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希格斯玻色子:近场通信NFC天线工作原理与CST建模仿真
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仿真圈
1年前
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导读:
大家好,我是仿真秀专栏作者——希格斯玻色子。2023年达索系统全球冠军计划成员,资深电子工程师,苏州重点产业紧缺人才。13年的硬件电路设计的工作经验,曾在三星电子,哈曼汽车系统从事硬件设计研发的工作,有三项实用新型专利和一项发明专利。很荣幸,我的仿真秀专栏文章《
绕线式变压器CST-MW工作室3D建模和验证的解决方案
》引发了朋友们关注,
本文继续介绍一款13.56MHz NFC天线,包含天线的工作原理,建模仿真等,欢迎大家通过仿真秀与我技术交流。
众所周知,NFC
天线是一种新兴的短距离无线通信技术,主要用于短距离无线信号传输。它是射频识别技术中常用的天线,工作频率为13.56MHz,与射频电路结合,可以收发射频电路芯片中存储的信息。该技术采用了特殊的信号衰减机制,使得工作距离一般在10厘米左右,具有连接建立快、安全性高的优点,非常适合用于两台电子设备间的私密通信。
一、NFC天线基本原理
13.56MHz的NFC天线可以看作是一个耦合线圈,
通过电磁耦合的方式来传输接收到的电信号。
以半径为
r的闭合圆环线圈NFC天线为例,当电流I流入NFC天线的线圈时,线圈周围会产生随时间变化的磁场B,沿着线圈圆心的法线方向距离圆心为R处,磁感应强度为:
(1)
式(1)中:N为线圈匝数,真空磁导率
。
线圈电感和电容:
当天线通有交流电流
I时,其内部和周围会产生交变磁通,以电感为导线的磁通量
与产生此磁通的电流
I之比为:
(2)
式(2)中,N为线圈匝数。
损耗阻抗和并联谐振阻抗:
天线作为传输线的终端负载可以看为一个二端口网络,天线的输入阻抗也就是天线的输入端的电压与输入端的电流之比,即:
(3)
式
(3)中,天线输入阻抗中的虑部代表了近场的存储能量,辐射电阻和损耗电阻组成了输入阻抗中的实部,即:
(4)
式(4) 中,Ri代表天线的辐射电阻;R1代表天线的损耗电阻。
如果忽略天线
热损耗电阻,则天线的输入电阻就是其辐射电阻,即:
(5)
当天线的输入端口匹配时,输入端口的发射系数也是输入端口的反射系数。
通用回波损耗来描述天线的输入特性,其定义为:
(6)
二、NFC
天线设计
1、
天线线圈
线圈等效电路如图
1所示,其中(a)是串联阻抗型,(b)是并联阻抗型。
(a)串联阻抗型 (b)并联阻抗型
图
1 线圈等效电路
通过公式(7)可以确定线圈匝数、尺寸等,公式如下:
(7)
式中,L为天线电感估计值,通常设置在
左右;
为一圈天线导线环的长度;
为线圈导线宽度;
若线圈为环形,那么
,若线圈为矩形,那么
;N
为线圈匝数。
2、
天线匹配电路
天线谐振需要线圈外接匹配电路,一般匹配电路分串联电阻型和并联电阻型
,
匹配电路如图2所示,其中(a)为串联型匹配电路,(b)为并联型匹配电路。这里采用的是串联电阻的形式,天线匹配后的电路如图3所示,串联了一个电阻,并联了一个电容,同时还串联了电容。
(a)串联型匹配电路 (b)并联型匹配电路
图2 天线匹配电路
图3 天线匹配后的等效电路图
三、天线建模与仿真
1、天线建模
在达索电磁仿真工具CST中建立模型,如图4所示。
图4 天线模型
此天线是一个
4线圈NFC天线,通过匹配电路可以调整天线的Q值从而调整天线的带宽,其次也可以通过调整匹配电路来调整天线的工作频率和输入阻抗,使得天线可以工作于13.56MHz。
2、
仿真结果
S参数:
阻抗:
电场分布:
方向图:
四、总结
本文介绍了一款工作在13.56MHz的NFC天线,该天线广泛应用于近场通信。利用达索电磁仿真工具CST对该天线进行仿真,通过添加匹配网络的方式,使天线谐振。从仿真结果可见,该天线能很好的在13.56MHz频段谐振,带宽较宽,能实现较好的全向辐射。
(完)
来源:仿真秀App
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首次发布时间:2023-11-22
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