Zastosowanie indukcji magnetycznej w polu bliskim do bezprzewodowej transmisji dźwięku i danych

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

 

Lm 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 μrod 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 fc jest równa 10,6 MHz, otrzymujemy


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


Wynosi ona Qsys = 26,5. Uwzględniając wszystkie straty, wyznaczamy całkowitą rezystancję systemu Rsys


Dobieramy rezystancję anteny równą
Wówczas dobroć Qm wynosi
Ostatnim kluczowym parametrem anteny NFMI jest częstotliwość rezonansowa fres, która zazwyczaj jest dobierana tak, aby była 3-4 razy wyższa od częstotliwości nośnej fc. Wyznaczoną indukcyjność Lm, rezystancję Rm, dobroć Qm i częstotliwość rezonansową fres 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 PTX. 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 Lm 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 Lm w zależności od pojemności Ctune związanej z dobraną wartością Rc.
  • Określ dobroć systemu Qsys na podstawie pasma systemu B i częstotliwości nośnej fc.
  • Wyznacz całkowitą rezystancję Rsys na podstawie Qsys, Lm i częstotliwości nośnej fc, aby można było wyznaczyć maksymalną rezystancję anteny Rm za pomocą wzoru (5).
  • Ostatecznie wybierz częstotliwość rezonansową fres będącą 3- lub 4-krotnie wyższą od fc.

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

O autorze