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摘 要：NFC即近距离无线通信，随着无线电通信技术的快速发展，手机产品中也逐渐普及了NFC功能。NFC天线作为NFC传输技术中的重要硬件，其性能影响着NFC设备的识别和传输，生产厂家会测试NFC天线的谐振频率以保证其性能。文章首先描述了日本爱德万NFC天线测试系统的构成，在此基础上调研出一种基于Ceyear 3656矢量网络分析仪的改良替代方案。
关键词：NFC;天线谐振频率;测试系统
中图分类号：TN9;TN8 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）05-039-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.019
NFC（Near Field Communication），即近距离无线通信，是一种短距高频的无线电技术，结合RFID技术，通过无线频谱的电磁感应耦合方式进行信息传递，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。NFC在手机中得到了十分广泛的应用，最常见的是手机移动支付，使手机具有银行卡、交通卡、电子票证等功能。
1 NFC工作原理
NFC技术主要基于中心频率为13.56MHz的射频信号，在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。传输距离在20cm左右。传输速率最高可达1Mbit/s。NFC通信的双方一般被称为发起设备和目标设备，两者之间以交流磁场方式相互耦合，进行信号传输。天线是NFC传输技术的重要硬件，在数据收发过程中起辐射、接收信号的关键作用。NFC天线制造商通常会被要求测试天线产品的谐振频率，以保证装机使用的NFC设备能正常接收中心频率为13.56MHz的数字调制信号。
2 测试方法的工作原理
2.1 矢量网络分析仪
矢量网络分析仪是一种通过自收自发信号进行射频电路网络分析的仪器。其基于黑盒测试的思路，仪器本身产生一个正弦测试信号输入被测器件（Device Under Test，DUT）作为激励，通过分析激励信号经过DUT所产生的波量变化来表征其网络特性。
2.2 波量与S参数
所谓的波量通常用来描述射频电路，其可以分为入射波a和反射波b。入射波从分析仪传向DUT;而反射波的传输方向与入射波相反，其从DUT传向分析仪[1]。
如图1所示，当在被测件的端口1施加入射信号，或者说源在端口1输出，若端口2处于理想匹配状态，即端口2无驻波，根据S参数与入射信号和反射信号的关系等式，S11为反射信号与入射信号的比值，即b1/a1，S21等于传输信号与入射信号的比值，即b2/a1。
同理，当源在端口2输出，端口1理想匹配，可完成S12和S22的测量，不再赘述。
2.3 测试系统原理
测试系统搭建如图2所示，从矢量网络分析仪的端口施加一个中心频率为13.56MHz、频率跨度2.5MHz的扫频信号。信号输入到环形天线，经环形天线向周围空间辐射。若没有与之匹配的被测天线靠近，则大部分信号会从环形天线端口反射回矢网端口。此时，S11呈现为一个较高的值。若将被测天线靠近环形天线，则谐振频率点附近的信号会被吸收，b1的功率因此减小。此时，S11会在谐振频率点附近呈现一个波谷。用光标搜索到幅度最小值，该点的频率即为被测天线的谐振频率。
3 一种使用R3755A进行测试的方法
笔者在工作中遇到了某代工厂的测试需求，其需求方是日本某手机公司，要求该工厂为其加工NFC天线，并测试其谐振频率。需求方给出了日本国内的测试方法供代工厂参考，核心测试仪器是爱德万R3755A。测试连接图如图3所示。
这个测试的基本原理是从R3755A的Output端口输出扫频信号，经过耦合器直通到环形天线。反射信号经过耦合器的“Coupled RF”端口进入R3755A的Input端口。R3755A对比分析输出信号和输入信号的功率差，在功率损失的最高频率点，就是该被测天线的谐振频率。
以上测试方案在日本国内应用广泛。优点是价格便宜;缺点是该方案已经老旧过时，测试中要额外加入一个耦合器才能帮助R3755A接收到反射信号，这样会引入额外的不稳定变量，所以代工厂急需找到替代方案。
4 国产仪表替代方案
4.1 仪表简介
Ceyear 3656A矢量网络分析仪是新一代经济型产品，能够快速、准确地测量被测件S参数的幅度、相位和群延迟，具备高效、强大的误差修正能力。并且有丰富的通信接口，方便用户搭建测试系统。广泛应用于元器件、雷达、通信、广电等军工、民用领域。
