非接触式智能IC卡谐振频率测量研究

文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者：葛文启 申晔 林秋 田涛 祝鹏   人气： 发表时间：2011年09月02日

    近年来，大到金融、公共交通和社会保障，小到图书馆、校园和门禁等，智能卡的应用领域日益多元化，相关的智能卡设计、生产企业越来越多。由于智能卡被完全密封，对其整体电气参数L、C、R的测量造成了困难，而谐振频率作为能够反映智能卡天线端口部分电气参数的重要指标，被各企业及研发单位广泛用于设计或生产参考，长期以来被大量使用。但到目前为止，对于谐振频率的测量方法，业界尚无统一标准。同时各环节在提及谐振频率值的时候，往往忽略其测量方法以及明确的误差范围，因此在智能卡测量领域，谐振频率这一参数的真实性和可靠性长期被忽视。     以符合ISO/IEC14443标准的智能卡为例，协议规定了通信用载波频率为13.56MHz，但对智能卡本身的谐振频率未规定标准值，因此，客观上造成了目前流通的智能卡谐振频率的多样性。目前，按照智能卡的形态，业界常用的智能卡谐振频率的测量方法主要有两种：     1：LCR电桥或阻抗分析仪测量；（测量出L、C值，然后利用公式计算谐振频率）     2：频谱分析仪或网络分析仪测量。（测量密封智能卡的谐振频率）     首先介绍一下如何测量各部分的电气参数，然后利用公式计算谐振频率。智能卡在物理结构上，主要由三部分组成，1：IC芯片，2：耦合天线，3：封装材料，如图1所示，其中封装材料通常为绝缘材质，不引入电气参数，故本文不做深入分析。     智能卡的谐振频率f_res公式如下： ，可见，f_res取决于等效电路中的电感值和电容值。

    从图1中的虚线L_a/L_b从左往右看，为IC芯片端口部分与谐振频率相关的电气参数，R_ab为IC芯片端口电阻值的总和，C_ic为IC芯片端口电容值的总和，C_mount其含义为IC芯片封装成模块时引入的电容值，如芯片不需要进行模块封装，则可忽略C_mount。从图1中的虚线La/Lb从右往左看，为耦合天线部分与谐振频率相关的电气参数，L_coil为耦合天线的电感值，R_coil为耦合天线的电阻值，C_coil为耦合天线的电容值，C_pack其含义为耦合天线在制卡过程中引入的封装电容值，其值与制卡过程中多种因素相关，视具体情况而定。     依据图1的等效电路结构，我们将智能卡f_res的计算公式扩充如下：           当我们有了详细的计算公式，是否就可以计算出准确的f_res呢？实际情况并非如此。接下来，我们介绍各L、C参数的测量方法，以及误差来源。目前在IC芯片较为常见的模块封装形式有XOA2和COB两种，而且由于C_mount会受到各模块加工厂的技术水平、用料以及静电防护等综合因素的影响，所以各模块加工厂出产的模块其C_mount存在差异，且无法给出准确值，至此，用智能卡的f_res计算公式引入了第一个参数误差；同时在智能卡的制卡环节，由于C_pack会受到各制卡厂的技术水平、用料以及加静电防护等综合因素的影响，所以各值卡厂出产的卡片其C_pack也存在差异，且无法给出准确值，由此引入了第二个参数误差。在实际计算中，上述两个参数通常采用经验值，由此计算得到的f_res就会存在误差。因此要求我们在使用f_res的时候，需明确其误差范围。特别要强调的是，对于不同的条件下加工得到的智能卡，上述两个参数的经验值是不可以通用的。 下文将以Agilent 4285A(LCR Meter)配合测量夹具Agilent 16047E，对等效电路中的C_ic、L_coil和C_coil进行测量。整体测量平台如图2所示。

