NFC设备设计宝典:天线篇 机械工业出版社

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法]Dominique Paret 著
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店铺: 北京群洲文化专营店
出版社: 机械工业出版社
ISBN:9787111589464
商品编码:29487467652
包装:平装-胶订
出版时间:2018-04-01

具体描述

基本信息

书名:NFC设备设计宝典:天线篇

定价:69.00元

作者:法]Dominique Paret

出版社:机械工业出版社

出版日期:2018-04-01

ISBN:9787111589464

字数:

页码:

版次:1

装帧:平装-胶订

开本:16开

商品重量:0.4kg

编辑推荐


内容提要


天线是近场通信(NFC)设备中的关键部件。本书从理论和实践的角度,对NFC设备不同种类天线的设计技术从标准层面到实际匹配层面都进行了详细讲解,并给出了大量实用数据,对于NFC设备的研发设计与调试有较强的指导意义。

目录


译者序
原书前言
第1 部分 背 景
第1 章 回顾NFC 设备天线设计的约束条件 2
1. 1 规范性约束 3
1. 1. 1 从发起者到接收者的上行链路 3
1. 1. 2 从接收者到发起者的下行链路 4
1. 1. 3 非接触式标准与NFC 设备天线 5
1. 1. 4 技术 6
1. 1. 5 “NFC Forum 设备” 和“NFC Forum 标签” 7
1. 1. 6 NFC Forum 设备通信的“模式” 8
1. 1. 7 NFC Forum 设备的角色 9
1. 1. 8 注意虚假广告 10
1. 2 监管约束 10
1. 2. 1 RF 法规 10
1. 3 NFC 市场的规范 11
1. 4 NFC 技术规范 11
1. 4. 1 应用成果及其直接约束 12
1. 5 天线设计应用约束 15
第2 章 NFC 内部原理的介绍和概述 16
2. 1 “非接触式” 的物理基础与NFC 16
2. 1. 1 传播和辐射的现象 16
2. 1. 2 场与空间区域的分类 16
2. 1. 3 空间区域 16
2. 1. 4 远场: r >> λ /2π (Fraunhofer 区) 17
2. 1. 5 中场: r≈λ (Fresnel 区) 17
2. 1. 6 近场: r << λ /2π (Rayleigh 区) 和NFC 的起点 17

