面向汽车进入的NFC天线设计

为了使得用户更加便捷的开启车门，本文面向汽车进入系统，基于NFC技术和原理设计了一种置于门把手环境下的NFC天线。利用HFSS软件完成了NFC天线的模型设计，仿真分析了天线面积、走线宽度、走线间距和介质板厚度对天线等效电感值的影响，结果表明，较大的线圈面积、较小的走线宽度和走线间距可以有效地提高天线的等效电感值，而介质板的厚度对等效电感值影响较小，需根据仿真值进行选择。随后基于Smith原图工具完成了天线电路的阻抗匹配设计，将计算出的匹配参数值带回到模型中进行仿真，对匹配后天线的回波损耗、电压驻波比进行了评价。从结果得知本次所设计的NFC天线匹配程度高、反射损耗较小，具有良好的性能。

随着汽车“新四化”[1]的发展，汽车钥匙也在经历着翻天覆地的变化，从最初的摇把[2]机械结构到21 世纪初的无钥匙进入及启动(Passive Entry Passive Start, PEPS)系统[3] [4] [5]，再到如今以近场通讯(Near Field Communication, NFC)技术[6] [7]、低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy BLE)技术[8] [9]和超宽带(Ultra Wideband, WUB)技术[10] [11]为主流的数字钥匙技术。

数字钥匙技术以云端为桥梁，构建了用户手机或者智能钥匙设备与汽车终端的双向认证通道，实现了智能钥匙端与车载终端之间的通讯，让用户可以仅凭一部手机便可解锁汽车并不需要携带额外的车钥匙。

其中NFC 技术作为第一代数字钥匙技术存在着诸多优势。首先，NFC 技术的安全性通过硬件实现，10 cm 的工作距离也使得NFC 钥匙在使用时被窃听的风险得到降低。

其次， NFC 技术整体硬件框架简单， 开发成本较低， 并且射频芯片货源成熟且稳定。

最后NFC 技术的功耗极低，通过相关的软件设计和元器件选择可以实现低功耗检测卡片，即使在手机关机的情况下也能开启汽车门锁。

综上所述，本文面向汽车进入功能提出一种基于NFC 技术的汽车门把手天线设计，利用HFSS 软件对NFC 天线进行建模与仿真，并通过回波损耗、电压驻波比、方向性对天线性能进行综合评价。

2. 基于HFSS 的NFC 天线设计 2.1. NFC 系统工作原理 通常NFC 系统由读卡器设备与卡/标签设备共同组成，二者内部均置有NFC 天线且在13.56 MHz 频段下工作。

如图1 所示， 当NFC 系统开始工作时， 读卡器将通过天线不断地向外部发射电磁波无线信号， 如果带有NFC 天线的卡片或者标签靠近读卡器的工作距离时， 两者的线圈通过电磁耦合的形式产生足够的能量产生感应电流，激活卡/标签设备中的芯片并开始工作，读卡器识别到卡/标签设备后，通过电磁波发射带有信息的编码并读取来自卡/标签设备的回复，从而实现数据间的传输。

本次所设计的门把手天线属于读卡器天线，用户使用NFC 手机或者NFC 设备在门把手区域进行刷卡操作即可实现开锁功能。

2.2. NFC 天线设计要求 NFC 天线被要求在13.56 MHz 频率下工作，相较于传统天线而言工作距离较短，需要通过电磁耦合的方式传输电磁信号，因此可将NFC 天线视为一种耦合线圈。表征耦合线圈天线特性参数主要有：回波损耗、输入阻抗、增益、辐射方向图、频宽等。在设计天线时需要结合本门把手系统对天线的要求，在