Разработка электрически-малой печатной рамочной антенны для технологии NFC

Аннотация

В статье представлены результаты исследования и разработки электрически-малой печатной рамочной антенны и согласующей цепи для нее. Согласующая цепь состоит из конвертора отрицательного импеданса и симметрирующего трансформатора. Показано, что использование конвертора отрицательного импеданса для согласования электрически-малой печатной рамочной антенны позволяет значительно увеличить полосу согласования.

Ключевые слова: конвертор отрицательного импеданса, печатная рамочная антенна, технология NFC

Введение

Одной из наиболее перспективных беспроводных технологий передачи данных, на ряду с технологиями Wi-Fi и Bluetooth, является технология NFC. Основными преимуществами которой перед другими являются малый радиус действия, что уменьшает возможность перехвата данных, малое энергопотребление NFC модуля и полностью автоматический процесс сопряжения соединяемых устройств. Однако ширина полосы пропускания типичного NFC модуля составляет около 0,1%, но может быть расширена до 10-13% в зависимости от метода кодирования. Тем не менее этого недостаточно для передачи объемных мультимедиа файлов.

Расчет антенны

Перспективным решением задачи широкополосного согласования рамочной антенны, используемой в NFC модуле, является использование конвертора отрицательного импеданса (КОИ) или нефостеровского элемента, реализующего отрицательную индуктивность или емкость. КОИ могут быть реализованы на основе биполярных или полевых транзисторов и операционных усилителей [1-3].

В работе представлены результаты разработки согласующей цепи, состоящей из КОИ и симметрирующего трансформатора для широкополосного согласования электрически малой печатной рамочной антенны на частотах ниже частоты резонанса. Рамочная антенна выполнена со сторонами a=100 мм и шириной w=5мм (Рисунок 1-а), на диэлектрической подложке Arlon AD 255 (εr = 2.55, tan(δ) = 0.0015), толщиной h=1.016 мм с металлизацией толщиной 18 мкм. Частота последовательного резонанса антенны составляет 870 МГц. Таким образом, на частоте 13.56 МГц периметр кольца составляет λg/64, где λ длина волны в диэлектрике. На частотах менее 100 МГц частотная зависимость входного импеданса антенны может быть представлена эквивалентной схемой, состоящей из резистора R = 0.38 Ом и индуктивности L = 18 nH (Рисунок 1-б).

а)

б)

Рисунок 1 — Печатная рамочная антенна (a) и ее зависимость входного импеданса от частоты (б). Сплошными линиями показаны результаты ЭМ моделирования. Пунктирные линии соответствуют эквивалентной схеме антенны

Для компенсации мнимой составляющей входного импеданса рамочной антенны использовалась отрицательная индуктивность, эквивалентная —15 нГн. Таким образом, реактивность рамочной антенны скомпенсирована не полностью, что заведомо несколько ухудшает согласование, но позволяет обеспечить устойчивый режим работы активной цепи, реализующих отрицательную индуктивность.

С целью преобразования вещественной составляющей входного импеданса рамочной антенны к сопротивлению генератора 50 Ом необходимо использовать симметрирующий трансформатор, который так же нужен для подключения балансного входа рамочной антенны к небалансному выходу генератора. Кроме того, с целью минимизации площади подложки, занимаемой СЦ, трансформатор должен быть выполнен в виде схемы на элементах с сосредоточенными параметрами.

Расчет согласующей цепи

Идеальная нефостеровская СЦ (Рисунок 2-а) для рамочной антенны (Lt = 100 нГн, Ct = 100 пФ) обеспечивает согласование по уровню —6 дБ в относительной полосе, равной 29% (Рисунок 2-б). В то же время при использовании традиционной СЦ полоса согласования не превышает 1%.

а)

б)

Рисунок 2 — Нефостеровская СЦ для рамочной антенны: эквивалентная схема (а); коэффициент отражения на входе СЦ при подключении к антенне для нефостеровской СЦ с отрицательной индуктивностью (сплошная линия) и для традиционной СЦ на основе положительной емкости (штрих-пунктир) (б)

Полоса согласования ограничена, прежде всего, рабочей полосой частот симметрирующего трансформатора и может быть расширена путем применения более сложной схемы трансформатора на основе большего числа элементов.

Для практической реализации нефостеровского элемента использовался КОИ на биполярных транзисторах рисунке 3. Реактивность Xk, которая составляет 15 нГн преобразуется ко входу КОИ в эквивалентную, равную по абсолютной величине, но противоположную по знаку.

Рисунок 3 — Схема КОИ на биполярных транзисторах

В КОИ применены транзисторы BFQ67 производства NXP Semiconductors. Режим работы транзисторов задается резисторами R1 и R2.

Моделирование характеристик КОИ и нефостеровской СЦ на его основе выполнялось в программном пакете NI AWR Design Environment. Результаты моделирования коэффициента отражения на входе активной нефостеровской СЦ при подключении к рамочной антенне (Рисунок 4) показаны сплошной линией в сравнении с характеристиками СЦ на основе идеальных нефостеровских элементов показанных штриховой линией.

Рисунок 4 — Частотная зависимость коэффициента отражения на входе нефостеровской СЦ на биполярных транзисторах при подключении к рамочной антенне

Заключение

Выполнен теоретический расчет параметров антенны и согласующей цепи, ЭМ моделирование характеристик антенны без согласующей цепи. Установлено, что антенна имеет малую активную составляющую входного импеданса. Разработано схемотехническое решения для согласующей цепи с учетом результатов моделирования антенны состоящее из нефостеровской отрицательной индуктивности и симметрирующего трансформатора. Несмотря на некоторое сужение полосы согласования для СЦ на основе реальных нефостеровских элементов, преимущество использования нефостеровских СЦ для широкополосного согласования электрически-малой печатной рамочной антенны очевидно.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям.

Библиографический список

1. Aberle J. T., Loepsinger-Romak R. Antennas with Non-Foster Matching Networks. San Rafael, CA: Morgan & Claypool, 2007.
2. Linvill J. G. Transistor negative impedance converters// Proc. IRE. 1953. vol. 41, pp. 725-729.
3. Sussman-Fort S. E., Rudish R. M. Non-Foster impedance matching of electrically-small antennas // IEEE Trans. Antennas & Propag. 2009. vol. 57, no. 8. pp. 2230-2241.