nfcタグアンテナデザインガイド - panasonic...title...

Panasonic

NFCタグアンテナデザインガイド

0


Version 1.20

Panasonic


1

注意事項

「FeliCa」は、ソニー株式会社の登録商標です。

「Nexus S｣、「Nexus｣は、Google Inc.の商標または登録商標です。「Galaxy」は、Samsung Electronics Co., Ltd..登録商標です。｢ELUGA｣は、当社の商標または登録商標です。

Panasonic


2

1. はじめに ................................................................................................................................... 3 1.1 本資料の目的 ................................................................................................................. 3 2. アンテナ設計について ....................................................................................................... 4 2.1 アンテナ設計のフロー ................................................................................................. 4 2.2 アンテナサイズの決定【STEP1】 ............................................................................ 5 2.3 アンテナ仕様の決定【STEP2】 ................................................................................ 5 2.3.1 通信距離の測定結果 ...................................................................................... 6 2.4 アンテナ基板の作製【STEP3】 .............................................................................. 10 2.4.1 アンテナ基板の参考例 .................................................................................. 11 2.5 共振容量の決定【STEP4】 ..................................................................................... 12 2.5.1 アンテナ等価回路のパラメータ測定【STEP4-1】 ............................... 13 2.5.2 共振容量の算出【STEP4-2】 ..................................................................... 14 2.5.2.1 共振容量の算出例 ........................................................................... 15 2.5.3 適正な共振容量の決定【STEP4-3】 ....................................................... 16

2.6 NFCタグの動作確認【STEP5】 .............................................................................. 17 2.6.1 通信距離の測定 ............................................................................................... 17 2.6.2 アンテナ端子電圧の確認 ............................................................................. 18 3. 参考 ......................................................................................................................................... 19 3.1 ISO/IEC 14443のアンテナクラス ........................................................................... 19 3.2 NFCフォーラムのアンテナイメージ ....................................................................... 20 3.3 アンテナ端子電圧の測定方法 ............................................................................... 21 4. 変更履歴 ............................................................................................................................... 22

目次

Panasonic


3

1.1 本資料の目的

1. はじめに

NFC TAG

Host

RF IF

Control Logic

Non-Volatile Memory

Serial IF

R/W

Tag Antenna

本資料は、弊社NFCタグLSI に接続するアンテナの設計方法を提供することを目的としています。図1に、NFC (Near Field Communication) タグを使用したシステムの概略を示します。

NFC TAG LSI

Carrier Frequency : 13.56MHz

図1 NFCタグ通信システムの概略図

R/W Antenna

R/W : リーダライタ (スマートフォン等) Host : ホスト RF IF : RFインターフェース Control Logic : 制御ロジック Non-Volatile Memory : 不揮発性メモリ Serial IF : シリアルインターフェース Communication Distance : 通信距離

Communication Distance

Panasonic


4

2. アンテナ設計について 2.1 アンテナ設計のフロー

タグアンテナは、以下のフローで設計可能です。

【STEP1】アンテナサイズの決定 NFCタグを搭載するセット仕様により、許容されるアンテナサイズを決めてください。

【STEP2】アンテナ仕様の決定表1の測定結果を参考にして、アンテナ仕様 (巻数 , 線幅 , 線間) を決めてください。

【STEP3】アンテナ基板の作製【STEP1 , 2】で決めた仕様のアンテナ基板を作製してください。

【STEP4】共振容量の決定アンテナ基板に実装する共振容量の値を決めてください。

【STEP5】 NFCタグの動作確認アンテナ基板にNFCタグLSIを実装して、以下の項目の測定を行い、正常に動作することを確認してください。 (1) 通信距離 (2) アンテナ端子電圧

Panasonic


5

2.2 アンテナサイズの決定【STEP1】 NFCタグを搭載するセット仕様により、許容されるアンテナサイズを決定してください。弊社NFCタグLSIを使用した通信距離の測定結果 (表1) を参考にしてください。

2.3 アンテナ仕様の決定【STEP2】図2のアンテナ外形図に、本資料で扱うアンテナ仕様のパラメータを定義します。弊社NFCタグLSIを使用した通信距離の測定結果 (表1) を参考にして、アンテナ仕様 (巻数 , 線幅 , 線間) を決定してください。

図2 アンテナ外形図

巻数

サイズ x

サイズ y

線幅線間

Panasonic


6

アンテナ形状アンテナインダクタンス [µH]

共振容量

[pF]

通信距離 [mm]

サイズ [mm2]

線幅 [mm]

線間 [mm]

巻数 [turn]

