非接觸式智能IC卡諧振頻率測量研究

文章出處：http://linbycaravans.com 作者：葛文啟 申曄 林秋 田濤 祝鵬   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月02日

    近年來，大到金融、公共交通和社會保障，小到圖書館、校園和門禁等，智能卡的應(yīng)用領(lǐng)域日益多元化，相關(guān)的智能卡設(shè)計、生產(chǎn)企業(yè)越來越多。由于智能卡被完全密封，對其整體電氣參數(shù)L、C、R的測量造成了困難，而諧振頻率作為能夠反映智能卡天線端口部分電氣參數(shù)的重要指標(biāo)，被各企業(yè)及研發(fā)單位廣泛用于設(shè)計或生產(chǎn)參考，長期以來被大量使用。但到目前為止，對于諧振頻率的測量方法，業(yè)界尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。同時各環(huán)節(jié)在提及諧振頻率值的時候，往往忽略其測量方法以及明確的誤差范圍，因此在智能卡測量領(lǐng)域，諧振頻率這一參數(shù)的真實性和可靠性長期被忽視。     以符合ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)的智能卡為例，協(xié)議規(guī)定了通信用載波頻率為13.56MHz，但對智能卡本身的諧振頻率未規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值，因此，客觀上造成了目前流通的智能卡諧振頻率的多樣性。目前，按照智能卡的形態(tài)，業(yè)界常用的智能卡諧振頻率的測量方法主要有兩種：     1：LCR電橋或阻抗分析儀測量；（測量出L、C值，然后利用公式計算諧振頻率）     2：頻譜分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀測量。（測量密封智能卡的諧振頻率）     首先介紹一下如何測量各部分的電氣參數(shù)，然后利用公式計算諧振頻率。智能卡在物理結(jié)構(gòu)上，主要由三部分組成，1：IC芯片，2：耦合天線，3：封裝材料，如圖1所示，其中封裝材料通常為絕緣材質(zhì)，不引入電氣參數(shù)，故本文不做深入分析。     智能卡的諧振頻率f_res公式如下： ，可見，f_res取決于等效電路中的電感值和電容值。

    從圖1中的虛線L_a/L_b從左往右看，為IC芯片端口部分與諧振頻率相關(guān)的電氣參數(shù)，R_ab為IC芯片端口電阻值的總和，C_ic為IC芯片端口電容值的總和，C_mount其含義為IC芯片封裝成模塊時引入的電容值，如芯片不需要進(jìn)行模塊封裝，則可忽略C_mount。從圖1中的虛線La/Lb從右往左看，為耦合天線部分與諧振頻率相關(guān)的電氣參數(shù)，L_coil為耦合天線的電感值，R_coil為耦合天線的電阻值，C_coil為耦合天線的電容值，C_pack其含義為耦合天線在制卡過程中引入的封裝電容值，其值與制卡過程中多種因素相關(guān)，視具體情況而定。     依據(jù)圖1的等效電路結(jié)構(gòu)，我們將智能卡f_res的計算公式擴(kuò)充如下：           當(dāng)我們有了詳細(xì)的計算公式，是否就可以計算出準(zhǔn)確的f_res呢？實際情況并非如此。接下來，我們介紹各L、C參數(shù)的測量方法，以及誤差來源。目前在IC芯片較為常見的模塊封裝形式有XOA2和COB兩種，而且由于C_mount會受到各模塊加工廠的技術(shù)水平、用料以及靜電防護(hù)等綜合因素的影響，所以各模塊加工廠出產(chǎn)的模塊其C_mount存在差異，且無法給出準(zhǔn)確值，至此，用智能卡的f_res計算公式引入了第一個參數(shù)誤差；同時在智能卡的制卡環(huán)節(jié)，由于C_pack會受到各制卡廠的技術(shù)水平、用料以及加靜電防護(hù)等綜合因素的影響，所以各值卡廠出產(chǎn)的卡片其C_pack也存在差異，且無法給出準(zhǔn)確值，由此引入了第二個參數(shù)誤差。在實際計算中，上述兩個參數(shù)通常采用經(jīng)驗值，由此計算得到的f_res就會存在誤差。因此要求我們在使用f_res的時候，需明確其誤差范圍。特別要強(qiáng)調(diào)的是，對于不同的條件下加工得到的智能卡，上述兩個參數(shù)的經(jīng)驗值是不可以通用的。 下文將以Agilent 4285A(LCR Meter)配合測量夾具Agilent 16047E，對等效電路中的C_ic、L_coil和C_coil進(jìn)行測量。整體測量平臺如圖2所示。

