非接觸式智能IC卡諧振頻率測量及使用的誤區

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者： 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年12月11日

概述：在非接觸式智能IC卡（以下簡(jiǎn)稱(chēng)智能卡）測量領(lǐng)域，對智能卡的諧振頻率測量方法尚未形成統一的標準，因此在智能卡設計、驗證、生產(chǎn)中，嚴格地說(shuō)，不能使用諧振頻率這一參數作為評價(jià)依據；而在學(xué)術(shù)領(lǐng)域中討論該參數的測量結果時(shí)，也需要對測量條件和測量方法進(jìn)行詳細的說(shuō)明，否則基于諧振頻率的討論得出的結果將是不嚴謹的，同時(shí)缺乏可信度。   關(guān)鍵字：非接觸式智能IC卡，諧振頻率，LCRMeter，頻譜分析儀       近年來(lái)，大到金融、公共交通和社會(huì )保障，小到圖書(shū)館、校園和門(mén)禁等，智能卡的應用領(lǐng)域日益多元化，相關(guān)的智能卡設計、生產(chǎn)企業(yè)越來(lái)越多。由于智能卡被完全密封，對其整體電氣參數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(xiàn)端口部分電氣參數的重要指標，被各企業(yè)及研發(fā)單位廣泛用于設計或生產(chǎn)參考，長(cháng)期以來(lái)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(wú)統一標準。同時(shí)各環(huán)節在提及諧振頻率值的時(shí)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，諧振頻率這一參數的真實(shí)性和可靠性長(cháng)期被忽視。     以符合ISO/IEC14443標準的智能卡為例，協(xié)議規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定標準值，因此，客觀(guān)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，然后利用公式計算諧振頻率。智能卡在物理結構上，主要由三部分組成，1：IC芯片，2：耦合天線(xiàn)，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，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(jiàn)，f_res取決于等效電路中的電感值和電容值。

圖1 非接觸式智能IC卡的天線(xiàn)端口等效電路

    從圖1中的虛線(xiàn)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，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(shí)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(xiàn)La/Lb從右往左看，為耦合天線(xiàn)部分與諧振頻率相關(guān)的電氣參數，L_coil為耦合天線(xiàn)的電感值，R_coil為耦合天線(xiàn)的電阻值，C_coil為耦合天線(xiàn)的電容值，C_pack其含義為耦合天線(xiàn)在制卡過(guò)程中引入的封裝電容值，其值與制卡過(guò)程中多種因素相關(guān)，視具體情況而定。     依據圖1的等效電路結構，我們將智能卡f_res的計算公式擴充如下：           當我們有了詳細的計算公式，是否就可以計算出準確的f_res呢？實(shí)際情況并非如此。接下來(lái)，我們介紹各L、C參數的測量方法，以及誤差來(lái)源。目前在IC芯片較為常見(jiàn)的模塊封裝形式有XOA2和COB兩種，而且由于C_mount會(huì )受到各模塊加工廠(chǎng)的技術(shù)水平、用料以及靜電防護等綜合因素的影響，所以各模塊加工廠(chǎng)出產(chǎn)的模塊其C_mount存在差異，且無(wú)法給出準確值，至此，用智能卡的f_res計算公式引入了第一個(gè)參數誤差；同時(shí)在智能卡的制卡環(huán)節，由于C_pack會(huì )受到各制卡廠(chǎng)的技術(shù)水平、用料以及加靜電防護等綜合因素的影響，所以各值卡廠(chǎng)出產(chǎn)的卡片其C_pack也存在差異，且無(wú)法給出準確值，由此引入了第二個(gè)參數誤差。在實(shí)際計算中，上述兩個(gè)參數通常采用經(jīng)驗值，由此計算得到的f_res就會(huì )存在誤差。因此要求我們在使用f_res的時(shí)候，需明確其誤差范圍。特別要強調的是，對于不同的條件下加工得到的智能卡，上述兩個(gè)參數的經(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(xiàn)和IC芯片的寄生參數都會(huì )給測量結果帶來(lái)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(shí)，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(shí)，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(kāi)機預熱和校準后，我們采用下述方法測量得到L_coil和30 MHz下的耦合天線(xiàn)的電感值L_m，然后通過(guò)L_coil和L_m計算出C_coil。     1：選擇測量模型：L_s～R_s。     2：設置測量電壓：1V_rms。     3：設置測量頻率：1MHz。     4：紀錄測量結果L_s，此即為L(cháng)_coil。     5：設置測量頻率：f_m＝30MHz。     6：紀錄測量結果L_s，此即為L(cháng)_m，通過(guò)如下公式計算出耦合天線(xiàn)的C_coil。           我們對如圖3所示帶有模塊底座的耦合天線(xiàn)樣本進(jìn)行了測量，為了說(shuō)明模塊底座對測量結果的影響，我們分別測量耦合天線(xiàn)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。（表中數據均為測量了10次以后的平均值，有效位數保留到小數點(diǎn)后2位，下同），比較表1的數據，可以發(fā)現，該模塊底座的存在，對該耦合天線(xiàn)樣本的L_coil無(wú)影響， 但會(huì )使C_coil增加0.16pf。

