NFC天线研究与设计

论文总字数：17952字

目 录

第一章 研究意义与现状 1

1.1引言 1

1.2研究课题的背景和意义 1

1.3 NFC的发展进程与现状 2

第二章 NFC技术基础知识 4

2.1 NFC的工作原理和特点 4

2.2与几种无线通信技术的比较 5

2.3本章小结 6

第三章 电磁场与天线基本理论 7

3.1电磁场基础知识 7

3.1.1电磁感应 7

3.1.2麦克斯韦方程组 7

3.1.3线圈天线的自感和互感 8

3.2天线基础 8

3.3 阻抗匹配的基本概念 9

3.4本章小结 9

第四章 NFC天线理论分析与研究 10

4.1理论分析 10

4.2 HFSS仿真软件研究 10

4.3矩形线圈天线设计 11

4.4仿真结果分析和优化 17

4.5最终优化后天线结果 20

4.6线圈天线的磁场分布 21

4.7金属对线圈天线磁场的影响 22

4.8本章小结 23

第五章 总结与展望 24

5.1工作总结 24

5.2下一步的工作展望 24

参考文献： 25

致谢 26

NFC天线研究与设计

杨韬育

，China

Abstract：

NFC is the abbreviation of Near Communication Field， is a short-range wireless communications technology. This thesis focuses on the research and design of the antenna in the NFC system， from the basic theory to combining with the simulation results，analyses the advantages and disadvantages of antenna design. Due to the short distance transmission antenna based on electromagnetic coupling of energy and information，therefore，in the actual operation of the short distance wireless communication，performance is an important part of the NFC antenna. The thesis is the research and design of NFC antenna.

This allows the removal of the typical damping resistance present in current NFC inductors. A general methodology including design，simulation，fabrication，and measurement is presented for rectangular，planar-spiral inductors working at 13.56 MHz. Analytical formulas，computed numerical models and measured results for antenna input impedance are compared. Reflection coefficient is designated as a figure of merit to analyze the correlation among them. The obtained results demonstrate the suitability of this technology in the fabrication of low cost， environmentally friendly NFC coils on flexible substrates.

Key words：NFC；Coil Antenna；Electromagnetic Induction；Return Loss

第一章 研究意义与现状

1.1引言

本篇论文主要内容是关于NFC系统中天线的研究与设计，先进行理论推导再进行系统仿真，并对结果进行比较研究。通过分析仿真结果中天线的磁场分布和电场分布，以及电源与磁场分布的关系，观察有效阅读盲区并研究出现盲区的原因。本文首先介绍了NFC天线设计的基本理论和我们需要关注的几个重要参数指标以及测试这些指标的方法，并和其他几种技术进行对比和比较；然后列举了基本的设计理论和方法，对研究过程中可能出现的问题以及对应的解决方法进行了研究讨论。使用电磁仿真软件Ansoft HFSS进行了近场天线设计仿真，并对天线进行了优化和改善。

1.2研究课题的背景和意义

NFC的全称是Near Field Communication，即近场通信技术。由RFID发展而来，RFID的全称是射频识别技术，又被叫做无线射频识别，是一种不需要和传统通信模式一样依赖识别系统与目标之间建立机械或者光学接触，就可以使用无线电信号进行识别并读写相关数据的通信技术。而NFC是一种新兴的近场无线通信技术，可以实现近距离的通信建立，是一种不需要通过接触，就可以实现传输功能的互连技术，该技术允许在多个电子设备之间实现简单而又安全的双向交互功能。

所谓的近场概念，指的是无线电波临近的电磁场区域。当只考虑发射天线自身10个波长以内范围时，电磁场的存在可以看作是是相互独立的，单独研究存在于近场内的电场分布本身并没有多大意义，但是近场内的磁场却在短距离通信方面有着巨大作用。NFC技术的基础功能是允许某种设备（通常是手机）在一定的范围内从另一个设备或NFC标签中收集数据。这项技术提供给使用者在各种适配设备间近距离通信并进行数据传输的功能，诸如现在流行的各种移动电子终端、个人数码产品、以及其他包括NFC芯片的设备和物品等，使用者可以很方便的与其他物品建立连接，获得所需要的信息并完成相关操作，如手机支付、演唱会信息、门禁刷卡等。RFID与NFC二者有相同之处，同样都是近距离通信，都工作在13.56MHz，都通过电磁感应进行数据和能量的传输。他们的不同之处主要在于：

