以从附录找到RF接口的详细理论描述2.系统的基本原理2.1 结构示意图MF RC500是基于13.56MHz无线通讯的一个新系列高度集成读卡器IC的成员.MF RC500支持 IS14443的所有层.图2.1是MF RC500简化的结构示意图.图2.1简化的MF RC500结构示意图MF RC500具有以下的功能：MC的并行接口自动检测连接的8位并行接口 数据处理部分将并行的数据转换成串行,支持检查产生的帧、产生并检查CRC/奇偶校验以及位 编码和处理.它支持ISO14443-A的所有层，使MFRC500在完全透明的模式下工作.器件的状态和控制部分允许对环境影响进行配置,使每个应用获得最好的性能 Cryptol的流密码单元支持与MIFARE CLASSIC产品通讯.一个安全稳定的密钥存储器用于存储Cryptol密钥组 模拟部分有两个内部的桥驱动输出.使操作距离可达100mm(取决于天线线圈和环境的影响)而且，内部接收部分允许接收和译码没经过外部滤波的数据2.2 系统配置MIFARE读卡器的系统配置基于图2,2所显示的MF RC500用户可以选择两个不同的概念将天线连 接到读卡器IC这两种方法是：50 Q匹配的天线，或者 使用直接匹配的天线配置这两种概念的系统元件大体上很相似.都需要3个部分：-一个接收电路：接收卡发送的数据-一个滤波和电阻(impedance)转换电路，抑制高次谐波并优化到读卡器天线的功率传输(power-3-transmission）.-设计天线线圈的匹配电路和天线线圈使它们获得最优的性能天线和读卡器用电缆或直接连接也 要有最好的性能.Host or PCaMF RC500Receiving circuitFiltering,Impedance-Transtorm.Circuit50 Ohms or directly matchedAntenna图2.2系统配置这两个概念能满足不同的要求使性能最优6这些部件的设计是下一章的主题。2.3 MIFARERF 接口MIFARE Technology在读卡器和无线卡之间用ISO 14443类型A的RF接口通讯.表1是MIFARERF接口的简短概述。基本上，MIFARE RF接口遵从变压器原理。MIFARE卡是无源的，卡上没有电池。因此，读卡器模块和卡之间的通讯要求有能量的传输，而且可以双向发送数据。表1 MIFARE RF接口的概述能量传输变压器原理：MIFARE卡是无源的。工作频率13.56MHz通讯结构半双工,读卡器首先发信号（talk）。数据速率105.9kHz数据传输RWD，卡 卡-RWD双向100%ASK（幅变调制），Miller编码副载负载波调制（subcarrier load modulation）,副载波频率847.5kHz,曼彻斯特编码下面的内容是MIFARERF接口的基本知识，首先将讲述基本的能量传输，最后是数据传输和两个方 向使用的数据编码.2.3.1 能量传输读卡器天线和无源MIFARE卡之间的能量传输使用变压器原理 它要求读卡器要有天线线圈.MIFARE卡也有线圈.图2.3是基本的原理和等效的电路图.图的左边是天线和能量传输的原理.-4-RWD antennaCard CoilRWD antennaCard Coil图2.3变压器模型RWD天线线圈的电流I产生一个磁通量.磁通量的部分穿过卡的线圈，在卡的线圈感应出一个电压.电压被整流，当工作电压到达后，卡的IC被激活。感应电压会随着读卡器天线和MIFARE卡的距离不同 而变化由于电压会变化，工作距离受到传输的功率限制.上图的右半部分是变压器模式的等效电路.详 细的能量传输将在本文档的附录A详细解释。2.3.2 RWD-卡的数据传输MIFARE用半双工的通讯形式在读卡器和卡之间传输数据。读卡器首先发出信号（说话）启动通讯。从读卡器到卡的数据传输根据ISO 14443类型A采用100%的ASK（幅变调制）pulse-pause modulation.图2.4是典型的信号波形。由于天线有品质因子Q,使发送的信号波形发生变形，如图2.5这个波形可以用于测量天线的调谐 Tuning）计算天线品质因子Q的理论背景和计算匹配电路部件的过程将在第三章详细解释.