图2 Agilent 4285A(LCR Meter)和测量夹具Agilent 16047E

      由于耦合天线和IC芯片的寄生参数都会给测量结果带来误差，所以选择合适的等效电路模型，可以有效降低寄生参数的影响。通常L_coil为小电感，串联寄生电阻R_s的影响明显，因此在测量L_coil时，采用L_s～R_s 模型；而C_ic较大，并联寄生电容R_p的影响明显， 因此在测量C_ic时，采用C_p～R_p模型。     上述测量条件确定后，按照仪器的使用步骤，开机预热和校准后，我们采用下述方法测量得到L_coil和30 MHz下的耦合天线的电感值L_m，然后通过L_coil和L_m计算出C_coil。     1：选择测量模型：L_s～R_s。     2：设置测量电压：1V_rms。     3：设置测量频率：1MHz。     4：纪录测量结果L_s，此即为L_coil。     5：设置测量频率：f_m＝30MHz。     6：纪录测量结果L_s，此即为L_m，通过如下公式计算出耦合天线的C_coil。           我们对如图3所示带有模块底座的耦合天线样本进行了测量，为了说明模块底座对测量结果的影响，我们分别测量耦合天线带有模块底座与去除模块底座后的L_coil和C_coil。如表1所示。（表中数据均为测量了10次以后的平均值，有效位数保留到小数点后2位，下同），比较表1的数据，可以发现，该模块底座的存在，对该耦合天线样本的L_coil无影响， 但会使C_coil增加0.16pf。

图3 带有模块底座的耦合天线样本

表1  耦合天线的电感值和电容值

样本状态	Lcoil/uh	Lm/uh	Rcoil/ohm	Ccoil/pf
耦合天线+ 模块底座	5.30	22.92	9.16	4.08
耦合天线	5.32	20.45	8.70	3.92
差值	-0.02	2.47	0.47	0.16

      接下来，我们讨论如何测量IC芯片的端口电容C_ic，样本如图4所示，选用的芯片为NXP S50，左边为模块底座（同图3中的底座模块），右边为完成完成模块封装（XOA2）后的样本外观，所以下文中得到的电容值构成为“C_ic+ C_mount（C_mount中包含了C_模块底座）”。
第1页第2页第3页     电容测量方法：     1：选择测量模型C_p～R_p。     2：设置测量频率：13.56MHz。     3：设置测量电压：0.5V_rms。     4：记录测量结果C_p：即C_ic+C_mount。     5：增加测量电压以0.5Vrms为一个步进，重复3～4步骤。     6：直至测量电压大于YV_rms。     其中Y定义为：IC芯片正常工作时所需要的电压值。Y的值视具体的IC芯片而定，其此处Y=2。如果IC芯片未进行模块封装，也可以直接对C_ic进行测量。

图4 模块底座和NXP S50模块（XOA2）

表2  IC芯片在不同频率和电压条件下的端口电容

测量频率	0.5Vrms	1Vrms	1.5Vrms	2Vrms
11M	14.43	14.88	15.45	15.58
12M	14.42	14.86	15.43	15.56
13.56M	14.39	14.84	15.40	15.54
15M	14.37	14.82	15.37	15.51
16M	14.36	14.80	15.34	15.50
17M	14.35	14.79	15.31	15.49

      由表2可见，测量频率对于C_ic+ C_mount之和的影响很小，但不同的测量电压，对于C_ic+ C_mount之和的影响很大，主要是因为C_ic是各部分电容的总和，当测量电压从小到大增加时，C_ic随着IC芯片内部电路的逐渐开启而减小，当测量电压增加到IC芯片电路能够正常工作时，C_ic将维持稳定。因此，以测量频率13.56MHz为例，测量电压从0.5V_rms增加至2V_rms的过程中，IC芯片的会处于3 种状态，第一，IC芯片完全不工作（0.5V_rms），第二，IC芯片端口电路部分开启（1~1.5V_rms），第三，IC芯片端口电路全部开启（2V_rms）。     不同的测量电压条件，反映到谐振频率中又是如何？我们还需要对特定环境下加工的C_mount和C_pack给出经验值，由于本文在IC芯片电容的测量结果中已经包含了C_mount，所以此处仅需给出C_pack，其经验值为1.5pf，然后分别将13.56MHz频率下，将各电容值和电感值带入公式进行计算，可得到表3。 表3 智能卡的谐振频率