Ceyear 3656A整机主要包括100kHz～3GHz信号源、7.5MHz～3GHz本振源、S参数测试模块、本振功分混频模块、数字信号处理与嵌入式计算机模块和液晶显示模块。S参数测试装置模块用于产生参考信号，分离被测件的反射信号和传输信号。在数字信号处理与嵌入式计算机模块中，将模拟信号变成数字信号，通过计算得到被测件的幅相信息，最后显示。
4.2 具体方案
Ceyear 3656A本身内置了信号分离模块，无需外接耦合器辅助就能进行反射参数测试。经改良后测试连接图如图4所示。
实物连接如图5所示。
操作步骤如下。
4.2.1 设置测试参数
复位仪器：
“轨迹”新建轨迹S11;
“中心”13.56MHz，“跨度”2.5MHz;
“扫描设置”“功率”，设为0dBm;
“扫描设置”“扫描”“扫描点数”设为1001;
“响应”“中频带宽”设为10kHz。
4.2.2 校准
“校准”“校准类型”，选择单端口（反射）;
“选择校准件”从列表中选择校准件;
依次在端口一连接开路器、短路器、负载，并在连接好后点击对应的“开路”“短路”“负载”按钮。
完成校准（可以在保存按钮中保存这个校准状态并命名，方便以后调用）。
4.2.3 测试
在校准完端口后连接环形天线，将手机NFC功能打开，靠近环形天线进行测试，观测S11轨迹变化。
使用光标搜索曲线最小值，光标频率点即天线谐振频率。
如實测结果所示，该样品的谐振频率点为13.85MHz，符合设计要求。
4.3 自动化测试的实现
Ceyear 3656矢量网络分析仪提供了丰富的程控接口和开放的控制指令集，用户可以根据自己需求开发测试软件，进行自动化测试。支持的编程接口有GPIB、LAN，这些接口与I/O库和编程语言结合使用，可以远程控制矢量网络分析仪。
目前，基于Ceyear 3656的手机NFC天线谐振频率测试系统，已经在广东某电子代工厂内调试成功。并且，Ceyear 3656有两个端口，可以同时进行测试。系统集成实现了一拖二的测试，提高了测试效率。
5 结语
文章介绍了NFC通信技术的基本原理，NFC天线谐振频率是天线硬件的一项重要指标。在调研了日本爱德万公司的测试方法后，笔者提出了一种基于国产仪表Ceyear 3656的替代方案。该方案已经在工厂调试成功，准备全面替代老旧测试系统，可作为行业参考。
参考文献
[1] 郭寰.NFC技术与NFC手机测试方法[J].信息通信技术，2012（4）：58-62.
关键词：NFC;天线谐振频率;测试系统
中图分类号：TN9;TN8 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）05-039-02
DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.05.019
NFC（Near Field Communication），即近距离无线通信，是一种短距高频的无线电技术，结合RFID技术，通过无线频谱的电磁感应耦合方式进行信息传递，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。NFC在手机中得到了十分广泛的应用，最常见的是手机移动支付，使手机具有银行卡、交通卡、电子票证等功能。
1 NFC工作原理
NFC技术主要基于中心频率为13.56MHz的射频信号，在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。传输距离在20cm左右。传输速率最高可达1Mbit/s。NFC通信的双方一般被称为发起设备和目标设备，两者之间以交流磁场方式相互耦合，进行信号传输。天线是NFC传输技术的重要硬件，在数据收发过程中起辐射、接收信号的关键作用。NFC天线制造商通常会被要求测试天线产品的谐振频率，以保证装机使用的NFC设备能正常接收中心频率为13.56MHz的数字调制信号。
2 测试方法的工作原理
2.1 矢量网络分析仪
矢量网络分析仪是一种通过自收自发信号进行射频电路网络分析的仪器。其基于黑盒测试的思路，仪器本身产生一个正弦测试信号输入被测器件（Device Under Test，DUT）作为激励，通过分析激励信号经过DUT所产生的波量变化来表征其网络特性。
2.2 波量与S参数
所谓的波量通常用来描述射频电路，其可以分为入射波a和反射波b。入射波从分析仪传向DUT;而反射波的传输方向与入射波相反，其从DUT传向分析仪[1]。