外部電源なし外部電源あり

ＦｅｌｉＣａ Type B ＦｅｌｉＣａ Type B

72×42

0.5

0.5

1 0.242 551 52 42 60 55

2 0.734 164 55 47 62 60

3 1.442 77 52 48 59 60

4 2.259 42 49 45 56 59

5 3.171 24 47 43 53 58

2.3.1 通信距離の測定結果表1に、スマートフォンと弊社で試作したNFCタグの通信距離測定結果を示します。

表1-1 スマートフォン「Nexus S」との通信距離の測定結果

(注1) スマートフォンは、Nexus S (Samsung製) を使用しています。

(注2) 共振周波数は、いずれも 13.56MHzに調整しています。

(注3) 本データは弊社試作NFCタグの測定結果であり、お客様で作製される

NFCタグの通信距離を保証するものではありません。

Panasonic


7


共振容量

[pF]

通信距離 [mm]

サイズ [mm2]

線幅 [mm]

線間 [mm]

巻数 [turn]



40×30

0.1

0.1

1 0.182 742 28 26 36 36

2 0.603 211 38 34 46 44

4 1.992 54 40 36 47 48

0.3 2 0.560 229 39 35 47 45

4 1.726 63 41 37 48 49

0.3

0.1 2 0.497 260 46 39 53 50

4 1.721 63 41 37 48 50

0.3

1 0.153 882 38 33 45 43

2 0.470 275 47 39 54 50

3 0.908 134 46 41 53 52

4 1.430 78 45 40 51 52

5 2.031 50 43 39 50 51

0.5 0.5

1 0.138 979 42 36 49 46

2 0.405 321 49 41 56 52

3 0.753 164 49 42 55 53

4 1.149 101 47 42 54 53

5 1.582 72 44 41 48 50






Panasonic


8


共振容量

[pF]

通信距離 [mm]

サイズ [mm2]

線幅 [mm]

線間 [mm]

巻数 [turn]



25×20 0.3 0.3

1 0.093 1463 18 17 25 25

2 0.268 496 38 32 44 41

4 0.777 161 39 34 45 44

5 1.073 112 38 34 43 43



共振容量

[pF]

通信距離 [mm]

サイズ [mm2]

線幅 [mm]

線間 [mm]

巻数 [turn]



12×10 0.1 0.1

8 1.251 95 23 20 28 28

12 2.084 51 22 19 26 28

16 2.787 34 20 18 24 26










Panasonic


9


共振容量

[pF]

通信距離 [mm]

サイズ [mm2]

線幅 [mm]

線間 [mm]

巻数 [turn]



72×42 0.5 0.5 2 0.734 164 55 47 61 60

40×30 0.5 0.5 2 0.405 321 48 40 53 51

25×20 0.3 0.3 4 0.777 161 37 32 42 42

12×10 0.1 0.1 8 1.251 95 20 17 24 25

表1-5 スマートフォン「Galaxy Nexus」との通信距離の測定結果


共振容量

[pF]

通信距離 [mm]

サイズ [mm2]

線幅 [mm]

線間 [mm]

巻数 [turn]



72×42 0.5 0.5 2 0.734 164 40 34 45 41

40×30 0.5 0.5 2 0.405 321 38 31 42 35

25×20 0.3 0.3 4 0.777 161 28 24 31 29

12×10 0.1 0.1 8 1.251 95 17 16 19 20

表1-6 スマートフォン「ELUGA」との通信距離の測定結果

(注1) スマートフォンは、ELUGA (Panasonic製) を使用しています。




(注1) スマートフォンは、Galaxy Nexus (Samsung製) を使用しています。




Panasonic


10

2.4 アンテナ基板の作製【STEP3】図3の推奨回路図を参考にして、アンテナ基板を作製してください。

VA

VB

VDDA VDDEX

SDA

SCL

NIRQ

SDA

SCL

NIRQ

出力ポート

電源IC

HOST

2.2μ

C_vddex

MN63Y1213

VSS

アンテナ共振容量

Lcoil Cres

(注1) 共振容量の耐圧は50V以上のものをご使用ください。 (注2) 共振容量は容量値の調整のため、複数のコンデンサが実装可能なパターン設計を推奨します。

3.3k 3.3k 3.3k

図3 推奨回路図

R_vddex

1.7V≦VDDEX≦2.5V のとき C_vddex = 0.1μF～2.2μF, R_vddex = 0Ω 2.5V＜VDDEX≦3.6V のとき C_vddex = 2.2μF, R_vddex = 200Ω

