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- 1 -
设计
MF RC500
的匹配电路和天线的应用指南
目录
1
介绍
........................................................................................................................ 3
2
系统的基本原理
...................................................................................................... 3
2.1 结构示意图......................................................................................................................... 3
2.2 系统配置 ............................................................................................................................ 3
2.3 MIFARE® RF 接口............................................................................................................. 4
2.3.1 能量传输.................................................................................................................. 4
2.3.2 RWD->卡的数据传输 ............................................................................................... 5
2.3.3 卡->RWD 的数据传输 .............................................................................................. 6
3
MF RC500
匹配电路和天线的设计
......................................................................... 8
3.1 基本设计规则 ..................................................................................................................... 8
3.2 估算最合适的天线大小....................................................................................................... 9
3.3 直接匹配的天线 ............................................................................................................... 10
3.3.1 EMC 电路 .............................................................................................................. 10
3.3.2 接收电路................................................................................................................ 10
3.3.3 直接匹配天线的天线匹配电路.................................................................................11
3.4 50 匹配的天线............................................................................................................... 14
3.4.1 EMC 电路 .............................................................................................................. 14
3.4.3 50 的长距离解决方案 .......................................................................................... 15
3.4.4 50 的短距离解决方案 .......................................................................................... 16
3.4.5 50 天线的天线匹配电路....................................................................................... 16
4
环境的影响
........................................................................................................... 19
4.1 金属的天线环境 ............................................................................................................... 19
4.2 多个天线 .......................................................................................................................... 19
4.3 温度 ................................................................................................................................. 19
5
天线的屏蔽和补偿
................................................................................................ 19
5.1.1 电子屏蔽................................................................................................................ 19
5.1.2 补偿 ....................................................................................................................... 21
5.1.3 铁屏蔽.................................................................................................................... 21
6
MF RC500
天线设计的举例
.................................................................................. 23
6.1 总体布线提示 ................................................................................................................... 23
6.1.1 EMC 滤波器和接收电路......................................................................................... 23
6.2 天线和匹配电路的布线..................................................................................................... 24
6.3 直接匹配天线的例子 ........................................................................................................ 24
6.3.1 屏蔽和补偿的矩形天线........................................................................................... 24
6.3.2 矩形天线................................................................................................................ 25