如图1所示，当在被测件的端口1施加入射信号，或者说源在端口1输出，若端口2处于理想匹配状态，即端口2无驻波，根据S参数与入射信号和反射信号的关系等式，S11为反射信号与入射信号的比值，即b1/a1，S21等于传输信号与入射信号的比值，即b2/a1。
同理，当源在端口2输出，端口1理想匹配，可完成S12和S22的测量，不再赘述。
2.3 测试系统原理
测试系统搭建如图2所示，从矢量网络分析仪的端口施加一个中心频率为13.56MHz、频率跨度2.5MHz的扫频信号。信号输入到环形天线，经环形天线向周围空间辐射。若没有与之匹配的被测天线靠近，则大部分信号会从环形天线端口反射回矢网端口。此时，S11呈现为一个较高的值。若将被测天线靠近环形天线，则谐振频率点附近的信号会被吸收，b1的功率因此减小。此时，S11会在谐振频率点附近呈现一个波谷。用光标搜索到幅度最小值，该点的频率即为被测天线的谐振频率。
3 一种使用R3755A进行测试的方法
笔者在工作中遇到了某代工厂的测试需求，其需求方是日本某手机公司，要求该工厂为其加工NFC天线，并测试其谐振频率。需求方给出了日本国内的测试方法供代工厂参考，核心测试仪器是爱德万R3755A。测试连接图如图3所示。
这个测试的基本原理是从R3755A的Output端口输出扫频信号，经过耦合器直通到环形天线。反射信号经过耦合器的“Coupled RF”端口进入R3755A的Input端口。R3755A对比分析输出信号和输入信号的功率差，在功率损失的最高频率点，就是该被测天线的谐振频率。
以上测试方案在日本国内应用广泛。优点是价格便宜;缺点是该方案已经老旧过时，测试中要额外加入一个耦合器才能帮助R3755A接收到反射信号，这样会引入额外的不稳定变量，所以代工厂急需找到替代方案。
4 国产仪表替代方案
4.1 仪表简介
Ceyear 3656A矢量网络分析仪是新一代经济型产品，能够快速、准确地测量被测件S参数的幅度、相位和群延迟，具备高效、强大的误差修正能力。并且有丰富的通信接口，方便用户搭建测试系统。广泛应用于元器件、雷达、通信、广电等军工、民用领域。
Ceyear 3656A整机主要包括100kHz～3GHz信号源、7.5MHz～3GHz本振源、S参数测试模块、本振功分混频模块、数字信号处理与嵌入式计算机模块和液晶显示模块。S参数测试装置模块用于产生参考信号，分离被测件的反射信号和传输信号。在数字信号处理与嵌入式计算机模块中，将模拟信号变成数字信号，通过计算得到被测件的幅相信息，最后显示。
4.2 具体方案
Ceyear 3656A本身内置了信号分离模块，无需外接耦合器辅助就能进行反射参数测试。经改良后测试连接图如图4所示。
实物连接如图5所示。
操作步骤如下。
4.2.1 设置测试参数
复位仪器：
“轨迹”新建轨迹S11;
“中心”13.56MHz，“跨度”2.5MHz;
“扫描设置”“功率”，设为0dBm;
“扫描设置”“扫描”“扫描点数”设为1001;
“响应”“中频带宽”设为10kHz。
4.2.2 校准
“校准”“校准类型”，选择单端口（反射）;
“选择校准件”从列表中选择校准件;
依次在端口一连接开路器、短路器、负载，并在连接好后点击对应的“开路”“短路”“负载”按钮。
完成校准（可以在保存按钮中保存这个校准状态并命名，方便以后调用）。
4.2.3 测试
在校准完端口后连接环形天线，将手机NFC功能打开，靠近环形天线进行测试，观测S11轨迹变化。
使用光标搜索曲线最小值，光标频率点即天线谐振频率。
如實测结果所示，该样品的谐振频率点为13.85MHz，符合设计要求。
4.3 自动化测试的实现
Ceyear 3656矢量网络分析仪提供了丰富的程控接口和开放的控制指令集，用户可以根据自己需求开发测试软件，进行自动化测试。支持的编程接口有GPIB、LAN，这些接口与I/O库和编程语言结合使用，可以远程控制矢量网络分析仪。
目前，基于Ceyear 3656的手机NFC天线谐振频率测试系统，已经在广东某电子代工厂内调试成功。并且，Ceyear 3656有两个端口，可以同时进行测试。系统集成实现了一拖二的测试，提高了测试效率。
5 结语
文章介绍了NFC通信技术的基本原理，NFC天线谐振频率是天线硬件的一项重要指标。在调研了日本爱德万公司的测试方法后，笔者提出了一种基于国产仪表Ceyear 3656的替代方案。该方案已经在工厂调试成功，准备全面替代老旧测试系统，可作为行业参考。
参考文献
[1] 郭寰.NFC技术与NFC手机测试方法[J].信息通信技术，2012（4）：58-62.