前面已经提到，MIFARE卡是无源的.能量传输到卡后，卡才能和读卡器通讯,因此，MIFARE用 优化的编码提供与发送到卡的数据独立的恒定能量这就是改良的Miller编码，它用于读卡器向卡发送数 据图2.6详细介绍了 Miller编码.-5-data bit 1MIFARE的数据速率是105.9kHz.所以一个位帧(bit frame)的长度是9.44ps。M川er编码的脉冲 长度是3pso逻辑“1”用一个位帧中间的脉冲表示编码逻辑“0”有两个可能性，由前面一位决定：如果前面一位是“0”，接着的“0”用在后一个位帧的开始有33的脉冲表示.如果前面一位是“1*接着的用下一个位帧没有脉冲来表示。2.3.3 卡-RWD的数据传输2.3,3.1 副载波负载调制的原理卡发送回RWD的数据传输使用副载波负载调制(subcarrie门oad modulation)的原理，见图2.7。此 时，卡作为谐振电路消耗读卡器产生的能量-这个能量消耗有重新激活的效应.使RWD端出现电压降.这个效应通过改变卡的IC的负载或电阻，将数据从卡发送回读卡器。图2.7 副载波负载调制(subcarrier load modulation)的原理MIFARE读卡器的天线应调谐到振荡频率fR=13.56MHz实际上，振荡器电路在读卡器天线产生的电 压多次比电源电压高 但由于RWD和卡的天线之间有小的耦合因子.卡的响应比读卡器产生的电压弱了 大约60dB检测这个信号要求一个设计良好的接收电路MIFARE用副载波频率fsuB来调制数据，而不-6-是用直接的负载调制,副载波调制的结果是在载波频率13.56MHz的周围产生土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MIFARE RF接口在副载波调制之前对基频的数据使用曼彻斯特编码 图2.8是典型的数据编码和副 载波负载调制的时域图 首先，数据被内部编码成曼彻斯特码MIFARE通讯的数据速率无论从卡到读卡 器还是读卡器到卡都是105.9kHz.所以位帧的长度是9.44曼彻斯特码用上升和下降沿来编码数据 逻辑“1”用位帧中间的下降沿表示 逻辑“CT用位帧中间的上升沿表示MIFARE卡的集成电路产生的副载波频率fsuB=fR/16=847.5kHz,时间To表示工作频率的脉冲宽度,To=1/fR=74ns曼彻斯特编码的数据调制到副载波频率.最后，副载波负载调制完成.结果，副载波负载调试在频域产生两个边频带：高频的是在14.41MHz,低频的是在12.71MHz.信号 的频域图请参考图29图2.9一方面显示了数据编码的边频带,另一方面显示了载波频率到工作频率的边 频带。Baseband dataManchester Coded l06kHz 106 kHzSi 小 小Coding-847.5 kHz 847.5 kHzSubcarrier A|A AIAload modulation 12.71 MHz 13.56 MHz 14.41 MHz-图2.9卡，RWD的数据编码，频域Frequency-7-3.MFRC500匹配电路和天线的设计3.1 基本设计规则MF RC500是一个单独的读卡器集成电路 它要求在没有外部放大器的情况下工作距离达到100mm 剩下的无源RF部分的设计很简单明了 首先要确定哪个可行的基本概念最能符合应用的要求 图3.1的 设计帮助会对这个决定作出支持。两个不同的概念可以设计一个天线和一个匹配电路。直接匹配的天线：用读卡器和天线的最小距离可以建立一个小型的完整终端 可行的应用是一个 小型建筑物的访问控制读卡器或者是手持的读卡器 500Q匹配的天线：可以作为读卡器和天线之间用长距离同轴电缆连接的应用的一个简单的解决方案,连接读卡器匹配电路和天线的同轴电缆最长距离可达10m图3.1设计帮助-8-注意：这个设计帮助是第一步,要获得期望的工作距离，天线的设计和环境的影响等因素都要考虑到.表2比较了上不同的概念并详细地显示了它们分别需要的元件,但主要讨论50 Q匹配或直接匹配的天 线概念.对于50Q匹配的概念，提供了一个工作距离高达100mm的高端解决方案和一个工作距离低于 50mm的低成本解决方案。