Panasonic


11

ガラスエポキシ基板 (FR-4) , 両面パターン基板厚 : 1.0mm パターン厚 : 60µm (銅配線)

図4に、アンテナ基板の参考例を示します。

2.4.1 アンテナ基板の参考例

図4 アンテナ基板の参考例

5

5

5

4

1

30

φ1.0

0.5

0.5

ANT面

4 3

LSI 実装面

0.5 0.5

40

Panasonic


12

2.5 共振容量の決定【STEP4】共振容量の値を、以下のフローで決定してください。

【STEP4-1】アンテナ等価回路のパラメータ測定インピーダンスアナライザ等を用いてアンテナ等価回路のパラメータを測定してください。

【STEP4-2】共振容量の算出【STEP4-1】で測定したパラメータを用い、共振周波数が 13.56MHzになるように、共振容量の値を計算してください。

【STEP4-3】適正な共振容量の決定【STEP4-2】で算出した容量値のコンデンサとNFCタグLSIをアンテナ基板に実装し、共振周波数を測定してください。共振周波数の測定値が 13.56MHzとなるように、共振容量の値を調整してください。

Panasonic


13

2.5.1 アンテナ等価回路のパラメータ測定【STEP4-1】

タグアンテナ

Impedance Analyzer (HP4194A)

<測定例> HP4194Aの場合 ① インピーダンスアナライザのSTART周波数を13MHz、STOP周波数を 14MHz に設定する。 ② |Z| -θモードでsingle測定する。 ③ MoreMenu > Equivalent Circuit ボタンを押し、上図と同じ等価回路を選択する。 ④ Calculate ボタンを押すと、Lcoil , Rcoil , Ccoilが求まる。 ⑤ Ccoilが小さくて、この方法で正しく測定できない場合は、Ccoil = 0 pFとして、 Ls-Rsモードで測定する。

Lcoil

Rcoil

Ccoil

アンテナ等価回路

図5に、アンテナ等価回路のパラメータ測定方法を示します。ここで測定するパラメータは、 Lcoil , Rcoil , Ccoilです。

アンテナ等価回路のパラメータは、電磁界シミュレータを活用して、計算することもできます。

図5 アンテナ等価回路のパラメータ測定方法

Panasonic


14

共振容量

2.5.2 共振容量の算出【STEP4-2】

NFCタグLSI

タグアンテナ

Lcoil RL Cres

Ccoil

Rcoil

Lcoil : アンテナインダクタンス Rcoil : アンテナ抵抗 Ccoil : アンテナ寄生容量 Cres : 共振容量 Cin : LSI入力容量 RL : LSI等価抵抗

Cin

図6に示すNFCタグの等価回路から導いた算出式 (式 (1) ) を参考にして、共振容量を算出してください。

図6の等価回路では、共振周波数 (fr) は式 (1) で表されます。

… 式 (1)

図6 NFCタグの等価回路

)CCC(L21f

inrescoilcoil

r

++=

・・π・

Panasonic


15

2.5.2.1 共振容量の算出例式 (1) にアンテナ等価回路の各パラメータの値を代入して、共振容量 (Cres) を算出してください。尚、入力容量 (Cin) は、製品規格の項目を参照に設定してください。本例 (MN63Y1213) は、製品規格の項目C9より、 Cin = 15.5pF です。また、アンテナ等価回路のパラメータを Lcoil = 1µH、 Ccoil = 2pF、共振周波数を fr = 13.56MHzとした場合、となり、共振容量 Cres = 120pFが算出されます。

)pF5.17CpF2(H121MHz56.13

res++µ=

・・π・

Panasonic


16

2.5.3 適正な共振容量の決定【STEP4-3】

Impedance Analyzer

f

R (レジスタンス) X (リアクタンス)

共振周波数 (fr)

R、X

Rmax

図7に、共振周波数の測定方法を示します。【STEP4-2】で算出した共振容量とNFCタグLSIをアンテナ基板に実装した状態で共振周波数を測定して、適正な共振容量を決定してください。測定の結果、共振周波数が13.56MHzからずれていた場合は、共振容量を調整してください。 13.56MHzよりも測定した共振周波数が高い場合は、共振容量の値を大きくし、低い場合は小さくすることで調整が可能です。

センスコイル (72mm×42mm , 1turn)

NFCタグLSI

タグアンテナ共振容量

<測定例> ① キャリブレーションを行う。Openモードはセンスコイルをつなげないで行い、 Shortモードはセンスコイルをつなげて行う。 ② NFCタグLSIの電源 (VDDEX) 、GND (VSS) は、電圧印加しない。 ③ インピーダンスアナライザのSTART周波数を10MHz、STOP周波数を 15MHzに設定する。 ④ R-Xモードに設定して測定する。 ⑤ R (レジスタンス) が最大となる時の周波数が、共振周波数 (fr) となる。