2. 1. 7 非接触式. RFID 和NFC 应用的注释说明 17
2. 2 NFC 的概念 18
2. 2. 1 Biot ̄Savart 定律 19
2. 2. 2 圆形天线轴上一点的场H 19
2. 2. 3 作为“d” 一个函数的场H 的衰减 21
2. 2. 4 矩形天线的轴上一点的场H 22
第2 部分 NFC 设备天线的方案与设计
第3 章 发起者天线: 具体计算 25
3. 1 介绍 25
3. 1. 1 这里有一些发起者..还有一些发起者 25
3. 2 发起者天线的设计(不考虑外部环境的影响) 26
3. 2. 1 操作模式 27
3. 2. 2 扼要概述 28
3. 2. 3 集成电路的选择 35
3. 2. 4 法律约束方面与EMC 污染 38
3. 2. 5 EMC 滤波 39
3. 2. 6 接收者的选择和其阈值H_threshold 48
3. 2. 7 发起者天线的电感值的确定 49
3. 2. 8 简单天线 54
3. 2. 9 天线阻抗匹配电路 58
3. 2. 10 计算发起者天线线圈中的电流 61
3. 2. 11 总结和举例 63
3. 2. 12 模拟 65
3. 2. 13 天线辐射场H 的值 67
3. 2. 14 工作距离的计算与取值 68
3. 3 发起者天线的大品质因数质量系数Q 69
3. 3. 1 Q 和场的截止 69
3. 3. 2 在ISO 字段 71
3. 3. 3 在应用中测量Q 72
3. 3. 4 应用中带宽的测量 73
3. 4 关于发起者过程的简要手册 74
第4 章 发起者天线的应用实例 76
4. 1 大天线 76
4. 1. 1 在“卡仿真 ̄有电池” 模式下与单NFC 设备通信 76
目 录 Ⅸ
4. 1. 2 在“标签 ̄无电池” 模式下与多个NFC 设备通信 77
4. 2 单设备中的大天线 77
4. 2. 1 接收者的机械格式 77
4. 2. 2 “形状因子” 和接收者的天线尺寸 77
4. 2. 3 操作时需要的应用距离 78
4. 2. 4 估计由于距离或工作范围所产生的“负载效应” 78
4. 2. 5 环境(铜、铁氧体、电池等) 78
4. 2. 6 说明我们建议的几个措施 78
4. 2. 7 接收者必要的H_d 场 80
4. 2. 8 发起者的天线级创建所必需的H_0 80
4. 2. 9 功率P 81
4. 2. 10 场H. 必须由特定接收者的发起者生成 81
4. 2. 11 发起者的定义: 读取器“着陆区域” 的格式
(放置接收者的区域) 81
4. 2. 12 应用“系统” 注意事项 81
4. 2. 13 直接驱动天线的商用集成电路 82
4. 2. 14 booster 放大器 83
4. 2. 15 逆调制值的问题 86
4. 3 多天线中的大型天线 87
4. 3. 1 同步模式(暂时非复用) 87
4. 3. 2 暂时多路复用模式 88
4. 4 多设备中的大型天线 90
4. 5 发起者的其他示例 91
第5 章 接收者和标签的天线: 详细计算 94
5. 1 简介: 接收者 94
5. 2 NFC Forum 标签 95
5. 2. 1 “技术子集” 95
5. 3 天线接收者/标签问题介绍 97
5. 3. 1 接收者/标签的调谐 97
5. 3. 2 电感L 98
5. 3. 3 电容C 98
5. 3. 4 应用领域和额外功能的使用 101
5. 4 好的天线尺寸 103
5. 4. 1 接收者天线的尺寸 103
5. 4. 2 ISO 接收天线类别的应用示例 105
Ⅹ NFC 设备设计宝典: 天线篇
5. 5 NFC 接收者和标签的工艺特性 109
5. 5. 1 NFC 接收者使用的集成电路数据规范 109
5. 5. 2 外置电容的数据规范 110
5. 5. 3 天线技术的工业数据规范 110
5. 5. 4 技术要点 110
5. 5. 5 保证无线供电的接收者的天线线圈小数量的估算 113
第6 章 接收者天线设计的详细示例 114
6. 1 小天线的情况 114
6. 1. 1 4、5、6 类或相近的示例 115
6. 1. 2 5 类天线设计示例 115
6. 1. 3 举例 118
6. 1. 4 6 类天线的设计示例 121
6. 2 非常小的天线的情况 125
6. 2. 1 11、12、13 类天线的设计示例 125
6. 3 大型NFC 天线或标签: A4 格式 133
6. 3. 1 在马拉松和铁人三项运动中应用NFC 号码比赛服 133
6. 3. 2 NFC 标签的技术特性 134
6. 4 特别大的天线的情况: A3 格式天线 135
6. 4. 1 大型天线的内容与技术框架 135
6. 4. 2 传统概念 135
6. 4. 3 4 天线网络示例 140
6. 4. 4 等式的简化 142
第7 章 发起者—接收者天线对及其耦合 154
7. 1 电路与耦合 155
7. 1. 1 互感 155
7. 1. 2 完全互感 157
7. 1. 3 不完全的互感 157
7. 1. 4 耦合系数k 159
7. 2 通过互感耦合的调谐电路 161
7. 2. 1 为什么说“几乎” 161
7. 2. 2 耦合指数n 162
7. 2. 3 小结 163
7. 3 调谐到相同频率的同相耦合电路 164
7. 3. 1 转换函数 164
7. 3. 2 转移系数Kt 165
目 录 Ⅺ
7. 3. 3 主要参数总结 166
7. 3. 4 当频率临近谐振频率的操作 168
第8 章 发起者—接收者耦合和负载效应 180
8. 1 由耦合所导致的负载效应 180
8. 2 耦合调谐天线的主电流 181
8. 2. 1 发起者. 无负载(磁场中不存在接收者) 181
8. 2. 2 发起者磁场中存在负载(接收者) 的情况 182
8. 2. 3 环境因素对R2 的影响 184
8. 3 一些改进想法 184
8. 4 负载效应 186
8. 4. 1 定义和解释 186
8. 4. 2 负载效应中涉及的参数 187
8. 4. 3 工作距离的变化以及因此产生的耦合情况的变化 189
8. 4. 4 磁耦合及其后果 189
8. 4. 5 发起者的要求: 对接收者远程供电的电源的负载效应 189
8. 4. 6 发射磁场的质量 190
8. 4. 7 耦合系数和负载效应的例子 195
8. 4. 8 NFC 中的分流电路 200
8. 5 如何进行一个NFC 项目 204
总 结
参考文献 211