表2天线概念的比较概念50 0匹配直接匹配长距离短距离读卡器MF RC500EMC电路电路和值都相同接收电路电路和值都相同阻抗变换用TX1和TX2只用TX1天线电缆50 0同轴电缆短线或直接连接天线匹配电路电路相同,但天线的大小不同值也 不同电路相同，但天线的大小不同值也 不同天线线圈工作距离由天线的大小和环境的影 响决定工作距离由天线的大小和环境的影 响决定天线的屏蔽由应用决定，例如外壳和环境的影响建议使用上面显示的概念。下一部分按照电路要求的设计根据天线的形状估算可以获得的工作距离。3.2 估算最合适的天线大小MIFARE系统的工作距离由下面几个因素决定：读卡器的天线大小 给定天线的匹配电路品质 环境的影响下一个设计步骤是由天线的大小估计工作距离-完整的计算可以在附录A中找到.MIFARE卡由读卡器产生的磁通供电.卡集成电路可以获得的能量随读卡器天线和卡之间的距离不同 而变化.在2.3节已经提到.MIFARE系统使用变压器原理，.描述变压器的一个重要的参数是耦合系数匕 它可被定义为与读卡器线圈和卡线圈之间的距离以及与读卡器天线和卡线圈的大小有关的一个几何参数 假设标准应用中，MIFARE卡有卡芯片的尺寸，卡的线圈的尺寸是固定的。附录A显示了,当读卡器天线和卡线圈的固定距离等于读卡器天线的半径时获得的最大耦合系数k-计算使用的是环形的天线.如果实际使用的是矩形或方形的天线.可以用有相等面积的环形天线来估算.这个结果可以作为对给定应用设计最适合的天线的经验方法-特别注意：估计读卡器的天线半径应当等于可获得的工作距离只是成功设计天线的第一步对于一个完整的 设计，环境的影响以及由于应用相关的约束对天线大小的限制也要考虑到。估算的结果显示,增加天线的半径不会自动增加工作距离.从读卡器到卡的能量传输是一个限制 因素，它可以用最小的耦合系数0.3表示。耦合系数的计算公式与读卡器天线的所绕的圈数无关二图3.2给出了不同天线大小的R/W大约距离。数据显示当天线的直径大约是20cm（即R=10cm）时,可以获得最好的R/W距离。更大的天线不能使工作距离更大。-9-图3.2天线半径与工作距离之比3.3 直接匹配的天线表2的其中一个提议是使用直接匹配的天线。推荐电路的工作距离可达100mm.工作距离主要由天线 的大小以及天线匹配电路的修正值决定需要的部件有：EMC滤波器、接收电路和天线本身的匹配等.这 些部件以及它们对MIFARE系统正确工作的必要性将在后面解释。图3.3是推荐使用的直接匹配天线电 路63.3.1 EMC 电路MIFARE系统的工作频率是13.56MHz这个频率要用一个石英振荡器发生，但它同时也产生高次谐 波，为了符合国际EMC规定,13.56MHz中的三次、五次和高次谐波要被良好地抑制.除了多层设计外,我们强烈建议使用如图3.3所示的低通滤波器.低通滤波器由元件Lo和Co组成.它们的值请看表3.3.3.2 接收电路MF RC500的内部接收部分使用了一个新的接收概念.它使用卡响应的副载波负载调制所产生的两个 边频带 我们建议使用内部产生的Vmid电势作为Rx管脚的输入电势 为了减少干扰，在Vmid管脚连接一 个电容到地 读卡器的接收部分需要在Rx和Vmid引脚之间连接一个分压器 另外,建议在天线线圈和反 压器之间串连一个电容.图3.3就是推荐使用的接收电路,它由Ri、R2、C3和C4组成.它们的值见表3-10-Reader AntennaAV0。9 0a LWEMC-Filter&Cable Matching Circuit CoilReceiving Circuit图3.3完整的直接匹配天线配置滤波和接收部分的元件Lo、Co、Ris R2、C3和C4的值是固定的。表3 EMC滤波和接收电路的值元件值注释Lo2.2|jH10%屏蔽的磁场.例如：TDK ACL3225S-TCo47pF2%NpO材料Ri820 Q 5%R22.7kQ+5%c315pF+2%NPO材料C4100nF2%NPO材料注意：要获得最好的功能，所使用的电容和电感至少要具备推荐的这些元件的性能和容差。