一種手機(jī)NFC天線諧振頻率測(cè)試改良方案

宋林浩

摘 要：NFC即近距離無線通信，隨著無線電通信技術(shù)的快速發(fā)展，手機(jī)產(chǎn)品中也逐漸普及了NFC功能。NFC天線作為NFC傳輸技術(shù)中的重要硬件，其性能影響著NFC設(shè)備的識(shí)別和傳輸，生產(chǎn)廠家會(huì)測(cè)試NFC天線的諧振頻率以保證其性能。文章首先描述了日本愛德萬NFC天線測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成，在此基礎(chǔ)上調(diào)研出一種基于Ceyear 3656矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的改良替代方案。

關(guān)鍵詞：NFC;天線諧振頻率;測(cè)試系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TN9;TN8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）05-039-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.019

NFC（Near Field Communication），即近距離無線通信，是一種短距高頻的無線電技術(shù)，結(jié)合RFID技術(shù)，通過無線頻譜的電磁感應(yīng)耦合方式進(jìn)行信息傳遞，能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。NFC在手機(jī)中得到了十分廣泛的應(yīng)用，最常見的是手機(jī)移動(dòng)支付，使手機(jī)具有銀行卡、交通卡、電子票證等功能。

1 NFC工作原理

NFC技術(shù)主要基于中心頻率為13.56MHz的射頻信號(hào)，在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。傳輸距離在20cm左右。傳輸速率最高可達(dá)1Mbit/s。NFC通信的雙方一般被稱為發(fā)起設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備，兩者之間以交流磁場(chǎng)方式相互耦合，進(jìn)行信號(hào)傳輸。天線是NFC傳輸技術(shù)的重要硬件，在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中起輻射、接收信號(hào)的關(guān)鍵作用。NFC天線制造商通常會(huì)被要求測(cè)試天線產(chǎn)品的諧振頻率，以保證裝機(jī)使用的NFC設(shè)備能正常接收中心頻率為13.56MHz的數(shù)字調(diào)制信號(hào)。

2 測(cè)試方法的工作原理

2.1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種通過自收自發(fā)信號(hào)進(jìn)行射頻電路網(wǎng)絡(luò)分析的儀器。其基于黑盒測(cè)試的思路，儀器本身產(chǎn)生一個(gè)正弦測(cè)試信號(hào)輸入被測(cè)器件（Device Under Test，DUT）作為激勵(lì)，通過分析激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過DUT所產(chǎn)生的波量變化來表征其網(wǎng)絡(luò)特性。

2.2 波量與S參數(shù)

所謂的波量通常用來描述射頻電路，其可以分為入射波a和反射波b。入射波從分析儀傳向DUT;而反射波的傳輸方向與入射波相反，其從DUT傳向分析儀[1]。

如圖1所示，當(dāng)在被測(cè)件的端口1施加入射信號(hào)，或者說源在端口1輸出，若端口2處于理想匹配狀態(tài)，即端口2無駐波，根據(jù)S參數(shù)與入射信號(hào)和反射信號(hào)的關(guān)系等式，S11為反射信號(hào)與入射信號(hào)的比值，即b1/a1，S21等于傳輸信號(hào)與入射信號(hào)的比值，即b2/a1。

同理，當(dāng)源在端口2輸出，端口1理想匹配，可完成S12和S22的測(cè)量，不再贅述。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)原理

測(cè)試系統(tǒng)搭建如圖2所示，從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口施加一個(gè)中心頻率為13.56MHz、頻率跨度2.5MHz的掃頻信號(hào)。信號(hào)輸入到環(huán)形天線，經(jīng)環(huán)形天線向周圍空間輻射。若沒有與之匹配的被測(cè)天線靠近，則大部分信號(hào)會(huì)從環(huán)形天線端口反射回矢網(wǎng)端口。此時(shí)，S11呈現(xiàn)為一個(gè)較高的值。若將被測(cè)天線靠近環(huán)形天線，則諧振頻率點(diǎn)附近的信號(hào)會(huì)被吸收，b1的功率因此減小。此時(shí)，S11會(huì)在諧振頻率點(diǎn)附近呈現(xiàn)一個(gè)波谷。用光標(biāo)搜索到幅度最小值，該點(diǎn)的頻率即為被測(cè)天線的諧振頻率。

3 一種使用R3755A進(jìn)行測(cè)試的方法

筆者在工作中遇到了某代工廠的測(cè)試需求，其需求方是日本某手機(jī)公司，要求該工廠為其加工NFC天線，并測(cè)試其諧振頻率。需求方給出了日本國內(nèi)的測(cè)試方法供代工廠參考，核心測(cè)試儀器是愛德萬R3755A。測(cè)試連接圖如圖3所示。