6.3.3 屏蔽的矩形天线 ..................................................................................................... 26
6.4 50 匹配天线的举例........................................................................................................ 27
6.4.1 补偿的矩形天线 ..................................................................................................... 27
6.4.2 补偿的环形天线 ..................................................................................................... 28
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6.4.3 屏蔽的环形天线 ..................................................................................................... 29
7
天线的调谐
........................................................................................................... 30
7.1 最优工作距离的调谐方法 ................................................................................................. 30
7.1.1 直接匹配天线的调谐 .............................................................................................. 30
7.1.2 50 匹配天线的调谐.............................................................................................. 31
7.2 检查 Q 因子...................................................................................................................... 36
8
参考文献
............................................................................................................... 38
9
附录
A ................................................................................................................... 38
9.1 缩写 ................................................................................................................................. 38
9.2 天线线圈电感的计算 ........................................................................................................ 38
9.3 线圈电阻的估算 ............................................................................................................... 39
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1
介绍
本应用指南的意图是支持 MF RC500 MIFARE
®
读卡器内部与 RF 相关的设计 它的目的是提供设计应
用指定的天线和匹配电路所使用的 MIFARE
®
RF 接口 ISO14443A 的一些必要的理解 使读卡器与无线
的 MIFARE
®
卡有最好的通讯性能 本文档将介绍系统 RF 部分的背景以及概述如何为标准应用设计和调整
天线的过程
这里详细解释并列举了两种不同的天线和匹配电路的概念和设计 而且有完整的调谐过程
有兴趣的读者可以从附录找到 RF 接口的详细理论描述
2
系统的基本原理
2.1
结构示意图
MF RC500 是基于 13.56MHz 无线通讯的一个新系列高度集成读卡器 IC 的成员
MF RC500 支持
IS14443 的所有层
图 2.1 是 MF RC500 简化的结构示意图
图 2.1 简化的 MF RC500 结构示意图
MF RC500 具有以下的功能
• µC 的并行接口自动检测连接的 8 位并行接口
• 数据处理部分将并行的数据转换成串行
支持检查产生的帧 产生并检查 CRC/奇偶校验以及位
编码和处理
它支持 ISO14443-A 的所有层 使 MF RC500 在完全透明的模式下工作
• 器件的状态和控制部分允许对环境影响进行配置
使每个应用获得最好的性能
• Crypto1 的流密码单元支持与 MIFARE® CLASSIC 产品通讯
• 一个安全稳定的密钥存储器用于存储 Crypto1 密钥组
• 模拟部分有两个内部的桥驱动输出
使操作距离可达 100mm 取决于天线线圈和环境的影响
而且 内部接收部分允许接收和译码没经过外部滤波的数据
2.2
系统配置
MIFARE®读卡器的系统配置基于图 2.2 所显示的 MF RC500
用户可以选择两个不同的概念将天线连
接到读卡器 IC
这两种方法是
• 50
匹配的天线 或者
• 使用直接匹配的天线配置
这两种概念的系统元件大体上很相似
都需要 3 个部分
− 一个接收电路
接收卡发送的数据
− 一个滤波和电阻
impedance 转换电路 抑制高次谐波并优化到读卡器天线的功率传输 power
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transmission
− 设计天线线圈的匹配电路和天线线圈使它们获得最优的性能
天线和读卡器用电缆或直接连接也
要有最好的性能
图 2.2 系统配置
这两个概念能满足不同的要求使性能最优
这些部件的设计是下一章的主题
2.3 MIFARE® RF
接口
MIFARE® Technology 在读卡器和无线卡之间用 ISO 14443 类型 A 的 RF 接口通讯
表 1 是 MIFARE® RF 接口的简短概述
基本上 MIFARE® RF 接口遵从变压器原理 MIFARE®卡是
无源的
卡上没有电池 因此 读卡器模块和卡之间的通讯要求有能量的传输 而且可以双向发送数据
表 1 MIFARE® RF 接口的概述
能量传输 变压器原理 MIFARE®卡是无源的
工作频率 13.56MHz
通讯结构 半双工 读卡器首先发信号 talk
数据速率 105.9kHz
数据传输 双向
RWD->卡 100%ASK 幅变调制 Miller 编码
卡->RWD 副载负载波调制 subcarrier load modulation 副载波频率 847.5kHz 曼彻斯特编码
下面的内容是 MIFARE® RF 接口的基本知识
首先将讲述基本的能量传输 最后是数据传输和两个方
向使用的数据编码
2.3.1
能量传输
读卡器天线和无源 MIFARE®卡之间的能量传输使用变压器原理
它要求读卡器要有天线线圈
MIFARE®卡也有线圈 图 2.3 是基本的原理和等效的电路图 图的左边是天线和能量传输的原理
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图 2.3 变压器模型
RWD 天线线圈的电流 I 产生一个磁通量
磁通量的部分穿过卡的线圈 在卡的线圈感应出一个电压
电压被整流 当工作电压到达后 卡的 IC 被激活 感应电压会随着读卡器天线和 MIFARE®卡的距离不同
而变化
由于电压会变化 工作距离受到传输的功率限制 上图的右半部分是变压器模式的等效电路 详
细的能量传输将在本文档的附录 A 详细解释
2.3.2 RWD->
卡的数据传输
MIFARE®用半双工的通讯形式在读卡器和卡之间传输数据
读卡器首先发出信号 说话 启动通讯
从读卡器到卡的数据传输根据 ISO 14443 类型 A 采用 100%的 ASK 幅变调制 pulse-pause modulation
图 2.4 是典型的信号波形
图 2.4 RWD->卡的数据传输
典型的信号波形
由于天线有品质因子 Q
使发送的信号波形发生变形 如图 2.5 这个波形可以用于测量天线的调谐
tuning 计算天线品质因子 Q 的理论背景和计算匹配电路部件的过程将在第三章详细解释
前面已经提到
MIFARE®卡是无源的 能量传输到卡后 卡才能和读卡器通讯 因此 MIFARE®用
优化的编码提供与发送到卡的数据独立的恒定能量
这就是改良的 Miller 编码 它用于读卡器向卡发送数
据
图 2.6 详细介绍了 Miller 编码
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