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。

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f_res

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

f_res/MHz

样本种类

f_res/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

f_res/MHz

样本种类

f_res/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

f_res/MHz

上海公交卡2与测量夹具的间距 /mm

f_res/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。

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样本种类	f_res/MHz	样本种类	f_res/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

测量方法	样本种类	f_res/MHz	样本种类	f_res/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

上海公交卡1与测量夹具的间距 /mm	f_res/MHz	上海公交卡2与测量夹具的间距 /mm	f_res/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