ST25R3916的天线设计应用

只看该作者 · 2024-4-13 20:00

NFC技术面临的挑战之一是根据特定的13.56 MHz应用设计和匹配近距离天线。通常，天线所处的环境条件会降低系统性能。
本应用笔记是直接连接到 ST25R3916 设备的天线的设计指南。除了天线设计，本应用笔记还描述了天线参数测量和匹配，以及设计验证。
本文档所用示例基于 ST25R3916 设备，但所述的技术和工具可用于同一系列的其他产品。
ST25R3916是高性能NFC前端设备，它支持NFC发起设备、NFC目标、NFC读卡器和NFC卡模拟模式。
ST25R3916包括一个高级模拟前端（AFE）和一个高度集成的数据成帧系统，可用于 • ISO 18092（NFCIP-1）有源和无源发起方、ISO 18092（NFCIP-1）被动和主动接收方，
• NFC-A/B（ISO 14443A/B）读卡器（包括更高比特率）、NFC-F（FeliCa™）读卡器、
以及NFC-A和NFC-F卡模拟。AFE和成帧系统的特殊特殊的码流和透传模式可在读卡器或
卡模拟模式下实现其他自定义协议，如MIFARE® Classic。
本文档旨在与ST25R天线匹配工具软件（STSW-ST25R004）一起使用，该软件支持匹配元件的计算，并将调试工作量降至最低。除了该工具外，还提供了一个开源仿真工具，通过仿真进行基本系统验证。

1.1 缩略语
RFO1、2： ST25R3916 天线驱动器输出引脚
RFI1、2： ST25R3916 接收器输入引脚
Tx：发送信号（从RFO至天线）
Rx：接收信号（从天线至RFI）
LEMC1、2：EMC滤波器的电感
CEMC1、2：EMC滤波器的电容
CS1、2：匹配网络的串联电容
CP：匹配网络的并联电容
RQ：用于Q值调整的并联电阻器（计算结果）
LANT：天线电感（测量结果）
CANT：寄生天线并联电容（计算结果）
RPANT：天线总并联电阻（计算结果）
fwork：NFC工作频率（13.56 MHz）
fres：天线自谐振频率（测量结果）
RSDC：天线串联电阻（测量结果）
RP@fres：自谐振时天线并联电阻（测量结果）
K：趋肤效应校正因数（计算结果）
RP@work：在工作频率下的天线并联电阻（计算结果）
RPDC：从测量的串联电阻转换得到的天线并联电阻（计算结果）
RT：用于目标Q值的并联电阻（计算结果）
Q：天线Q值（计算结果）

1.2 数字表示
如未特别说明，下面的约定和符号适用于整个文档：
• 二进制数由数字0和1组成的字符串表示，左侧为最高有效位（MSB），右侧为最低有效位（LSB），开头添加“0b”。示例：0b11110101。
• 十六进制数以数字0到9、字母A到F表示，开头加“0x”。左侧为最高有效位（MSB），右侧为最低有效位（LSB）。示例：0xF5。
• 十进制数直接使用数字表示，不加任何尾随字符。示例：245。

2 硬件和软件要求
如要使用ST25R天线匹配工具，执行天线测量，设计验证，需要以下硬件和软件资源：
• 网络分析仪
• 示波器（具有脉冲触发的功能）
• SMA线
• ISO10373-6校准线圈1
• ST25R3916-DISCO开发板
• Windows® 操作系统
• ST25R天线匹配工具

3 天线接口
图 1显示了通过差分匹配网络驱动天线的最小配置和图 2电路原理图。
从 ST25R3916 天线驱动器输出引脚RFO1和RFO2，发射信号通过EMC滤波器进入匹配网络
和天线。来自天线的发射信号通过接收匹配网络回到ST25R3916接收器的输入引脚RFI1和RFI2。天线接口可以采用单端或差分拓扑；本文档重点介绍后一种配置。
图1. 天线接口级（差分匹配网络）