3.3.3 直接匹配天线的天线匹配电路我们建议逐步地设计直接匹配的天线首先要设计天线线圈天线本身是一个低电阻的器件将天线 线圈连接到MF RC500需要一个匹配电路,估算天线的等效电路和计算品质因子可以得出匹配电路的电容 推荐值3.3.3.1 确定天线的等效电路读卡器的天线线圈可以用图3.4左边的等效电路表示 建议设计的直接匹配天线的天线线圈应当有一 个接地的中心抽头.这个中心抽头是用于改善天线线圈的EMC性能.线圈本身可以用电感La和心表示，电阻Ra和Rb表示电阻损耗，并联的Ca和Cb表示电容损耗。由于La和Lb之间有耦合作用，所以我们不 推荐计算这个等效电路的元件我们建议用图3.4右边的模型来代替完整的模型,.连接器Tx11和Tx12之间的整个天线线圈可以用Lant 来表示，所有电阻损耗可以用Rant来表示.线圈电容Cant表示线圈和连接器之间的电容损耗.-11-图3.4直接匹配天线的天线线圈匹配电路我们建议用阻抗分析仪测量天线的等效电路-连接天线线圈当使用屏蔽天线时要将屏蔽连接到地)并测量显示的等效电路在计算品质因子和天线的调谐时线圈的电容Cant可以忽略-注意：如果没有阻抗分析仪.将计算的电感和电容值作为起始值.估算这些值的公式请查看附录A.-MIFARE的工作频率是13.56MHz。这个频率下，电阻的集肤效应(skin effect)损耗不能忽略，这就是 线圈不能只使用DC阻抗的原因请用附录A的估算找到电阻Rant的起始值-我们建议以后用测量品质因子的方法来检查整个设计 如果有必要,起始值要被改变,整个调谐过程也要重新再做一次3.3.3.2 品质因子接下来的部分中，假设天线电感Lant和电阻Rant的值已知.我们建议用阻抗分析仪测量Lant和Rant 如果是用公式估算出的值,要记住它们只是起始值,在确认Q因子后可能需要改变.天线的品质因子是纠正天线调谐和所获得的性能的一个重要特性.天线的品质因子由下面的公式定义：Q=3”T，其中 3R=2LfRRant根据天线的几何形状,Q的值通常在50 100之间.要进行正确的数据传输这个值还要减少-在2.3.2 章提到MIFARE的波特率是105.9kHz/sec数据从RWD传输到卡使用脉宽T=3ps的Miller编码.用带宽B的定义：D fRD 二Q以及时间与带宽的乘积的规定：BT1可以算出要求的Q因子是：Q fR-T 13.56MHz-3i s(TGND)Rext/2optionaloptionalH h-Rext/2Matching CircuitAntenna图3.6完整的匹配电路我们建议使用表4的电容值作为调谐过程的起始值.将直接匹配的天线调谐到最优的过程将在第7章 解释 起始值由天线的电感决定-13-表4天线匹配电路的起始值Lant|JHCspFCpipFCp2 pF0.8272703300.9272702701.0272202701.127180|222201.227180180|221.3271801801.4271501501.5271501501.627120|101501.7271201501.827120120上表假设天线线圈的寄生（杂散）电容是15pF.Cs和Cp应该是有+/-2%容差的NP0电介质。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由于有这些影响，Cp的值要在实际的设计中优化正确的过程请参看711节。3.4 50 Q匹配的天线表2提出了两个概念来设计一个50。的天线。在这两个概念中，EMC电路和接收电路是独立的。本 小节首先讲述前面这些部分,接着是长距离和短距离的阻抗转换电路.最后是设计50c匹配天线的匹配电 路的建议,3.4.1 EMC 电路MIFARE系统的工作频率是13.56MHz。这个频率要用石英振荡器产生，但同时也会产生高次谐波。为了符合国际EMC规定.13.56MHz中的三次、五次和高次谐波要被良好地抑制.除了多层设计外.我们 强烈建议使用如图3.7所示的低通滤波器。低通滤波器由元件Lo和Co组成。它们的值请看表5。3.4.2 接收电路MF RC500的内部接收部分使用了一个新的接收概念.它使用卡响应的副载波负载调制所产生的两个 边频带.