圖2 Agilent 4285A(LCR Meter)和測量夾具Agilent 16047E

      由于耦合天線和IC芯片的寄生參數(shù)都會給測量結(jié)果帶來誤差，所以選擇合適的等效電路模型，可以有效降低寄生參數(shù)的影響。通常L_coil為小電感，串聯(lián)寄生電阻R_s的影響明顯，因此在測量L_coil時，采用L_s～R_s 模型；而C_ic較大，并聯(lián)寄生電容R_p的影響明顯， 因此在測量C_ic時，采用C_p～R_p模型。     上述測量條件確定后，按照儀器的使用步驟，開機(jī)預(yù)熱和校準(zhǔn)后，我們采用下述方法測量得到L_coil和30 MHz下的耦合天線的電感值L_m，然后通過L_coil和L_m計算出C_coil。     1：選擇測量模型：L_s～R_s。     2：設(shè)置測量電壓：1V_rms。     3：設(shè)置測量頻率：1MHz。     4：紀(jì)錄測量結(jié)果L_s，此即為L_coil。     5：設(shè)置測量頻率：f_m＝30MHz。     6：紀(jì)錄測量結(jié)果L_s，此即為L_m，通過如下公式計算出耦合天線的C_coil。           我們對如圖3所示帶有模塊底座的耦合天線樣本進(jìn)行了測量，為了說明模塊底座對測量結(jié)果的影響，我們分別測量耦合天線帶有模塊底座與去除模塊底座后的L_coil和C_coil。如表1所示。（表中數(shù)據(jù)均為測量了10次以后的平均值，有效位數(shù)保留到小數(shù)點后2位，下同），比較表1的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，該模塊底座的存在，對該耦合天線樣本的L_coil無影響， 但會使C_coil增加0.16pf。

圖3 帶有模塊底座的耦合天線樣本

表1  耦合天線的電感值和電容值

樣本狀態(tài)	Lcoil/uh	Lm/uh	Rcoil/ohm	Ccoil/pf
耦合天線+ 模塊底座	5.30	22.92	9.16	4.08
耦合天線	5.32	20.45	8.70	3.92
差值	-0.02	2.47	0.47	0.16

      接下來，我們討論如何測量IC芯片的端口電容C_ic，樣本如圖4所示，選用的芯片為NXP S50，左邊為模塊底座（同圖3中的底座模塊），右邊為完成完成模塊封裝（XOA2）后的樣本外觀，所以下文中得到的電容值構(gòu)成為“C_ic+ C_mount（C_mount中包含了C_模塊底座）”。
第1頁第2頁第3頁     電容測量方法：     1：選擇測量模型C_p～R_p。     2：設(shè)置測量頻率：13.56MHz。     3：設(shè)置測量電壓：0.5V_rms。     4：記錄測量結(jié)果C_p：即C_ic+C_mount。     5：增加測量電壓以0.5Vrms為一個步進(jìn)，重復(fù)3～4步驟。     6：直至測量電壓大于YV_rms。     其中Y定義為：IC芯片正常工作時所需要的電壓值。Y的值視具體的IC芯片而定，其此處Y=2。如果IC芯片未進(jìn)行模塊封裝，也可以直接對C_ic進(jìn)行測量。

圖4 模塊底座和NXP S50模塊（XOA2）

表2  IC芯片在不同頻率和電壓條件下的端口電容

測量頻率	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可見，測量頻率對于C_ic+ C_mount之和的影響很小，但不同的測量電壓，對于C_ic+ C_mount之和的影響很大，主要是因為C_ic是各部分電容的總和，當(dāng)測量電壓從小到大增加時，C_ic隨著IC芯片內(nèi)部電路的逐漸開啟而減小，當(dāng)測量電壓增加到IC芯片電路能夠正常工作時，C_ic將維持穩(wěn)定。因此，以測量頻率13.56MHz為例，測量電壓從0.5V_rms增加至2V_rms的過程中，IC芯片的會處于3 種狀態(tài)，第一，IC芯片完全不工作（0.5V_rms），第二，IC芯片端口電路部分開啟（1~1.5V_rms），第三，IC芯片端口電路全部開啟（2V_rms）。     不同的測量電壓條件，反映到諧振頻率中又是如何？我們還需要對特定環(huán)境下加工的C_mount和C_pack給出經(jīng)驗值，由于本文在IC芯片電容的測量結(jié)果中已經(jīng)包含了C_mount，所以此處僅需給出C_pack，其經(jīng)驗值為1.5pf，然后分別將13.56MHz頻率下，將各電容值和電感值帶入公式進(jìn)行計算，可得到表3。 表3 智能卡的諧振頻率