作者介绍


文摘


序言



NFC设备设计宝典:天线篇 引言 在当今高度互联的世界中,近场通信(NFC)技术已悄然渗透到我们生活的方方面面。从便捷的移动支付到智能家居的互联互通,NFC正以前所未有的速度改变着我们与数字世界的交互方式。然而,支撑起这一切的,是隐藏在设备内部精巧而至关重要的NFC天线。作为NFC通信的“桥梁”,天线的性能直接决定了NFC设备的可用性、可靠性和用户体验。 本书——《NFC设备设计宝典:天线篇》——正是为满足业界对NFC天线设计日益增长的需求而精心编写。我们深知,在NFC设备的设计与开发过程中,天线的设计与优化环节往往是技术难度最大、最容易成为瓶颈的环节之一。理解天线的工作原理、掌握其设计方法、学会如何规避常见的陷阱,对于每一个NFC设备的设计师、工程师乃至产品经理都至关重要。 本书并非泛泛而谈,而是聚焦于NFC天线的核心设计要素。我们将深入剖析不同类型NFC天线的结构、工作原理、设计考量以及优化策略。从基础的电磁场理论到具体的PCB天线设计,再到更复杂的封装技术,我们力求为读者提供一套系统、全面、实用的设计指南。我们的目标是让读者在阅读本书后,能够独立完成高质量的NFC天线设计,并解决实际设计中遇到的各种挑战。 第一章:NFC技术基础与天线的重要性 在正式深入天线设计之前,有必要回顾一下NFC技术的关键概念,并强调天线在整个NFC系统中扮演的角色。NFC是一种短距离、高频率的无线通信技术,它允许两个设备在几厘米的范围内进行数据交换。其核心工作原理基于电磁感应,通过发射和接收电磁场来实现通信。 NFC通信模式: 了解NFC的三种主要工作模式:卡模拟模式(Card Emulation)、读卡器/写卡器模式(Reader/Writer)和点对点通信模式(Peer-to-Peer)。每种模式对天线的设计都有其特定的要求和侧重点。 NFC协议栈与数据传输: 简要介绍NFC协议栈,包括ISO/IEC 14443(Type A/B)、FeliCa和ISO/IEC 15693等标准,以及它们对数据编码和调制方式的影响,这些都与天线的频率响应和阻抗匹配有关。 电磁场基础: 回顾电磁感应的基本原理,包括法拉第电磁感应定律、安培环路定律等。理解电场和磁场如何相互作用,以及它们在NFC通信中的作用。 天线在NFC中的角色: 强调天线是NFC通信的“心脏”。它负责将RF能量转换为电磁波发射出去,或将接收到的电磁波转换回电信号。天线的效率、辐射方向图、阻抗匹配等参数直接影响NFC设备的通信距离、数据传输速率和功耗。 天线设计挑战: 概述NFC天线设计面临的主要挑战,例如有限的空间、设备内部其他组件的干扰、用户握持影响、以及不同应用场景下的性能要求。 第二章:NFC天线设计原理与关键参数 本章将深入探讨NFC天线的核心设计原理,并详细阐述影响天线性能的关键参数。 天线类型概述: 介绍NFC系统中常用的天线类型,重点分析线圈天线(Coil Antenna)的设计。 单匝线圈与多匝线圈: 分析不同线圈匝数对感抗、电感和通信性能的影响。 平面螺旋天线(Planar Spiral Antenna): 讲解其结构、工作方式以及在PCB设计中的实现。 印制电感器(Printed Inductor): 详细介绍在PCB上制作线圈天线的工艺和注意事项。 天线参数详解: 电感(Inductance): 如何计算和设计所需电感值,以及电感与NFC芯片要求的匹配。 自谐振频率(Self-Resonant Frequency, SRF): 理解SRF的概念,以及如何通过优化天线尺寸和结构来调整SRF,使其接近NFC工作频率(13.56 MHz)。 