Projektowanie anteny

Ta część jest bardzo przydatna dla zrozumienia i nauki projektowania wszelkiego rodzaju anten pola bliskiego, zarówno dla NFC, jak i ładowarek bezprzewodowych.

Rys. 5. Model uzwojenia anteny NFMI

Rys. 6. przedstawia schemat zastępczy uzwojenia anteny

L_m jest indukcyjnością tego uzwojenia. Rm oznacza rezystancję zastępczą, a Cm to pojemność pasożytnicza między uzwojeniami cewki:

Gdzie β jest stałym współczynnikiem skalującym indukcyjność, natomiast l, d, oraz A to odpowiednio długość, średnica oraz przekrój uzwojenia. N to liczba zwojów cewki. μ₀ to przenikalność magnetyczna próżni, a μ_rod jest przenikalnością rdzenia ferrytowego.

Antenę NFMI można podłączyć do układu NFMI bezpośrednio, bez stosowania obwodu dopasowującego. Jest tak, ponieważ wewnątrz układu zastosowano konfigurowalny zestaw oporników i kondensatorów (RC). Zarówno pojemność, jak i rezystancja może się zmieniać w pewnym zakresie, aby automatycznie skompensować odstrojenie anteny NFMI.

Rys. i tabela 6. Wymagania systemowe układów NxH2280/81/61

Zakładając, że pojemność strojąca wynosi 60 pF, a częstotliwość nośna f_c jest równa 10,6 MHz, otrzymujemy

Znając pasmo B = 400 kHz, można wyznaczyć dobroć Q_sys systemu

Wynosi ona Q_sys = 26,5. Uwzględniając wszystkie straty, wyznaczamy całkowitą rezystancję systemu R_sys

Dobieramy rezystancję anteny równą
Wówczas dobroć Q_m wynosi
Ostatnim kluczowym parametrem anteny NFMI jest częstotliwość rezonansowa f_res, która zazwyczaj jest dobierana tak, aby była 3-4 razy wyższa od częstotliwości nośnej f_c. Wyznaczoną indukcyjność Lm, rezystancję R_m, dobroć Q_m i częstotliwość rezonansową f_res można porównać z parametrami anteny NFMI podanymi w tabeli 7.

Warunki pomiaru:

Temperatura 23°C +-5°C

Tabela 7. Parametry elektryczne komercyjnej anteny NFMI

Obliczenie budżetu łącza

Wyznaczenie budżetu łącza dla luźno sprzężonych uzwojeń anteny różni się znacznie od równania zasięgu wykorzystywanego zazwyczaj do szacowania zasięgu transmisji bezprzewodowej w polu dalekim.

Rys. 8. Model łącza radiowego NFMI użyty do wyznaczania czułości

Na rysunku 8. moc nadaną przez nadajnik NFMI oznaczono symbolem P_TX. W takiej sytuacji napięcie na uzwojeniu anteny można wyznaczyć ze wzoru

Zakładając, że współczynnik sprzężenia między nadajnikiem i odbiornikiem jest równy k, otrzymujemy

Pamiętając, że k ∞ l²d/r jeśli założymy, że L_m jest stałe. Napięcie na wejściu układu odbiorczego wynosi zatem

Ze wzorów (7)-(9) można wyznaczyć czułość odbiornika jako

Wzór (10) jest bardzo ważny podczas projektowania lub wyboru najlepszej anteny do komunikacji NFMI, NFC lub ładowarki bezprzewodowej. Proces wyznaczania parametrów anteny można streścić następująco:

• Wybierz częstotliwość nośną fc i określ nominalną wartość indukcyjności L_m w zależności od pojemności C_tune związanej z dobraną wartością R_c.
• Określ dobroć systemu Q_sys na podstawie pasma systemu B i częstotliwości nośnej f_c.
• Wyznacz całkowitą rezystancję R_sys na podstawie Q_sys, Lm i częstotliwości nośnej f_c, aby można było wyznaczyć maksymalną rezystancję anteny R_m za pomocą wzoru (5).
• Ostatecznie wybierz częstotliwość rezonansową f_res będącą 3- lub 4-krotnie wyższą od f_c.

Po upewnieniu się, że indukcyjność anteny Lm pozostaje niezmieniona, można zwiększyć zasięg transmisji NFMI w oparciu o wzór (10):

• Zwiększenie średnicy uzwojenia anteny dwukrotnie powoduje zwiększenia czułości o 6 dB
• Wydłużenie uzwojenia anteny l dwukrotnie oznacza zwiększenie czułości o 12 dB
• Zwiększenie sprawności systemu dwukrotnie (zmniejszenie jego rezystancji) oznacza zwiększenie czułości o 6 dB
• Zwiększenie odległości uzwojeń dwukrotnie oznacza spadem czułości o 18 dB
• Czułość nie zależy od liczby uzwojeń N, o ile indukcyjność Lm pozostaje stała