圖3 帶有模塊底座的耦合天線(xiàn)樣本

表1  耦合天線(xiàn)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(xiàn)+ 模塊底座	5.30	22.92	9.16	4.08
耦合天線(xiàn)	5.32	20.45	8.70	3.92
差值	-0.02	2.47	0.47	0.16

      接下來(lái)，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(guān)，所以下文中得到的電容值構成為“C_ic+ C_mount（C_mount中包含了C_模塊底座）”。     電容測量方法：     1：選擇測量模型C_p～R_p。     2：設置測量頻率：13.56MHz。     3：設置測量電壓：0.5V_rms。     4：記錄測量結果C_p：即C_ic+C_mount。     5：增加測量電壓以0.5Vrms為一個(gè)步進(jìn)，重復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(shí)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(jiàn)，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，當測量電壓從小到大增加時(shí)，C_ic隨著(zhù)IC芯片內部電路的逐漸開(kāi)啟而減小，當測量電壓增加到IC芯片電路能夠正常工作時(shí)，C_ic將維持穩定。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(guò)程中，IC芯片的會(huì )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(kāi)啟（1~1.5V_rms），第三，IC芯片端口電路全部開(kāi)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(jiàn)從0.5V_rms至2.0V_rms，f_res出現了約0.83 MHz的波動(dòng)，考慮到計算參數還中包含了經(jīng)驗值C_pack，一方面經(jīng)驗值的估算是否準確尚存疑問(wèn)；另一方面測量值C_coil、L_coil和C_ic+C_mount，目前業(yè)界尚無(wú)統一的測量方法，不同測量條件下，得到的結果相去甚遠；更有甚者，在f_res的計算中直接忽略了C_mount和C_pack兩個(gè)參數。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很難達到統一，那么我們在使用f_res進(jìn)行設計、驗證、生產(chǎn)時(shí)不得不小心謹慎，避免由于計算結果的不準確產(chǎn)生對產(chǎn)品特性的誤判。     其次，當我們的測量樣本為密封狀態(tài)的智能卡時(shí)，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?jì)x器，原理基本相同，即在某個(gè)頻率區間內以額定的功率發(fā)射信號，無(wú)諧振時(shí)，在測量?jì)x器的屏幕上顯示的功率曲線(xiàn)為一條直線(xiàn)，當某個(gè)頻率恰好與待測智能卡的f_res相吻合時(shí)，測量系統就會(huì )產(chǎn)生諧振，使得輸入端檢測到的功率值達到最大，此時(shí)觀(guān)察測量?jì)x器的屏幕會(huì )出現一個(gè)波峰或者波谷，該波峰或者波谷對應的頻率值即被稱(chēng)為智能卡的f_res。下文中會(huì )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(gè)線(xiàn)圈（天線(xiàn)），將兩只線(xiàn)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

