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。

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

L_coil/uh

L_m/uh

R_coil/ohm

C_coil/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

新闻投稿合作邮箱：yktchina-admin@163.com 字体[大中小] [收藏] [进入论坛]

文章图片

非接触式智能IC卡谐振频率测量研究
HDcctv高清视频监控在交通行业的应用
一种人脸识别门禁系统的实现
物理门禁控制系统实现原理
未来的智能交通支付探讨

样本状态	L_coil/uh	L_m/uh	R_coil/ohm	C_coil/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