【经验】基于RFID/NFC收发器的天线匹配网络如何实现最大功率传输？

时间： 2018-03-23 来源：MELEXIS

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MLX90130/MLX90132为13.56MHz RFID/NFC收发器系列，为了实现与RF存储转发器进行良好的通信，连接感性阻抗天线时需要设计相应的外部匹配网络，从而调整收发器的驱动输出，最终实现最大功率传输。

大多数情况下，感性天线负载只是印制在PCB的方形或圆形环路，匹配网络由外部电容组成，并且确保谐振频率稳定在13.56MHz。转发器消息接收通过RX1和RX2引脚连接的两个外部电阻，匹配网络计算还需考虑它们的阻值以及接收链内部的等效阻抗。此外，在两个驱动器的输出端添加EMI滤波器，可进一步降低13.56MHz发射信号的高次谐波发射，同时不会影响匹配网络的基本结构。

图1 MLX90130/MLX90132实物图

MLX90130/MLX90132输出阻抗

MLX90130/MLX90132采用双驱动的拓扑结构，可产生两路13.56MHz的反相方波信号。当电源电压V_DD=3V、V_{DD_TX}为纯电阻时，测得每个驱动器的等效阻抗为13.5Ω，那么输出可以简化为单个电阻R_OUT=27Ω，其阻值等于驱动器输出阻抗的两倍，如图2所示。

图2 MLX90130/MLX90132等效输出阻抗

感性天线阻抗

以图3的设计为例，天线为印制在PCB的一个2匝方形环路（外观尺寸为48mm×34mm）。那么，该天线的等效阻抗可以表示为：

Z_LOAD：负载阻抗

R_A：天线等效串联电阻

L_A：天线等效串联电感

图3 天线板等效电路

阻抗匹配要求

当满足条件Z_OUT=Z_LOAD*时，该元件和天线负载之间实现最大功率传输，其中Z_LOAD*表示Z_LOAD的共轭复数。如图4所示，通常感性天线的等效阻抗不满足上述条件，因此需要匹配网络。

图4 阻抗匹配

匹配网络

匹配网络由串联电容（C₂和C₇）和并联电容（C₄和C₅）组成，通过连续阻抗变换简化天线的等效电路，从而轻松地计算出C₂、C₄、C₅、C₇的电容值。

R_RX：用于RX1和RX2限压的反馈电阻

R_PA：天线等效并联电阻

L_PA：天线等效并联电感

C_INPUT：RX1和RX2之间的集成电容为22pF

图5 天线电路（并联接收回路）

天线电路简化

C₂和C₇等效为串联电容C₁₁=C₂/2=C₇/2，C₄和C₅等效为并联电容C₂₂=（C₄+C₅），C_INPUT和R_RX可以变换为并联等效电路，简化后的电路如图6所示。

图6 天线电路简化

结合所有的并联电阻和电容获得最终等效电路，如图7所示。

图7 天线最终等效电路

R_RXP：R_RX等效并联电阻

R_EQ：R_RX和R_PA等效并联电阻

C_INPUT-P：C_INPUT等效并联电容

C₁₁：C₂和C₇等效串联电容

C₂₂：C₄和C₅等效串联电容

通过最终等效电路计算C₁₁和C₂₂组成的匹配网络，应满足条件Z_OUT=Z_EQ*，其中Z_EQ*表示Z_EQ的共轭复数，完整计算公式为：

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