    2）然后設定起始頻率和截止頻率，     3）設定發(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(xiàn)的間距小于1cm）     5）按PK SEARCH鍵，頻譜儀界面就會(huì )將MARKER點(diǎn)標記到頻譜中功率的最高點(diǎn)，如圖6所示。此波峰點(diǎn)對應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(chǎng)中較常見(jiàn)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(wàn)通卡1張和華虹餐廳就餐卡1張）。

圖7常見(jiàn)的非接觸式IC卡

      在測量前，我們需要設定發(fā)射天線(xiàn)的功率值，為保證測量到的f_res能夠真實(shí)反映各種智能卡的電氣特性，我們設置的起始頻率和截止頻率范圍是10 MHz 至20MHz，設置的發(fā)射天線(xiàn)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(lèi)	fres/MHz	樣本種類(lèi)	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(wàn)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。但本文強調的重點(diǎn)在于，我們采用上述方法，測量f_res得到了表4中的結果，那么同樣的樣本，不同的測量?jì)x器，諧振頻率的測量結果會(huì )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?jì)x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的頻率點(diǎn)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(xiàn)的線(xiàn)徑、匝數、面積、間距、材料和相對位置等參數尚無(wú)統一的規格標準，因此使用圖8中的測量夾具時(shí)，智能卡需要放置于兩個(gè)天線(xiàn)之間。我們稱(chēng)該測量?jì)x器稱(chēng)為：方法4，

圖8　方法4的測量環(huán)境

表5 方法1與方法4的測量結果比較

測量方法	樣本種類(lèi)	fres/MHz	樣本種類(lèi)	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(guò)對表5的測量數據的分析，不難發(fā)現，對于上海公交卡1，使用方法1和方法4測量到的f_res差值達到了2.02 MHz，波動(dòng)比例分別達到12%和11%，，而對于上海公交卡2，f_res差值達到了1.7 MHz，波動(dòng)比例分別達到10%和9%。至此，回答了前文中提出的疑問(wèn)，同樣的智能卡在不同的測量方法下，f_res測量結果相差極大，面對這樣的測量結果，顯然缺乏進(jìn)行比較的基礎。此時(shí)，即使我們加入了測量方法的描述，但是由于測量?jì)x器的不同，測量夾具不規范，很顯然，單純的討論f_res是沒(méi)有意義的。     那么同樣的樣本，采用同樣的測量?jì)x器，但是不同的測量方法，f_res的測量結果會(huì )相同嗎？我們仍以上海公交卡為樣本，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(diǎn)，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(zhù)樣本遠離測量夾具，得到的f_res呈現單調下降趨勢。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，但是亟待確認的是，在什么樣的測量間距下，得到的f_res才最接近真實(shí)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(huì )對測量結果造成影響，作為實(shí)驗室測量環(huán)境應該避免射頻噪聲的影響，本文對此不再展開(kāi)。   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，因為測量方便，操作簡(jiǎn)單，而且能夠為產(chǎn)品設計、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(lái)越受到重視，隨著(zhù)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(xiě)進(jìn)設計、檢驗規范中，但由于沒(méi)有統一的測量標準，客觀(guān)上造成了測量結果的差異，同樣的智能卡，不同企業(yè)和單位給出的諧振頻率測量結果往往大項徑庭，而且其測量結果的誤差范圍未知。如果各單位均按照自己的理解建立一套檢測規范和驗收標準，不但增加了生產(chǎn)成本，而且在對外溝通中無(wú)法有效輸出，反而會(huì )使得業(yè)界對于智能卡諧振頻率值的定義更加混亂。在華虹設計對于智能卡的諧振頻率測量中，我們深刻的體會(huì )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果作為公司內部設計的參考標準，以及量產(chǎn)階段產(chǎn)品一致性的考核指標，不作為對外輸出和業(yè)界交流的標桿。因此，我們建議并期待相關(guān)標準化部門(mén)或行業(yè)協(xié)會(huì )能夠盡快制定出諧振頻率的相關(guān)測量標準，將測量方法和測量條件加以統一，使諧振頻率這一重要參數成為業(yè)界認可的技術(shù)標準，可以參與嚴謹的學(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)展及應用。（上海華虹集成電路有限責任公司  葛文啟 申曄 林秋 田濤 祝鵬）