非接触式智能IC卡谐振频率测量研究

来源：住房和城乡建设部IC卡服务中心作者：葛文启申晔林秋田涛祝鹏发布时间：2011-09-02 09:15:51 字体:[大中小]

摘要：在非接触式智能IC卡（以下简称智能卡）测量领域，对智能卡的谐振频率测量方法尚未形成统一的标准，因此在智能卡设计、验证、生产中，严格地说，不能使用谐振频率这一参数作为评价依据；而在学术领域中讨论该参数的测量结果时，也需要对测量条件和测量方法进行详细的说明，否则基于谐振频率的讨论得出的结果将是不严谨的，同时缺乏可信度。

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

0.5V_rms

1V_rms

1.5V_rms

2V_rms

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/V_rms

C_coil/pf

C_ic+C_mount

C_pack/pf

L_coil/uh

f_res/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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测量频率	0.5V_rms	1V_rms	1.5V_rms	2V_rms
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

测量电压/V_rms	C_coil/pf	C_ic+C_mount	C_pack/pf	L_coil/uh	f_res/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