3.1 卡模拟模式
卡模拟模式将ST25R3916器件置于被动通信模式。在卡模拟模式下，发射机通过更改芯片内部连接到外部天线的端口RFO1 和 RFO2 的驱动电阻，从而产生负载调制信号。因此可以使用处于读卡器模式下的天线和调谐电路。
此外，发送器还可以通过EXT_LM引脚驱动外部场效应晶体管，以产生调制信号。这种配置可以产生比“正常”模式更高的无源调制电平，但需要额外的组件和特定的天线。
3.1.1 通过内部驱动器实现无源负载调制
ST25R3916以通过内部驱动器实现无源负载调制，必须配置无源目标调制寄存器（地址29h，寄存器空间A）和辅助调制设置寄存器。在无源目标调制寄存器中，分别设置了已调制状态和（ptm_res)和未调制状态（pt_res）的驱动器电阻值。可以通过设置ptm_res<3:0>为Fh，pt_res<3:0>设为0h，来实现最大调制深度。也可以通过在非调制状态使用低阻抗，在调制状态使用高阻抗实现反极性驱动器负载调制。
此外，需要通过设置辅助调制设置寄存器（地址29h,寄存器空间B）来启用驱动负载调制位（lm_dri）以及禁用外部负载调制位（lm_ext）。

3.1.2 通过外部晶体管实现无源负载调制
通过MOS晶体管进行的外部调制可以用于内部负载调制到达极限的高要求应用。图 3描述了使用外部MOS晶体管的方法，其中ext_lm引脚用于驱动外部调制MOS的栅极。
外部调制的启用方法：在辅助调制设置寄存器中启用lm_ext位，然后禁用lm_dri位。在这种情况下，ext_lm引脚由负载调制信号（848 kHz子载波或424/212 kHz调制信号）的数字形式表示驱动。通过设置lm ext pol可以反转调制的极性。
图3. 外部负载调制电路

3.2 读卡器模式和输出功率
在NFC/RFID读卡器设计过程中，必须考虑众多不同的要求，其中有一个关键点是输出功率。
可以使用若干种方法（其中包括电容或电感唤醒）来降低整个系统的功耗。除了使用这些省电功能或通过优化轮询周期来降低功耗之外，还有一个非常重要的指标，即上电时的功耗。
三个步骤可用于调整功耗：
1. 阻抗匹配
2. 天线驱动器输出电阻（寄存器0x28）
3. 芯片内部稳压器电压

阻抗的匹配是决定ST25R3916功耗的最重要标准。在设计匹配电路并定义目标匹配阻抗时，必须留意图 4所示，目标匹配阻抗越高，传输到天线的功率越少。因此整个读卡器单元的功耗将会降低。
调节输出功率的方法中，最后一点是调节芯片内部的驱动电压。VDD_RF驱动器电源电压可自动设置为VDD减去稳压器压降。该电压是确保运行和抑制噪声的最佳值。此外还可以手动配置寄存器将VDD_TX设置为规格书里规定的值。
以图 4中史密斯圆图显示的推荐值作为读卡器的阻抗匹配的起始值。通过保持较低的Q值（如图 5所示），天线系统支持不同检卡类型下的基本以及更高的速率，具体的匹配参数和Q值需要根据用户需求在接下来的一步中进行调整。

图4. 推荐的匹配阻抗

图5. 品质因子

3.3 EMC滤波器
EMC滤波器采用单级低通滤波器结构，由串联电感和并联电容组成。EMC滤波器的目的是滤除由推挽式驱动器的矩形输出信号引起的高次谐波。滤波器截止频率应在8到17 MHz之间，实际值取决于应用和需求。
要优化读卡器板的EMC表现，必须考虑以下因素：
• 滤波电感：
– 电感的自谐振频率：它可以在工作的频率范围内附加不想要辐射。
– 等效串联电阻：可以影响读卡器的系统Q值以及降低传导输出功率。带有高ESR
（>1Ω）的EMC电感器只能用于中低功率匹配。ESR与RFO输出电阻串联。因此，更高的ESR会降低系统Q值，并且EMC电感器将损耗更多功率。
– 所选滤波线圈的额定电流应高于匹配网络中的电流。
• 滤波器截止频率（滤波器谐振频率）：
– 如果滤波器截止频率太接近载波频率（13.56 MHz），系统Q值将大大降低。这是由天线和滤波器Q值的共同作用造成的。因此，EMC截止频率不得介于13和14MHz之间。