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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:[ ]

关键字:智能卡  IC卡  谐振频率  误区  

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fres公式如下: ,可见,fres取决于等效电路中的电感值和电容值。

    从图1中的虚线La/Lb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,Rab为IC芯片端口电阻值的总和,Cic为IC芯片端口电容值的总和,Cmount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Cmount。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,Lcoil为耦合天线的电感值,Rcoil为耦合天线的电阻值,Ccoil为耦合天线的电容值,Cpack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fres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fres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Cmount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Cmount存在差异,且无法给出准确值,至此,用智能卡的fres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Cpack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Cpack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fres就会存在误差。因此要求我们在使用fres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Cic、Lcoil和Ccoil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Lcoil为小电感,串联寄生电阻Rs的影响明显,因此在测量Lcoil时,采用Ls~Rs 模型;而Cic较大,并联寄生电容Rp的影响明显, 因此在测量Cic时,采用Cp~Rp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Lcoil和30 MHz下的耦合天线的电感值Lm,然后通过Lcoil和Lm计算出Ccoil
    1:选择测量模型:Ls~Rs
    2:设置测量电压:1Vrms
    3:设置测量频率:1MHz。
    4:纪录测量结果Ls,此即为Lcoil
    5:设置测量频率:fm=30MHz。
    6:纪录测量结果Ls,此即为Lm,通过如下公式计算出耦合天线的Ccoil
   
 
    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Lcoil和Ccoil。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Lcoil无影响, 但会使Ccoil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
Lcoil/uh
Lm/uh
Rcoil/ohm
Ccoil/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Cic,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“Cic+ Cmount(Cmount中包含了C模块底座)”。
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