测量电压/Vrms	Ccoil/pf	Cic+Cmount	Cpack/pf	Lcoil/uh	fres/MHz
0.5	3.92	14.39	1.5	5.32	15.11
1.0	3.92	14.84	1.5	5.32	14.77
1.5	3.92	15.4	1.5	5.32	14.38
2.0	3.92	15.54	1.5	5.32	14.28

      可见从0.5V_rms至2.0V_rms，f_res出现了约0.83 MHz的波动，考虑到计算参数还中包含了经验值C_pack，一方面经验值的估算是否准确尚存疑问；另一方面测量值C_coil、L_coil和C_ic+C_mount，目前业界尚无统一的测量方法，不同测量条件下，得到的结果相去甚远；更有甚者，在f_res的计算中直接忽略了C_mount和C_pack两个参数。因此，同样是采用计算公式，面对相同的样本，大家得到的f_res很难达到统一，那么我们在使用f_res进行设计、验证、生产时不得不小心谨慎，避免由于计算结果的不准确产生对产品特性的误判。     其次，当我们的测量样本为密封状态的智能卡时，目前业界主要采用如下三种测量方法进行智能卡谐振频率的测量：     1：带跟踪信号发生器（RF输出）功能的频谱分析仪。     2：不带跟踪信号发生器的频谱仪（成本较低），配合信号发生器（相当于频谱分析仪的跟踪信号发生器）。     3：矢量网络分析仪测量。     上述三种测量仪器，原理基本相同，即在某个频率区间内以额定的功率发射信号，无谐振时，在测量仪器的屏幕上显示的功率曲线为一条直线，当某个频率恰好与待测智能卡的f_res相吻合时，测量系统就会产生谐振，使得输入端检测到的功率值达到最大，此时观察测量仪器的屏幕会出现一个波峰或者波谷，该波峰或者波谷对应的频率值即被称为智能卡的f_res。下文中会以频谱分析仪HP8591E为例。     具体测量方法如下：     1）在HP8591E的输出端和输入端各接一个线圈（天线），将两只线圈以水平方式上下叠加，制做成固定的测量夹具（如图5所示，图中智能卡样本为上海公交卡）。

图5　 HP8591E的测量环境

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     2）然后设定起始频率和截止频率，

    3）设定发射功率，RF端有功率输出；     4）然后将待测智能卡放置在夹具上方。（智能卡与天线的间距小于1cm）     5）按PK SEARCH键，频谱仪界面就会将MARKER点标记到频谱中功率的最高点，如图6所示。此波峰点对应的频率即为智能卡的f_res。

图6  HP8591E测试得到的非接触式智能IC卡的fres

    在了解了测量方法后，我们选取了部分目前上海市场中较常见的智能卡作为测量样本，如图7所示（包括上海市民卡1张、上海公交卡2张、上海地铁单程票2张、世博海宝交通卡1张、杉德万通卡1张和华虹餐厅就餐卡1张）。

图7常见的非接触式IC卡

      在测量前，我们需要设定发射天线的功率值，为保证测量到的f_res能够真实反映各种智能卡的电气特性，我们设置的起始频率和截止频率范围是10 MHz 至20MHz，设置的发射天线功率值通常在10dbm以下，或者是控制输出电流小于等于20mA。在上述测量条件确定以后，我们得到了每张智能卡的f_res。 表4 智能卡的谐振频率

样本种类	fres/MHz	样本种类	fres/MHz
上海公交卡 1	15.80	上海市民卡	19.25
上海公交卡2	16.80	上海地铁单程票1	17.55
杉德万通卡	17.10	上海地铁单程票2	18.45
世博海宝交通卡	14.00	华虹餐厅就餐卡	14.65