推荐使用内部产生的Vmid电势作为Rx管脚的输入电势.为了减少干扰,在Vmid管脚连接一个电 容到地.读卡器的接收部分需要在Rx和Vmid引脚之间连接一个分压器-另外.建议在天线线圈和分压器 之间串连一个电容。图3.7就是推荐使用的接收电路。它由Ri、R2、C3和C4组成。它们的值都在表5,表5 EMC滤波和接收电路的值元件值注释Lo1.0|jH+10%屏蔽的磁场，例如：TDK ACL3225S-TCo47pF2%NPO材料Ri820Q+5%r22.7kQ 5%-14-注意：要获得最好的功能，所使用的电容和电感至少要具备推荐的这些元件的性能和容差。0315pF+2%NP0材料c4100nF+2%NPO材料3.4.3 50 Q的长距离解决方案要连接50。的同轴电缆.MFRC500需要一个阻抗转换电路.这个阻抗转换电路要满足3个要求：执行EMC滤波 MF RC500的低输出阻抗和50 Q之间的阻抗转换 MF RC500有对称的输出驱动Txi和Tx20连接同轴电缆会对地产生不对称的电势。设计一个满足上面3个要求的电路的方法是使用一个变压器或Balud产生一个不对称的地电平.图3.7 是使用Balun的一个典型的实现方法基于L0和C0的EMC滤波器与直接匹配的天线有相同的结构L。、Co和Ci组成了一个T形滤波器，这个滤波器将输出驱动电阻转换到50Q的同轴电缆电阻，Balun B1的转 换比例是1:1而且应当匹配到50Q 0电容C2b是可选的，Balun少量的不对称性可以减少调整天线最大输 出电压的调谐电容；特别注意：MF RC500的桥输出驱动是低电阻器件,要获得最好的性能就要在Tx1和Tx2之间加入一 个30 Q的匹配电阻。计算需要转换的阻抗最简单的方法是使用smith图。C1小C2a 止 C2bReaderCableEMC-Filter&Impedance TranstormationReceiving Circuit图3.7长距离的解决方案：50Q阻抗转换变压器和balun是产生不对称地电平的一种方法。Balun的概念显示了如何用几个外部元件实现50 Q 匹配的长距离工作。Balun的基本功能和阻抗网络的计算可以在标准文献中找到。计算的结果会给出找到 最好的解决方案的调谐过程起始值,要提供EMC滤波功能必须在匹配到50 0和滤波之间找到折衷的方案 表6显示了调谐过程的结果。应该使用可选的调谐电容找到实际设计中最好的结果。1 Balanced至！J Unbanlanced的缩写.Balun是一种变压器.2推荐在设计阶段使用调谐电容C2b,它可以找到最优的性能-15-表6阻抗转换的值（类型50-1）元件值注释C182pF2%NPO材料C2a69pF+2%NPO材料C2b030pFB11:1变压器例如：Coilcraft 1812WBT-3注意：要获得最好的功能，所使用的电容和电感至少要具备推荐的这些元件的性能和容差.3.4.4 50 Q的短距离解决方案第二种建立50 0天线的方法只使用一个驱动器级Txi或Tx2-图3.8显示了完整的阻抗转换和接收部 分 基于Lo和Co的EMC滤波器与直接匹配的天线有相同的结构Lo、Co和Ci组成了一个T形滤波器 这个滤波器将输出驱动电阻转换到50c的同轴电缆电阻 电容Cib是可选的 我们建议用这个调谐可能性 对找到的Ci最优值进行首次测试。0。9 0aL W图3.8 50Q的短距离解决方案：用一个驱动级实现50Q的阻抗转换要提供EMC滤波功能必须在匹配到50 0和滤波之间找到折衷的方案 表7显示了调谐过程的结果 表7阻抗转换的值元件值注释C2a69pF2%NPO材料C2b030pFNPO材料注意：要获得最好的功能，所使用的电容和电感至少要具备推荐的这些元件的性能和容差。3.4.5 50Q天线的天线匹配电路匹配50。电缆的天线设计要满足几个要求。首先要构造天线线圈,它的电感要被测量或用计算天线电 感的公式来估算公式请参看附录A.这样的天线是一个低电阻的器件要将它连接到50 c的电缆需要用 一个阻抗匹配电路。除此之外，它还需要一个谐振电路在13.56MHz的工作频率下产生最高的电压。