品质因数(Quality Factor, Q Factor): Q值对天线效率和带宽的影响。如何提高Q值以获得更好的性能。 阻抗(Impedance): 天线的阻抗特性,包括电阻和电抗分量。理解匹配网络设计的重要性。 辐射效率(Radiation Efficiency): 天线将输入的电能转化为辐射能的比例。如何通过优化设计来提高辐射效率。 增益(Gain): 在特定方向上天线辐射能量的能力,虽然NFC天线通常为全向辐射,但增益的概念依然适用。 电磁场耦合: 深入理解NFC设备之间以及天线与NFC芯片之间的电磁场耦合机制。分析耦合系数和互感的影响。 第三章:PCB天线设计实践 PCB(Printed Circuit Board)天线是NFC设备中最常见的天线形式,本章将聚焦于PCB天线的具体设计方法和技巧。 PCB材料选择: 不同PCB基材(如FR-4、Rogers)对RF性能的影响,以及选择适合NFC应用的PCB材料。 线圈布局与尺寸优化: 矩形、圆形、椭圆形等线圈形状: 分析不同形状的优缺点,以及如何根据设备空间进行选择。 走线宽度、间距和长度: 这些参数如何影响电感、SRF和阻抗。 多层PCB设计: 如何利用多层PCB实现更复杂的线圈结构,或者将天线层与信号层、电源层分离,减少干扰。 阻抗匹配网络设计: 匹配网络的目的: 实现天线阻抗与NFC芯片输出阻抗的匹配,最大化能量传输。 LC匹配网络(L-matching, Pi-matching): 详细讲解如何使用电感(L)和电容(C)元件构建匹配网络。 匹配元件的选择: 选择低损耗、高Q值的匹配元件。 计算与仿真: 介绍阻抗匹配网络的计算方法,以及使用仿真软件(如Ansys HFSS, CST Studio Suite)进行设计验证。 接地与屏蔽: 地平面设计: 地平面的作用,以及如何设计高质量的地平面以提高天线性能并降低EMI。 屏蔽技术: 在必要时如何使用屏蔽层来隔离天线,防止与其他组件的干扰。 天线与NFC芯片的连接: 学习如何将设计好的PCB天线正确连接到NFC芯片的RF引脚,并考虑连接线的长度和阻抗。 实际设计案例分析: 通过具体的PCB天线设计案例,演示从概念到实现的整个过程,包括设计思路、计算过程、仿真结果和实测验证。 第四章:天线性能的仿真与测试 在实际设计过程中,仿真和测试是验证天线性能、优化设计不可或缺的环节。 电磁场仿真软件介绍: 工作原理: 讲解基于有限元法(FEM)、时域有限差分法(FDTD)等数值计算方法的电磁场仿真。 常用仿真工具: 简要介绍HFSS、CST Studio Suite、ADS等业界主流的电磁场仿真软件。 仿真模型建立: 如何准确地建立PCB天线、匹配网络以及周围环境的仿真模型。 仿真参数设置: 设置材料属性、边界条件、激励源等关键仿真参数。 关键仿真结果解读: S参数(S-parameters): S11(回波损耗)用于评估阻抗匹配,S21(插入损耗)用于评估端口之间的传输性能。 近场与远场分析: 绘制电场、磁场分布图,理解天线的辐射模式。 效率与增益分析: 评估天线的辐射效率和最大增益。 SAR(Specific Absorption Rate)评估: 在某些应用中,需要考虑人体的SAR值。 NFC天线测试设备与方法: 矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer, VNA): 用于测量天线的S参数、阻抗等。 