図7 共振周波数の測定方法

NFCタグ

Panasonic


17

2.6 NFCタグの動作確認【STEP5】アンテナ基板にNFCタグLSIを実装して、以下の項目の測定を行い、正常に動作することを確認してください。 (1) 通信距離 (2) アンテナ端子電圧

2.6.1 通信距離の測定

<測定例> ① NFCタグをスマートフォンに近づけて行く。 ② スマートフォンでNFC通信が成功した時の距離を測定する。

図8の通信距離の測定方法を参考にして、スマートフォンとの通信距離の測定を行ってください。お客様の仕様と比較して、満足するかを確認してください。

SmartPhone

Communication Distance

NFC TAG NFC TAG LSI

Antenna Resonant Capacitor

図8 通信距離の測定方法

Panasonic


18

2.6.2 アンテナ端子電圧の確認

アンテナ形状 Hmax

[A/m]

VB-VSS間電圧

[Vpp] サイズ [mm2]

線幅[mm]

線間 [mm]

巻数 [turn]

72×42

0.5

0.5

1 7.5 21.8

2 7.5 17.1

3 7.5 14.6

40×30

0.5

0.5

1 8.5 18.5

2 8.5 15.3

3 8.5 13.4

25×20

0.3

0.3

2 (8.5) 11.8

4 (8.5) 10.4

5 (8.5) 10.2

12×10

0.1

0.1

8 (8.5) 6.9

12 (8.5) 6.7

16 (8.5) 6.5

表2に、弊社で試作したNFCタグのアンテナ端子電圧の測定結果を示します。表2を参考にして、製品規格を満たしていることを確認してください。確認の項目は、D10(VB-VSS間電圧は21Vpp以下)です。

図9 VA、VB端子の電圧波形

(注1) 本データは弊社試作NFCタグの測定結果

であり、お客様で作製されるNFCタグのア

ンテナ端子電圧を保証するものではありま

せん。

(注2) アンテナサイズが大きい場合、アンテナ端

子電圧が製品規格 (D10) を越えないように

ご注意ください。

(注3）25×20、12×10サイズの最大磁界強度は、

測定装置の制約で8.5A/mとしています。

表2 アンテナ端子電圧の測定結果

V RFH

VSS V B L L V B L H

VB

V A

RF High RF Low RF High

Panasonic


19

3. 参考 3.1 ISO/IEC 14443のアンテナクラス

形状区分及びその外形寸法[mm] 形状動作磁界強度

[A/m] クラス横[mm] 縦[mm]

Class1 64-81 34-49 1.5～7.5

Class2 51-81 13-27 1.5～8.5

Class3

35-50 24-40 1.5～8.5

Class4

35-50 13-27 2.0～12

Class5

25-40.5 10-24.5 2.5～14

Class6

25> 20> 4.5～18

アンテナコイル実装が禁止されているエリア

表3に、ISO/IEC 14443-1, 2 で規定されているアンテナクラスを示します。アンテナクラスに応じて動作磁界強度が決まっています。

表3 ISO/IEC 14443のアンテナクラス

Panasonic


20

NFC FORUM -NFC Analogue Specification- 2/15/2011

横 [mm]

縦 [mm]

巻数 [turn]

線幅 [mm]

間隔 [mm]

LISTENER-1 72.1 42 4 0.5 0.5

LISTENER-3 46.3 32.3 5 0.3 0.3

LISTENER-6 25 20 5 0.3 0.3

3.2 NFCフォーラムのアンテナイメージ

LISTENER-1 LISTENER-3

LISTENER-6

図10に、2011/2/15のNFCフォーラムで報告されたアンテナ形状のイメージを示します。

図10 NFCフォーラムのアンテナイメージ

71.6mm

41.5

mm

R=2.0mm R=3.0mm

R=5.0mm R=4.0mm

TRACK WIDTH = 0.5mm

42.8mm

27.0

mm

150.0mm

54.0

mm

46.0mm

TRACK WIDTH = 0.3mm

32.0

mm

42.8mm

27.0

mm

R=2.0mm R=2.6mm

R=3.8mm R=3.2mm

R=4.4mm

150.0mm

54.0

mm

24.7mm

TRACK WIDTH = 0.3mm

19.7

mm

42.8mm

27.0

mm

R=1.0mm

150.0mm

54.0

mm

Panasonic


21

3.3 アンテナ端子電圧の測定方法図11のような測定環境を構築することで、アンテナ端子電圧を測定することができます。 NFCタグの試験方法の詳細は、ISO/IEC 10373-6を確認してください。