-16-3.4.5.1确定天线的等效电路读卡器的天线线圈可以用图3.9的等效电路表示 天线本身有线圈 线圈的电感是Lant另外，线圈 还有串行电阻Rant表示电阻损耗和一个表示线圈之间和连接器之间电容损耗的并行电容CantAntenna其中 Lant=3001500nH,Cant=10-40pF,Rant=0.3-1.2Q图3.9天线线圈的等效电路我们建议用阻抗分析仪测量天线的等效电路连接天线线圈（当使用屏蔽天线时要将屏蔽连接到地）并测量显示的等效电路.在计算品质因子和天线的调谐时线圈的电容Cant可以忽略,注意：如果没有阻抗分析仪,将计算的电感和电容值作为起始值.估算这些值的公式请查看附录A.-MIFARE的工作频率是13.56MHz这个频率下，电阻的表面效应损耗不能忽略，这就是线圈不能只使用 DC阻抗的原因请用附录A的估算找到电阻Rant的起始值.我们建议以后用测量品质因子的方法来检查 整个设计如果有必要,起始值要被改变,整个调谐过程也要重新再做一次.3.4.5.2品质因子接下来的部分中，假设天线电感Lant和电阻Rant的值已知.我们建议用阻抗分析仪测量Lant和Rant 如果是用公式估算出的值,要记住它们只是计算Q因子的起始值,天线的品质因子是天线正确调谐和所获得的性能的一个重要特性-天线的品质因子由下面的公式定义：Q=3”T，其中 3R=2LfR Rant根据天线的几何形状,Q的值通常在50 100之间.要进行正确的数据传输这个值还要减少-在2.3.2 章提到MIFARE的波特率是105.9kHz/sec数据从RWD传输到卡使用脉宽T=3ps的Miller编码.用带宽B的定义：D fRD 二Q以及时间与带宽的乘积的规定：BT1可以算出要求的Q因子是：Q fR-T 13.56MHz-3i s 40.68由于元件的容差和对温度的依靠.我们建议Q因子的值取35.要降低原始的Q因子.要求增加一个 外部电阻Rext。图3.10显示了如何连接外部电阻Rext，-17-AntennaRext的值用下面的公式算出，D 3r LanT d 3r LanT d Rext=-Rant=f-Rant3.4.5.3匹配电路电容的计算图3.11显示了推荐使用的将天线线圈匹配到50Q的电路,匹配用一个串联和一个并联电容来实现.输入电阻Z要等于50 Q 0用下面的公式计算Cs和Cp：1 其中：c jRext+RantZ1而 Cp-5 Cs w2LantCp=b1-Rext+RantZ7Cs和Cp应当是NP0电介质的SMD类型，有很好的温度稳定性.我们建议将Cp分裂成一个固定的 值和一个最大值是10 20pF的可变值（Cp）.-18-4,环境的影响4.1 金属的天线环境任何变化磁场都会在靠近读卡器天线的金属元件上感应出电压 这个感应电压会在金属平面上产生涡 流而涡流会导致天线去调并减弱磁场这些效应的结果是减少工作距离以及可能产生传输出错我们建议天线和大量金属元件的距离至少是工作距离。要避免金属环境的消极作用，就要使用铁屏蔽。天线和大量金属元件的距离对于长距离R/W至少是10cm,短距离R/W至少是3cm,而且必须使 用密封的金属铁屏蔽6在所有情况下，天线的调谐要在将金属放在最后期望的地方进行。4.2 多个天线天线是有高品质因子并调谐到工作频率的振荡电路。根据互易律，好的发送天线也是好的接收天线，反之亦然.这就是说：天线放置得很靠近使用的读卡器天线并调谐到相同的频率,就会消耗磁场的能量.此时产生天线去调并减少工作距离-如果一个MIFARE应用有两个有效的天线而且放置的距离很近.卡 的通讯就会受到干扰如果天线有磁场屏蔽，多个Ml FARE R/W天线之间的距离应当至少是30cm:如果没有屏蔽距离就应 该是10倍的天线半径。4.3 温度天线本身和匹配电路的电子参数温度漂移也可能会产生去调,结果会减少天线的发送功率，减少工作 距离.测量显示这些影响在相应的元件对匹配电路有很低的温度系数（有NP0电介质的SMD电容）时可以 被忽略5,天线的屏蔽和补偿这里要讨论三个不同的概念：电子屏蔽电子屏蔽吸收由天线线圈和读卡器PCB产生的电场 补偿补偿用于减少共模接地电流,铁屏蔽如果金属要放置在接近天线的时候就要使用铁屏蔽功能，金属可以是例如产生涡流的终端金属外 壳涡流效应明显降低了工作距离.