NFC测试仪/分析仪: 用于模拟NFC通信环境,测试天线在实际通信中的性能,如通信距离、误码率等。 近场探头(Near-field Probe): 用于测量天线附近的电磁场强度。 测试流程与注意事项: 讲解如何进行准确的天线测试,包括校准、环境控制等。 仿真与实测结果的对比分析: 如何对比仿真结果与实际测试数据,分析差异原因,并指导进一步的设计优化。 第五章:特殊应用场景下的NFC天线设计 不同的产品形态和应用场景对NFC天线的设计提出了差异化的要求。本章将探讨一些特殊应用场景下的设计考量。 金属屏蔽环境下的天线设计: 挑战: 金属会显著影响电磁场的分布,可能导致天线性能下降甚至失效。 解决方案: 近金属天线设计: 调整天线形状、尺寸和位置,使其能够更好地工作在金属附近。 使用铁氧体材料: 铁氧体是一种磁性材料,可以改变磁场的传播路径,提高天线在金属环境下的性能。 分集天线技术: 在金属设备中,可能需要设计多个天线,并通过切换或合并来获得更好的整体性能。 嵌入式NFC天线设计: 小型化需求: 在智能手表、穿戴设备等小型化产品中,天线尺寸受到极大限制。 高密度布局: 如何在狭小的空间内集成天线,并避免与其他电子元件的干扰。 柔性PCB天线: 探索使用柔性PCB材料制作可弯曲的天线,以适应不规则的设备外形。 长距离NFC应用: 通信距离的限制: NFC的标准通信距离有限,但某些应用可能需要一定程度的距离扩展。 天线效率和耦合的优化: 提高天线的效率和优化耦合是关键。 主动天线技术(研究方向): 探讨未来可能出现的具有一定放大功能的主动天线。 EMC/EMI考量: 电磁兼容性(EMC)与电磁干扰(EMI): NFC天线的设计需要考虑其对其他设备产生的电磁干扰,以及自身容易受到的外部电磁干扰。 滤波与屏蔽: 在必要时,可能需要设计额外的滤波电路或屏蔽结构来满足EMC/EMI要求。 第六章:NFC天线设计中的常见问题与解决方案 在本章中,我们将总结NFC天线设计过程中最常见的问题,并提供切实可行的解决方案。 通信距离不足: 原因分析: 阻抗匹配不良、天线效率低、外部干扰、芯片功率不足等。 解决方案: 优化匹配网络、提高天线Q值、检查天线布局、增加芯片功率(如可能)、减少干扰源。 天线过热: 原因分析: 匹配不良导致高反射损耗、PCB走线过细等。 解决方案: 改善阻抗匹配、增加走线宽度、选择低损耗材料。 PCB变形影响天线性能: 原因分析: PCB在生产或使用过程中可能发生变形,导致天线尺寸和形状改变。 解决方案: 加强PCB结构设计、使用更稳定的PCB材料、在设计中考虑一定的容差。 与金属外壳的兼容性问题: 原因分析: 金属外壳对天线电磁场的强烈影响。 解决方案: 采用近金属天线设计、使用铁氧体材料、优化天线与金属外壳的间隙。 用户握持的影响: 原因分析: 用户的手部会吸收一部分电磁能量,影响通信距离。 解决方案: 在设计时考虑用户握持区域,尽量避免天线放置在该区域,或采用能更好地适应人体影响的天线结构。 结论 《NFC设备设计宝典:天线篇》旨在为NFC设备的设计者提供一套扎实的理论基础和实用的设计指导。通过对NFC天线原理的深入剖析,以及对PCB天线设计、仿真测试和特殊应用场景的详细阐述,我们希望读者能够掌握NFC天线设计的核心技能,从而自信地应对各种设计挑战,创造出性能卓越、用户体验优良的NFC产品。 NFC技术的未来发展充满无限可能,而高性能、低成本、易于集成的NFC天线设计将是推动这一发展的关键。我们相信,本书将成为您在NFC天线设计领域的宝贵参考,助您在这一激动人心的领域取得成功。

