NFCタグアンテナデザインガイド

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2 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 1

3 目次 1. はじめに 本資料の目的 アンテナ設計について アンテナ設計のフロー アンテナサイズの決定 STEP アンテナ仕様の決定 STEP 通信距離の測定結果 アンテナ基板の作製 STEP アンテナ基板の参考例 共振容量の決定 STEP アンテナ等価回路のパラメータ測定 STEP 共振容量の算出 STEP 共振容量の算出例 適正な共振容量の決定 STEP NFC タグの動作確認 STEP 通信距離の測定 アンテナ端子電圧の確認 参考 ISO/IEC のアンテナクラス NFC フォーラムのアンテナイメージ アンテナ端子電圧の測定方法 変更履歴

4 1. はじめに 1.1 本資料の目的 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 NFC TAG LSI Tag Antenna RF IF Control Logic Non-Volatile Memory Serial IF R/W Communication Distance R/W Antenna Host Carrier Frequency : 13.56MHz 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 図 1 NFC タグ通信システムの概略図 3

5 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 4

6 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 巻数 サイズ y 線幅線間 サイズ x 図 2 アンテナ外形図 5

7 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 アンテナ形状 アンテナ 通信距離 サイズ [mm 2 ] 線幅 線間 巻数 [turn] インダクタンス [µh] 共振容量 [pf] 外部電源なし外部電源あり FeliCa Type B FeliCa Type B ( 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 6

8 表 1-2 スマートフォン Nexus S との通信距離の測定結果 アンテナ形状 アンテナ 通信距離 サイズ [mm 2 ] 線幅 線間 巻数 [turn] インダクタンス [µh] 共振容量 [pf] 外部電源なし外部電源あり FeliCa Type B FeliCa Type B ( 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 7

9 表 1-3 スマートフォン Nexus S との通信距離の測定結果 アンテナ形状 アンテナ 通信距離 サイズ [mm 2 ] 線幅 線間 巻数 [turn] インダクタンス [µh] 共振容量 [pf] 外部電源なし外部電源あり FeliCa Type B FeliCa Type B ( 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 表 1-4 スマートフォン Nexus S との通信距離の測定結果 アンテナ形状 アンテナ 通信距離 サイズ [mm 2 ] 線幅 線間 巻数 [turn] インダクタンス [µh] 共振容量 [pf] 外部電源なし外部電源あり FeliCa Type B FeliCa Type B ( 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 8

10 表 1-5 スマートフォン Galaxy Nexus との通信距離の測定結果 アンテナ形状 アンテナ 通信距離 サイズ [mm 2 ] 線幅 線間 巻数 [turn] インダクタンス [µh] 共振容量 [pf] 外部電源なし外部電源あり FeliCa Type B FeliCa Type B ( 注 1) スマートフォンは Galaxy Nexus (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 表 1-6 スマートフォン ELUGA との通信距離の測定結果 アンテナ形状 アンテナ 通信距離 サイズ [mm 2 ] 線幅 線間 巻数 [turn] インダクタンス [µh] 共振容量 [pf] 外部電源なし外部電源あり FeliCa Type B FeliCa Type B ( 注 1) スマートフォンは ELUGA ( 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 9

11 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 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 C_vddex 電源 IC 出力ポート VDDA VDDEX MN63Y1213 R_vddex 3.3k 3.3k 3.3k HOST 2.2μ SDA SDA VA SCL SCL L coil C res NIRQ NIRQ アンテナ共振容量 VB VSS 図 3 推奨回路図 ( 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 10

12 2.4.1 アンテナ基板の参考例 図 4 に アンテナ基板の参考例を示します ANT 面 LSI 実装面 φ 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 アンテナ基板の参考例 11

13 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 12

14 2.5.1 アンテナ等価回路のパラメータ測定 STEP4-1 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 L coil, R coil, C coil です タグアンテナ Impedance Analyzer (HP4194A) R coil C coil L coil アンテナ等価回路 図 5 アンテナ等価回路のパラメータ測定方法 < 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 L coil, R coil, C coil が求まる 5 C coil が小さくて この方法で正しく測定できない場合は C coil = 0 pf として L s -R s モードで測定する 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 13