铁屏蔽用于减少产生的涡流注意：铁屏蔽不会增加工作距离使它大于无金属环境下的值-5.1.1 电子屏蔽5.1,1.1 直接匹配的天线电子屏蔽用于减少天线线圈本身产生的电场,要在PCB上获得屏蔽的天线，PCB要有4层而且在顶 层和低层都有屏蔽环（shielding loop）。这些环必须不能重合（闭合）。它不仅提供电子屏蔽，还能改良EMC 性能,屏蔽层要连接到一点再连接系统地,线圈在内部的第一层口线圈的中心抽头标记成GND并连接到 GND,连接到匹配电路的线圈末端应排列得尽量接近，避免产生额外的电感。-19-top viewside view图5.1直接匹配天线的电子屏蔽5.1.1.2 500匹配的电阻电子屏蔽用于减少天线线圈本身产生的电场,要在PCB上获得屏蔽的天线,PCB要有4层而且在顶 层和低层都有屏蔽环（shielding loop）。这些环必须不能重合（闭合）。它不仅提供电子屏蔽，还能改良EMC 性能。屏蔽层要连接到一点再连接系统地。图5.2用双重屏蔽电缆的50Q匹配天线的电子屏蔽在PCB低层的上面，屏蔽平面直接放在PCB内层有效的天线环上。这些屏蔽平面必须不能是重合（闭 合）的环！屏蔽要连接到双重屏蔽的电缆心-20-Electrical PrincipleAntenna1 active turn+1 compensation turnImplementation图5.3补偿50 Q的天线为了补偿天线的寄生电容，要再加上一个末端开路的线圈。由于变压器原理，开环的感应电流是反向 的,天线和补偿环的寄生电容几乎相等,这个效应使流过这些电容的电流有几乎相同的磁场但方向相反,这样就完成了这些电流的补偿这些电流在13.56MHz下是mA级的.所以必须要补偿.避免产生地电流 的问题。5.1.3铁屏蔽铁屏蔽的优点是将天线屏蔽防止金属的影响金属平面可以是读卡器外壳的一部分或者是读卡器PCB 的接地平面,它们都非常接近天线-如果金属放得很靠近天线,变化磁场会在金属上产生涡流-这些涡流 会吸收能量、降低电感和品质因子使天线去调天线在铁环境下工作时需要用铁屏蔽天线下面的例子会给出铁干扰磁场的一个印象为了可以简单地模拟，这里的所有例子都使用环形的天线 环形天线的旋转对称于X轴 因此，模拟 可以简化成一个两维的数学问题.模拟一方面显示了一个无干扰天线的磁场扰动-所有例子都共同的是：RWD天线的半径是5cm、1圈（匝）、线宽是1mm的铜线。图5.4显示了环形天线的两维磁场右边是磁场的分布状态最高的场强在线圈的区域左边部分显 示了距离是d时场强H的幅值.标记的是根据ISO 14443最小场强HMiN=1.5A/m的线.Field strength color mapminimum field strength according to ISO1443 Hmin=1.5 A/m7 5 cm|H|A/ms m n l 二一二二.图5.4环形天线无干扰的磁场分布-21-图5.5是相同天线的磁场分布，但是在靠近天线的地方有金属平面,比较受干扰的磁场，显然磁场强 度的幅值降低，使工作距离也减小.minimum field strength according to ISO1443 Hmin=1.5 A/m|H|A/m图5.5环形天线有金属平面的磁场分布图5.6所示的是将一个铁平面（即=40）放在金属平面和天线线圈之间的磁场分布图。很靠近铁的场强 增加，但增加的幅值没有使工作距离增加。这也是根据ISO 14443,用Hmin来标记的。minimum field strength according to ISO1443 Hmin=1.5 A/m这些模拟显示了如何使用铁减少在金属平面上产生的涡流。铁产生一个额外的磁场，这样设计天线的 作用是使天线有一个固定的去调，图5.7给出了一些如何在铁平面和金属平面之间找到铁平面最优的尺寸的建议 计算铁平面的最优尺 寸和最优的距离时，不推荐天线线圈与铁平面重叠。要执行应用指定的测试来找到最好的铁平面尺寸。