用户评价

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从语言风格来看,这本书的作者显然是一位深谙沟通之道的专家。尽管它处理的是极其高深的电磁兼容和天线辐射模式等课题,但其叙述方式却出奇地流畅和富有节奏感。他擅长使用类比和生活化的语言来解释抽象的概念。比如,他将天线谐振态比喻为“乐器调音”,将远场辐射方向图比作“声音的扩散范围”,这种生动的比喻使得原本枯燥的数学建模瞬间变得形象起来。而且,作者的语气总是保持着一种沉稳而富有启发性的姿态,从不卖弄深奥,而是引导读者一步步接近真相。这种易读性,极大地拓宽了这本书的受众范围,让非科班出身的硬件工程师也能相对轻松地跨入射频设计的门槛。

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这本书的价值不仅仅在于它传授了知识,更在于它塑造了一种正确的设计思维模式。它反复强调“设计始于系统需求,而非天线参数”,这在很多初级设计者中常常被忽略。书中花费了相当大的篇幅讨论天线与封装材料、射频IC功放之间的相互影响,将天线设计视为整个系统链条中的一个有机组成部分,而非孤立存在的组件。这种系统化的思考方法,对我以往那种“先设计天线,再考虑集成”的线性思维模式产生了颠覆性的影响。它教会了我如何在设计初期就将成本、尺寸、功耗和环境因素进行多维度的权衡,形成了一种更具前瞻性和鲁棒性的设计哲学,这对于追求极致性能和快速迭代的现代产品开发流程而言,是无价的宝藏。

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这本书的排版和装帧简直是业界良心,拿在手里沉甸甸的,感觉像是在触摸一件精密仪器的外壳。从纸张的选择到印刷的清晰度,都能看出出版社在细节上的极致追求。那些复杂的电磁场理论图示和PCB布局图,即使在全彩印刷下也显得异常精准,线条的锐利度让人印象深刻。我特别喜欢它在章节过渡时采用的留白设计,既不会让人感到信息过载,又能让眼睛在密集的专业术语中得到片刻喘息。而且,书本的装订方式也非常结实,即便是频繁翻阅查找特定公式或参数时,书脊也不会轻易出现松动或裂开的迹象。这对于经常需要在实验台边快速查阅资料的工程师来说,无疑是一个巨大的加分项。这种对实体书工艺的重视,在如今这个电子书盛行的时代,显得尤为可贵,它不仅仅是一本技术手册,更像是一件值得收藏的工艺品,体现了机械工业出版社对知识载体本身的尊重。

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这本书的实战指导部分简直就是为一线射频工程师量身定做的“避坑指南”。我尤其欣赏作者在介绍各种天线匹配网络设计时所采用的“案例剖析”手法。他没有停留在理论上的理想L-C网络设计,而是直接展示了实际PCB上可能出现的寄生电感和电容如何影响最终的阻抗匹配曲线。更妙的是,作者还附带了大量的仿真结果对比图,将理论优化后的S11参数和实际测试中由于加工误差导致的偏离,做了直观的呈现。这对于我们这些需要对产品性能负责的人来说,提供了极大的信心,因为它提前预警了制造过程中可能遇到的陷阱。读完这几章,我感觉自己仿佛多了一个经验丰富、脾气暴躁但极其可靠的导师在旁边指点江山,而不是对着一本冰冷的规范手册死磕。

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读完这本书,我最大的感受是作者在梳理知识体系上的那种近乎偏执的严谨性。它不像市面上很多教材那样,只是简单地罗列公式和设计步骤,而是将理论的来龙去脉交代得清清楚楚。例如,在讲解偶极子天线在高频环境下特性变化时,作者不仅给出了最终的解析式,还回溯到了麦克斯韦方程组的原始推导过程,甚至细致地探讨了边界条件的选取对结果精度的影响。这种深挖底层逻辑的写法,极大地满足了我这个“刨根问底型”读者的求知欲。每当我在实践中遇到一个看似突兀的设计规范时,翻阅这本书,总能找到那个隐藏在背后、逻辑自洽的数学或物理学解释。可以说,它构建了一个坚固的理论地基,让后续的工程应用建立在无可动摇的科学基础之上,避免了那种“知其然而不知其所以然”的尴尬局面。

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