Signal Generator

等距離 (37.5mm）に設置

Oscillo Scope

ISO/IEC 14443-1, 2 のアンテナクラスの規定 (3.1) を参照して、アンテナクラスに応じた最大磁界強度 (Hmax) を確認します。 R/WによってはHmaxを越える磁界を発生することがあり、その場合はその値をHmaxとします。

アンテナコイル

磁界校正用コイル (72mm×42mm , 1turn)

整合回路

図11 アンテナ端子電圧の測定環境概念図

<測定例> ① プローブを測定するノードに接続した状態で、共振周波数が13.56MHzになるように共振容量を調整する。 ② アンテナ中心が合うように、NFCタグを設置する。 ③ 最大磁界強度 (Hmax) が発生するように信号発生器の出力レベルを変え、 VB-VSS間電圧をオシロスコープで測定する。

NFCタグ

Panasonic


22

項番日付版変更内容

1 2012.10.30 Version 1.00 新規作成

2 2012.11.30 Version 1.10 注意事項追加通信距離測定データ追加アンテナ端子電圧測定データ修正

3 2016.5.31 Version 1.20 例をMN63Y1213に変更

4. 変更履歴

本書に記載の技術情報および半導体のご使用にあたってのお願いと注意事項

(1) 本書に記載の製品および技術情報を輸出または非居住者に提供する場合は、当該国における法令、特に安全保障輸出管理に関する法令を遵守してください。

(2) 本書に記載の技術情報は、製品の代表特性および応用回路例などを示したものであり、それをもってパナ

ソニック株式会社または他社の知的財産権もしくはその他の権利の許諾を意味するものではありません。したがって、上記技術情報のご使用に起因して第三者所有の権利にかかわる問題が発生した場合、当社はその責任を負うものではありません。

(3) 本書に記載の製品は、一般用途(事務機器、通信機器、計測機器、家電製品など)、もしくは、本書に個別に記載されている用途に使用されることを意図しております。特別な品質、信頼性が要求され、その故障や誤動作が直接人命を脅かしたり、人体に危害を及ぼす恐れの

ある用途－特定用途(車載機器、航空・宇宙用、輸送機器、交通信号機器、燃焼機器、医療機器、安全装置など)でのご使用を想定される場合は事前に当社営業窓口までご相談の上、使用条件等に関して別途、文

書での取り交わしをお願いします。文書での取り交わしなく使用されたことにより発生した損害などについては、当社は一切の責任を負いません。

(4) 本書に記載の製品および製品仕様は、改良などのために予告なく変更する場合がありますのでご了承くだ

さい。したがって、終的な設計、ご購入、ご使用に際しましては、事前に新の製品規格書または仕様書をお求め願い、ご確認ください。

(5) 設計に際しては、絶対大定格、動作保証条件(動作電源電圧、動作環境等)の範囲内でご使用いただきま

すようお願いいたします。特に絶対大定格に対しては、電源投入および遮断時、各種モード切替時などの過渡状態においても、超えることのないように十分なご検討をお願いいたします。保証値を超えてご使用された場合、その後に発生した機器の故障、欠陥については当社として責任を負いません。また、保証値内のご使用であっても、半導体製品について通常予測される故障発生率、故障モードをご考

慮の上、当社製品の動作が原因でご使用機器が人身事故、火災事故、社会的な損害などを生じさせない冗長設計、延焼対策設計、誤動作防止設計などのシステム上の対策を講じていただきますようお願いいたします。

(6) 製品取扱い時、実装時およびお客様の工程内における外的要因（ESD、EOS、熱的ストレス、機械的スト

レス）による故障や特性変動を防止するために、使用上の注意事項の記載内容を守ってご使用ください。分解後や実装基板から取外し後に再実装された製品に対する品質保証は致しません。また、防湿包装を必要とする製品は、保存期間、開封後の放置時間など、個々の仕様書取り交わしの折に

取り決めた条件を守ってご使用ください。

(7) 本書に記載の製品を他社へ許可なく転売され、万が一転売先から何らかの請求を受けた場合、お客様においてその対応をご負担いただきますことをご了承ください。

(8) 本書の一部または全部を当社の文書による承諾なしに、転載または複製することを堅くお断りいたします。

No.010618

nfcタグアンテナデザインガイド - panasonic...title...

Documents