15 2.5.2 共振容量の算出 STEP4-2 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 共振容量 NFC タグ LSI タグアンテナ L coil : アンテナインダクタンス R coil : アンテナ抵抗 C coil : アンテナ寄生容量 C res : 共振容量 C in : LSI 入力容量 R L : LSI 等価抵抗 R coil L coil C coil C res C in R L 図 6 NFC タグの等価回路 図 6 の等価回路では 共振周波数 (f r ) は式 (1) で表されます f r = 2 π L coil 1 (C coil + C res + C in) 式 (1) 14

16 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 (C res ) を算出してください 尚 入力容量 (C in ) 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 C in = 15.5pF です また アンテナ等価回路のパラメータを L coil = 1µH C coil = 2pF 共振周波数を f r = 13.56MHz とした場合 13.56MHz = 2 π 1 1µ H (2pF + C res pF) となり 共振容量 C res = 120pF が算出されます 15

17 2.5.3 適正な共振容量の決定 STEP4-3 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 Impedance Analyzer R X X ( リアクタンス ) R ( レジスタンス ) R max タグアンテナ 共振容量 共振周波数 (f r ) f NFC タグ NFC タグ LSI センスコイル (72mm 42mm, 1turn) 図 7 共振周波数の測定方法 < 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 (f r ) となる 16

18 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 通信距離の測定 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 < 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 17

19 2.6.2 アンテナ端子電圧の確認 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 表 2 アンテナ端子電圧の測定結果 サイズ [mm 2 ] アンテナ形状 線幅 線間 巻数 [turn] H max [A/m] VB-VSS 間電圧 [Vpp] (8.5) (8.5) (8.5) (8.5) (8.5) (8.5) 6.5 V RFH VB V A V B L L V B L H VSS RF High RF Low RF High 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) 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 18

20 3. 参考 3.1 ISO/IEC のアンテナクラス 表 3 に ISO/IEC , 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 のアンテナクラス 形状区分及びその外形寸法 クラス横 縦 形状 アンテナコイル実装が禁止されているエリア 動作磁界強度 [A/m] Class ~7.5 Class ~8.5 Class ~8.5 Class ~12 Class ~14 Class6 25> 20> 4.5~18 19

21 3.2 NFC フォーラムのアンテナイメージ 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 NFC FORUM -NFC Analogue Specification- 2/15/2011 横 縦 巻数 [turn] 線幅 間隔 LISTENER LISTENER LISTENER LISTENER-1 LISTENER mm 46.0mm 42.8mm 42.8mm 54.0mm R=2.0mm R=5.0mm R=3.0mm R=4.0mm 27.0mm 41.5mm 54.0mm R=2.0mm R=2.6mm R=3.8mm R=3.2mm 27.0mm 32.0mm TRACK WIDTH = 0.5mm R=4.4mm TRACK WIDTH = 0.3mm 150.0mm 150.0mm LISTENER mm 42.8mm 54.0mm 27.0mm 19.7mm R=1.0mm TRACK WIDTH = 0.3mm 150.0mm 図 10 NFC フォーラムのアンテナイメージ 20

22 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 を確認してください アンテナコイル NFC タグ 等距離 (37.5mm) に設置 整合回路 Signal Generator Oscillo Scope 磁界校正用コイル (72mm 42mm, 1turn) 図 11 アンテナ端子電圧の測定環境概念図 ISO/IEC , 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 (H max ) を確認します R/W によっては H max 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 H max とします < 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 (H max ) 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 21

23 4. 変更履歴 項番日付版変更内容 Version 1.00 新規作成 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 Version 1.20 例を MN63Y1213 に変更 22

24 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 最終的な設計 ご購入 ご使用に際しましては 事前に最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 絶対最大定格 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 特に絶対最大定格に対しては 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