這個(gè)測(cè)試的基本原理是從R3755A的Output端口輸出掃頻信號(hào)，經(jīng)過耦合器直通到環(huán)形天線。反射信號(hào)經(jīng)過耦合器的“Coupled RF”端口進(jìn)入R3755A的Input端口。R3755A對(duì)比分析輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的功率差，在功率損失的最高頻率點(diǎn)，就是該被測(cè)天線的諧振頻率。

以上測(cè)試方案在日本國內(nèi)應(yīng)用廣泛。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜;缺點(diǎn)是該方案已經(jīng)老舊過時(shí)，測(cè)試中要額外加入一個(gè)耦合器才能幫助R3755A接收到反射信號(hào)，這樣會(huì)引入額外的不穩(wěn)定變量，所以代工廠急需找到替代方案。

4 國產(chǎn)儀表替代方案

4.1 儀表簡(jiǎn)介

Ceyear 3656A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是新一代經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品，能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)量被測(cè)件S參數(shù)的幅度、相位和群延遲，具備高效、強(qiáng)大的誤差修正能力。并且有豐富的通信接口，方便用戶搭建測(cè)試系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用于元器件、雷達(dá)、通信、廣電等軍工、民用領(lǐng)域。

Ceyear 3656A整機(jī)主要包括100kHz～3GHz信號(hào)源、7.5MHz～3GHz本振源、S參數(shù)測(cè)試模塊、本振功分混頻模塊、數(shù)字信號(hào)處理與嵌入式計(jì)算機(jī)模塊和液晶顯示模塊。S參數(shù)測(cè)試裝置模塊用于產(chǎn)生參考信號(hào)，分離被測(cè)件的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。在數(shù)字信號(hào)處理與嵌入式計(jì)算機(jī)模塊中，將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，通過計(jì)算得到被測(cè)件的幅相信息，最后顯示。

4.2 具體方案

Ceyear 3656A本身內(nèi)置了信號(hào)分離模塊，無需外接耦合器輔助就能進(jìn)行反射參數(shù)測(cè)試。經(jīng)改良后測(cè)試連接圖如圖4所示。

實(shí)物連接如圖5所示。

操作步驟如下。

4.2.1 設(shè)置測(cè)試參數(shù)

復(fù)位儀器：

“軌跡”新建軌跡S11;

“中心”13.56MHz，“跨度”2.5MHz;

“掃描設(shè)置”“功率”，設(shè)為0dBm;

“掃描設(shè)置”“掃描”“掃描點(diǎn)數(shù)”設(shè)為1001;

“響應(yīng)”“中頻帶寬”設(shè)為10kHz。

4.2.2 校準(zhǔn)

“校準(zhǔn)”“校準(zhǔn)類型”，選擇單端口（反射）;

“選擇校準(zhǔn)件”從列表中選擇校準(zhǔn)件;

依次在端口一連接開路器、短路器、負(fù)載，并在連接好后點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的“開路”“短路”“負(fù)載”按鈕。

完成校準(zhǔn)（可以在保存按鈕中保存這個(gè)校準(zhǔn)狀態(tài)并命名，方便以后調(diào)用）。

4.2.3 測(cè)試

在校準(zhǔn)完端口后連接環(huán)形天線，將手機(jī)NFC功能打開，靠近環(huán)形天線進(jìn)行測(cè)試，觀測(cè)S11軌跡變化。

使用光標(biāo)搜索曲線最小值，光標(biāo)頻率點(diǎn)即天線諧振頻率。

如實(shí)測(cè)結(jié)果所示，該樣品的諧振頻率點(diǎn)為13.85MHz，符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 自動(dòng)化測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

Ceyear 3656矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提供了豐富的程控接口和開放的控制指令集，用戶可以根據(jù)自己需求開發(fā)測(cè)試軟件，進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試。支持的編程接口有GPIB、LAN，這些接口與I/O庫和編程語言結(jié)合使用，可以遠(yuǎn)程控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

目前，基于Ceyear 3656的手機(jī)NFC天線諧振頻率測(cè)試系統(tǒng)，已經(jīng)在廣東某電子代工廠內(nèi)調(diào)試成功。并且，Ceyear 3656有兩個(gè)端口，可以同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)了一拖二的測(cè)試，提高了測(cè)試效率。

5 結(jié)語

文章介紹了NFC通信技術(shù)的基本原理，NFC天線諧振頻率是天線硬件的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在調(diào)研了日本愛德萬公司的測(cè)試方法后，筆者提出了一種基于國產(chǎn)儀表Ceyear 3656的替代方案。該方案已經(jīng)在工廠調(diào)試成功，準(zhǔn)備全面替代老舊測(cè)試系統(tǒng)，可作為行業(yè)參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭寰.NFC技術(shù)與NFC手機(jī)測(cè)試方法[J].信息通信技術(shù)，2012（4）：58-62.