-22-I feirile planemetal planeSmall reduced stray field Low shielding Reduced operating distance ferrite planeI I-metal planeReduced stray field High shielding Reduced operating distanceI ferrite planemetal plane5 ramOptimum distribution:Balance between stray field distribution and ferrite shielding图5.7估算最优的铁平面尺寸测试显示，最好的性能在天线线圈和铁平面的距离在5mm范围时获得。这使与卡通讯的寄生磁场和 铁的屏蔽有了平衡，将距离的估算指定到一个特殊的应用.我们建议用测试来找到最好的解决方法,再一次说明：铁不会 增加工作距离（与无干扰的磁场相比）.6.MFRC500天线设计的举例下面的例子是没有铁屏蔽的PCB天线如果使用铁,由于铁的去调效应电容的值就需要改变-我们建 议在铁平面后放置一个金属平面，将金属平面连接到地并在有金属平面的情况下调谐天线此时天线在有 金属或没有金属的环境下是一样的-金属平面应连接到双重屏蔽电缆的屏蔽层,使用同轴电缆时要连接到 地屏蔽.调谐必须在组装了整个天线或者将天线装到最后的位置后进行.6.1 总体布线提示6.1.1 EMC滤波器和接收电路Lo和Co是用于滤波MF RC500的输出信号，必须放在很靠近MF RC500的Txi和Tx2管脚,为了满 足EMC,这些元件的布线是很严格的。Co的接地连接线必须很短，而且对MFRC500TGND管脚的阻抗 非常低地平面有多个通道可供连接）这些元件要排列得尽量紧密才可以抑制载波频率的高次谐波接收电路的布线相对没有这么严格，而且也不需要符合特殊的要求图6.1显示了部分MF RC500关键元件的布线图.RX1GNOTX11GNDTX22GND图6.2 EMC滤波和接收电路的布线举例-23-6.2 天线和匹配电路的布线天线的布线由它所使用的屏蔽和匹配决定对于直接匹配的天线，建议用中心抽头获得更好的EMC性能.6.3 直接匹配天线的例子6.3.1 屏蔽和补偿的矩形天线一匝（圈）大小=115x115mm,示意图不按比例。元件的值：待计算.天线外部元件LANT=t.b.dCs=t.b.dCANT=t.b.dCp=t.b.dRant=t.b.dRExT=t.b.d-24-6.3.2 矩形天线一匝（圈）大小=78.5 x 67mm,示意图不按比例.元件的值：待计算.天线外部元件LANT=t.b.dCs=t.b.dCant=t.b.dCp=t.b.dRant=t.b.dREXT=t.b.dIOPBottom图6.4矩形天线举例-25-6.3,3屏蔽的矩形天线下图是相应的布线举例.图6.5屏蔽的矩形天线-26-6.4 50。匹配天线的举例6.4.1 补偿的矩形天线一匝（圈）大小=115x75mm，示意图不按比例元件的值：天线Lant=330|jHCant=20.2pFRant=0.25 Q外部元件Cs=47pF|3.3pF CP=270pF|68pF Rext=0.5OLRDE 1 LSro寸bbi 二 A zw&am图6.6补偿的矩形天线举例-27-6.4.2 补偿的环形天线直径二15cm,示意图不按比例.元件的值：天线Lant=545fiHCant=25.4pFRant=0.32 QL3 A外部元件Cs=33pF|4.7pFCP=220pF|8.2pFRext=1.0 Q1-28-6.4.3 屏蔽的环形天线直径二15cm：3层PCB 示意图不按比例.元件的值：天线Lant=460hHCant=38.7pFRant=0.53 Q外部元件Cs=39pF|3.3pF CP=180pF|15pFRext=0.5Q-29-Intermediate layer图6.8屏蔽的环形天线7.天线的调谐要获得最优的性能，天线必须进行正确的调谐我们建议在完整的终端上最后进行天线调谐这包括: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