      表4中谐振频率的测量结果，验证了前文中提到的，目前流通的智能卡谐振频率的多样性。但本文强调的重点在于，我们采用上述方法，测量f_res得到了表4中的结果，那么同样的样本，不同的测量仪器，谐振频率的测量结果会相同吗？对此，我们以上海公交卡为样本，在如图8所示的测量仪器及配套的测量夹具上进行了测量，测量原理同前，读取仪器屏幕中波峰值对应的频率点即为智能卡的f_res（如表5所示）。但因为目前业界对测量夹具中天线的线径、匝数、面积、间距、材料和相对位置等参数尚无统一的规格标准，因此使用图8中的测量夹具时，智能卡需要放置于两个天线之间。我们称该测量仪器称为：方法4

图8　方法4的测量环境

表5 方法1与方法4的测量结果比较

测量方法	样本种类	fres/MHz	样本种类	fres/MHz
方法1	上海公交卡 1	15.80	上海公交卡2	16.80
方法4	上海公交卡 1	17.83	上海公交卡2	18.3
差值/MHz	/	2.02	/	1.7

      通过对表5的测量数据的分析，不难发现，对于上海公交卡1，使用方法1和方法4测量到的f_res差值达到了2.02 MHz，波动比例分别达到12%和11%，，而对于上海公交卡2，f_res差值达到了1.7 MHz，波动比例分别达到10%和9%。至此，回答了前文中提出的疑问，同样的智能卡在不同的测量方法下，f_res测量结果相差极大，面对这样的测量结果，显然缺乏进行比较的基础。此时，即使我们加入了测量方法的描述，但是由于测量仪器的不同，测量夹具不规范，很显然，单纯的讨论f_res是没有意义的。     那么同样的样本，采用同样的测量仪器，但是不同的测量方法，f_res的测量结果会相同吗？我们仍以上海公交卡为样本，采用方法一及其配套测量夹具，仅改变测量方法中的第4点，即待测智能卡与测量夹具的间距，然后测量f_res。如表6所示，以样本与测量夹具的间距作为变量，随着样本远离测量夹具，得到的f_res呈现单调下降趋势。尽管在表6中f_res从0mm至20mm仅降低了0.35 MHz，该差值的绝对值并不算大，但是亟待确认的是，在什么样的测量间距下，得到的f_res才最接近真实值？另外，测量环境的射频噪声对f_res的影响也不容忽视，如果测量环境附近有高频信号发射装置，或者有大的金属物体，都会对测量结果造成影响，作为实验室测量环境应该避免射频噪声的影响，本文对此不再展开。   表6智能卡与测量夹具的间距与谐振频率的关系

上海公交卡1与测量夹具的间距 /mm	fres/MHz	上海公交卡2与测量夹具的间距 /mm	fres/MHz
0	15.80	0	16.80
10	15.7	10	16.65
15	15.6	15	16.55
20	15.5	20	16.45

      综上所述，谐振频率作为智能卡重要的特征参数，因为测量方便，操作简单，而且能够为产品设计、验证与质量控制等方面提供较多的参考信息，因而在业界越来越受到重视，随着各企业和单位对谐振频率检测能力的提高，f_res逐渐被写进设计、检验规范中，但由于没有统一的测量标准，客观上造成了测量结果的差异，同样的智能卡，不同企业和单位给出的谐振频率测量结果往往大项径庭，而且其测量结果的误差范围未知。如果各单位均按照自己的理解建立一套检测规范和验收标准，不但增加了生产成本，而且在对外沟通中无法有效输出，反而会使得业界对于智能卡谐振频率值的定义更加混乱。在华虹设计对于智能卡的谐振频率测量中，我们深刻的体会到，剥离测量条件、方法去讨论谐振频率的值是不科学的。所以我们仅把谐振频率这一测量结果作为公司内部设计的参考标准，以及量产阶段产品一致性的考核指标，不作为对外输出和业界交流的标杆。因此，我们建议并期待相关标准化部门或行业协会能够尽快制定出谐振频率的相关测量标准，将测量方法和测量条件加以统一，使谐振频率这一重要参数成为业界认可的技术标准，可以参与严谨的学术讨论，能够在智能卡领域发挥重要作用，推进智能卡行业的发展及应用。 第1页第2页第3页