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)備的識別和傳輸,生產(chǎn)廠家會測試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;測試系統(tǒng)
中圖分類號:TN9;TN8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號: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,在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識別和數(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方式相互耦合,進(jìn)行信號傳輸。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、接收信號的關(guān)鍵作用。NFC天線制造商通常會被要求測試天線產(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。
2 測試方法的工作原理
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)信號進(jìn)行射頻電路網(wǎng)絡(luò)分析的儀器。其基于黑盒測試的思路,儀器本身產(chǎn)生一個(gè)正弦測試信號輸入被測器件(Device Under Test,DUT)作為激勵(lì),通過分析激勵(lì)信號經(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)在被測件的端口1施加入射信號,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)與入射信號和反射信號的關(guān)系等式,S11為反射信號與入射信號的比值,即b1/a1,S21等于傳輸信號與入射信號的比值,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的測量,不再贅述。
2.3 測試系統(tǒng)原理
測試系統(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。信號輸入到環(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天線靠近,則大部分信號會從環(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。若將被測天線靠近環(huán)形天線,則諧振頻率點(diǎn)附近的信號會被吸收,b1的功率因此減小。此時(shí),S11會在諧振頻率點(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)的頻率即為被測天線的諧振頻率。
3 一種使用R3755A進(jìn)行測試的方法
筆者在工作中遇到了某代工廠的測試需求,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,并測試其諧振頻率。需求方給出了日本國內(nèi)的測試方法供代工廠參考,核心測試儀器是愛德萬R3755A。測試連接圖如圖3所示。
這個(gè)測試的基本原理是從R3755A的Output端口輸出掃頻信號,經(jīng)過耦合器直通到環(huán)形天線。反射信號經(jīng)過耦合器的“Coupled RF”端口進(jìn)入R3755A的Input端口。R3755A對比分析輸出信號和輸入信號的功率差,在功率損失的最高頻率點(diǎn),就是該被測天線的諧振頻率。
以上測試方案在日本國內(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,這樣會引入額外的不穩(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)確地測量被測件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信號源、7.5MHz~3GHz本振源、S參數(shù)測試模塊、本振功分混頻模塊、數(shù)字信號處理與嵌入式計(jì)算機(jī)模塊和液晶顯示模塊。S參數(shù)測試裝置模塊用于產(chǎn)生參考信號,分離被測件的反射信號和傳輸信號。在數(shù)字信號處理與嵌入式計(jì)算機(jī)模塊中,將模擬信號變成數(shù)字信號,通過計(jì)算得到被測件的幅相信息,最后顯示。
4.2 具體方案
Ceyear 3656A本身內(nèi)置了信號分離模塊,無需外接耦合器輔助就能進(jìn)行反射參數(shù)測試。經(jīng)改良后測試連接圖如圖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)行測試,觀測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)測試軟件,進(jìn)行自動(dòng)化測試。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)行測試。系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)了一拖二的測試,提高了測試效率。
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)測試方法[J].信息通信技術(shù),2012(4):58-62.