1、近场通信天线的识别范围更小，在10厘米左右，所以更适合安全级别更高的应用范围，而RFID的识别范围十分广，基本可以达到几十米以上，由于这种特性，它更适合特殊物品的追踪溯源。

2、NFC的标准更优化，可以兼容大多数非接触式卡结构，可以方便厂家进行产业升级。

3、NFC可以进行物品间的双向通信，而RFID只能进行单向的查询溯源追踪功能。

此外，和其他一些主流技术相比，近场通信也有其自身的优势之处，这将在后面进行详细的介绍。

近场通信的芯片可以具有非接触式标签、读写功能以及点对点传输功能。在自身有能力进行数据传输的基础之上，它还可以配合其他电子设备进行数据互联和快速配对。

从某种角度上来说，NFC通信技术与蓝牙技术（Bluetooth）在功能上十分类似。但NFC技术不需要对互相连接的两款设备同时进行设置，只需要依靠简单的设备接触，就可以建立起稳定的无线连接。这一点要优于其他近距离通信技术。

目前近场通信技术的主要应用范围存在于智能手机以及其衍生的市场，手机巨头苹果公司刚发布了基于NFC的苹果支付，瞬间在全球掀起了一股关于NFC技术的普及和推广浪潮。在美国有超过2500家银行支持NFC的电子支付，消费者争相体验这种的新型电子支付技术平均每周使用这项技术1.4次。NFC的火热程度由此可见一斑。受益于该项技术自身的安全性外加上手机的便捷性和联网特性，使得NFC技术的身影可以遍布于现代生活的各个角落，应用场景十分广阔。二者的结合可以互相促进，让使用者的生活变得更加的便捷和智能化，未来NFC技术还将会应用于更多方面，例如：信息采集与交换、医疗观察、设备互访等。

在近场通信中，由于读写距离短，一般使用线圈耦合方式传递能量和信息，而国内外针对进场通信的研究主要分布在两个大范围即理论推导和工程设计，本文也主要致力于NFC线圈型天线的研究和设计，将理论与工程有机结合起来。得出一种符合条件的天线设计方式最终设计出一个适合手机内使用的小型NFC天线。

1.3 NFC的发展进程与现状

NFC技术既可以兼容当前的非接触式卡协议ISO14443，又在此基础上有很大改进和创新的无线通信技术，它规定了在两个NFC产品之间使用的是工作于13.56兆赫兹的无线电通信方式，与此同时，NFC技术取消了过去读卡器和卡的模式，而是将所有功能都集成在单一的芯片之上。同时确定了两种NFC产品的主流通信模式：主动模式和被动模式，又分别确定了它们的模式选择以及射频场防冲突的方法，同时确定了在不同的频率速率下编码方式、调制解调方式以及其他的底层通信协议。这些规范后来被国际ISO标准组织所批准，也就是后来的ISO18092，在此基础上，又补充了关于ISO15693的兼容功能，一同组成了近场通信国际标准2，也就是后来的ISO21481，与此同时，欧洲计算机制造协会又推出了两个面向近场通信的标准，即ISO14443A和IS14443B。三个标准之间的差别如表2.1：

表2.1 三种标准比较

当初的飞利浦半导体和索尼以及手机巨头诺基亚共同成立了关于NFC的论坛，其主要目的是通过广泛的交流来加快推进NFC技术和产业的进步和发展，并共同定义和NFC应用相关的其他中层协议规范，例如数据交换协议、如何解析具体数据等，从而扩大NFC设备的范围，并使其统一化和规范化。

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