測量電壓/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

      可見從0.5V_rms至2.0V_rms，f_res出現(xiàn)了約0.83 MHz的波動，考慮到計算參數(shù)還中包含了經(jīng)驗值C_pack，一方面經(jīng)驗值的估算是否準(zhǔn)確尚存疑問；另一方面測量值C_coil、L_coil和C_ic+C_mount，目前業(yè)界尚無統(tǒng)一的測量方法，不同測量條件下，得到的結(jié)果相去甚遠(yuǎn)；更有甚者，在f_res的計算中直接忽略了C_mount和C_pack兩個參數(shù)。因此，同樣是采用計算公式，面對相同的樣本，大家得到的f_res很難達(dá)到統(tǒng)一，那么我們在使用f_res進(jìn)行設(shè)計、驗證、生產(chǎn)時不得不小心謹(jǐn)慎，避免由于計算結(jié)果的不準(zhǔn)確產(chǎn)生對產(chǎn)品特性的誤判。     其次，當(dāng)我們的測量樣本為密封狀態(tài)的智能卡時，目前業(yè)界主要采用如下三種測量方法進(jìn)行智能卡諧振頻率的測量：     1：帶跟蹤信號發(fā)生器（RF輸出）功能的頻譜分析儀。     2：不帶跟蹤信號發(fā)生器的頻譜儀（成本較低），配合信號發(fā)生器（相當(dāng)于頻譜分析儀的跟蹤信號發(fā)生器）。     3：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量。     上述三種測量儀器，原理基本相同，即在某個頻率區(qū)間內(nèi)以額定的功率發(fā)射信號，無諧振時，在測量儀器的屏幕上顯示的功率曲線為一條直線，當(dāng)某個頻率恰好與待測智能卡的f_res相吻合時，測量系統(tǒng)就會產(chǎn)生諧振，使得輸入端檢測到的功率值達(dá)到最大，此時觀察測量儀器的屏幕會出現(xiàn)一個波峰或者波谷，該波峰或者波谷對應(yīng)的頻率值即被稱為智能卡的f_res。下文中會以頻譜分析儀HP8591E為例。     具體測量方法如下：     1）在HP8591E的輸出端和輸入端各接一個線圈（天線），將兩只線圈以水平方式上下疊加，制做成固定的測量夾具（如圖5所示，圖中智能卡樣本為上海公交卡）。

圖5　 HP8591E的測量環(huán)境

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     2）然后設(shè)定起始頻率和截止頻率，

    3）設(shè)定發(fā)射功率，RF端有功率輸出；     4）然后將待測智能卡放置在夾具上方。（智能卡與天線的間距小于1cm）     5）按PK SEARCH鍵，頻譜儀界面就會將MARKER點標(biāo)記到頻譜中功率的最高點，如圖6所示。此波峰點對應(yīng)的頻率即為智能卡的f_res。

圖6  HP8591E測試得到的非接觸式智能IC卡的fres

    在了解了測量方法后，我們選取了部分目前上海市場中較常見的智能卡作為測量樣本，如圖7所示（包括上海市民卡1張、上海公交卡2張、上海地鐵單程票2張、世博海寶交通卡1張、杉德萬通卡1張和華虹餐廳就餐卡1張）。

圖7常見的非接觸式IC卡

      在測量前，我們需要設(shè)定發(fā)射天線的功率值，為保證測量到的f_res能夠真實反映各種智能卡的電氣特性，我們設(shè)置的起始頻率和截止頻率范圍是10 MHz 至20MHz，設(shè)置的發(fā)射天線功率值通常在10dbm以下，或者是控制輸出電流小于等于20mA。在上述測量條件確定以后，我們得到了每張智能卡的f_res。 表4 智能卡的諧振頻率

樣本種類	fres/MHz	樣本種類	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	上海地鐵單程票1	17.55
杉德萬通卡	17.10	上海地鐵單程票2	18.45
世博海寶交通卡	14.00	華虹餐廳就餐卡	14.65

      表4中諧振頻率的測量結(jié)果，驗證了前文中提到的，目前流通的智能卡諧振頻率的多樣性。但本文強(qiáng)調(diào)的重點在于，我們采用上述方法，測量f_res得到了表4中的結(jié)果，那么同樣的樣本，不同的測量儀器，諧振頻率的測量結(jié)果會相同嗎？對此，我們以上海公交卡為樣本，在如圖8所示的測量儀器及配套的測量夾具上進(jìn)行了測量，測量原理同前，讀取儀器屏幕中波峰值對應(yīng)的頻率點即為智能卡的f_res（如表5所示）。但因為目前業(yè)界對測量夾具中天線的線徑、匝數(shù)、面積、間距、材料和相對位置等參數(shù)尚無統(tǒng)一的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，因此使用圖8中的測量夾具時，智能卡需要放置于兩個天線之間。我們稱該測量儀器稱為：方法4

圖8　方法4的測量環(huán)境

表5 方法1與方法4的測量結(jié)果比較

測量方法	樣本種類	fres/MHz	樣本種類	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

      通過對表5的測量數(shù)據(jù)的分析，不難發(fā)現(xiàn)，對于上海公交卡1，使用方法1和方法4測量到的f_res差值達(dá)到了2.02 MHz，波動比例分別達(dá)到12%和11%，，而對于上海公交卡2，f_res差值達(dá)到了1.7 MHz，波動比例分別達(dá)到10%和9%。至此，回答了前文中提出的疑問，同樣的智能卡在不同的測量方法下，f_res測量結(jié)果相差極大，面對這樣的測量結(jié)果，顯然缺乏進(jìn)行比較的基礎(chǔ)。此時，即使我們加入了測量方法的描述，但是由于測量儀器的不同，測量夾具不規(guī)范，很顯然，單純的討論f_res是沒有意義的。     那么同樣的樣本，采用同樣的測量儀器，但是不同的測量方法，f_res的測量結(jié)果會相同嗎？我們?nèi)砸陨虾９豢闃颖?，采用方法一及其配套測量夾具，僅改變測量方法中的第4點，即待測智能卡與測量夾具的間距，然后測量f_res。如表6所示，以樣本與測量夾具的間距作為變量，隨著樣本遠(yuǎn)離測量夾具，得到的f_res呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢。盡管在表6中f_res從0mm至20mm僅降低了0.35 MHz，該差值的絕對值并不算大，但是亟待確認(rèn)的是，在什么樣的測量間距下，得到的f_res才最接近真實值？另外，測量環(huán)境的射頻噪聲對f_res的影響也不容忽視，如果測量環(huán)境附近有高頻信號發(fā)射裝置，或者有大的金屬物體，都會對測量結(jié)果造成影響，作為實驗室測量環(huán)境應(yīng)該避免射頻噪聲的影響，本文對此不再展開。   表6智能卡與測量夾具的間距與諧振頻率的關(guān)系

上海公交卡1與測量夾具的間距 /mm	fres/MHz	上海公交卡2與測量夾具的間距 /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

      綜上所述，諧振頻率作為智能卡重要的特征參數(shù)，因為測量方便，操作簡單，而且能夠為產(chǎn)品設(shè)計、驗證與質(zhì)量控制等方面提供較多的參考信息，因而在業(yè)界越來越受到重視，隨著各企業(yè)和單位對諧振頻率檢測能力的提高，f_res逐漸被寫進(jìn)設(shè)計、檢驗規(guī)范中，但由于沒有統(tǒng)一的測量標(biāo)準(zhǔn)，客觀上造成了測量結(jié)果的差異，同樣的智能卡，不同企業(yè)和單位給出的諧振頻率測量結(jié)果往往大項徑庭，而且其測量結(jié)果的誤差范圍未知。如果各單位均按照自己的理解建立一套檢測規(guī)范和驗收標(biāo)準(zhǔn)，不但增加了生產(chǎn)成本，而且在對外溝通中無法有效輸出，反而會使得業(yè)界對于智能卡諧振頻率值的定義更加混亂。在華虹設(shè)計對于智能卡的諧振頻率測量中，我們深刻的體會到，剝離測量條件、方法去討論諧振頻率的值是不科學(xué)的。所以我們僅把諧振頻率這一測量結(jié)果作為公司內(nèi)部設(shè)計的參考標(biāo)準(zhǔn)，以及量產(chǎn)階段產(chǎn)品一致性的考核指標(biāo)，不作為對外輸出和業(yè)界交流的標(biāo)桿。因此，我們建議并期待相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化部門或行業(yè)協(xié)會能夠盡快制定出諧振頻率的相關(guān)測量標(biāo)準(zhǔn)，將測量方法和測量條件加以統(tǒng)一，使諧振頻率這一重要參數(shù)成為業(yè)界認(rèn)可的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以參與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)討論，能夠在智能卡領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推進(jìn)智能卡行業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用。 第1頁第2頁第3頁