非接触式智能IC卡谐振频率测量及使用的误区

1、非接触式智能ic卡谐振频率测量及使用的误区摘要：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

2、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

3、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

4、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

5、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 428

6、5a(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lsrs 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cprp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

7、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：lsrs。 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：fm30mhz。 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

8、），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/uhlm/uhrcoil/ohmccoil/pf耦合天线+ 模块底座5.3022.929.164.08耦合天线5.3220.458.703.92差值-0.022.470.470.16 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“ci

9、c+ cmount（cmount中包含了c模块底座）”。$page$ 电容测量方法： 1：选择测量模型cprp。 2：设置测量频率：13.56mhz。 3：设置测量电压：0.5vrms。 4：记录测量结果cp：即cic+cmount。 5：增加测量电压以0.5vrms为一个步进，重复34步骤。 6：直至测量电压大于yvrms。 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cic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0.5vrms1vrms

10、1.5vrms2vrms11m14.4314.8815.4515.5812m14.4214.8615.4315.5613.56m14.3914.8415.4015.5415m14.3714.8215.3715.5116m14.3614.8015.3415.5017m14.3514.7915.3115.49 由表2可见，测量频率对于cic+ cmount之和的影响很小，但不同的测量电压，对于cic+ cmount之和的影响很大，主要是因为cic是各部分电容的总和，当测量电压从小到大增加时，cic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，cic将维持稳定。因

11、此，以测量频率13.56mhz为例，测量电压从0.5vrms增加至2vrms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（0.5vrms），第二，ic芯片端口电路部分开启（11.5vrms），第三，ic芯片端口电路全部开启（2vrms）。 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cmount和cpack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cmount，所以此处仅需给出cpack，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/vrmsc

12、coil/pfcic+cmountcpack/pflcoil/uhfres/mhz0.53.9214.391.55.3215.111.03.9214.841.55.3214.771.53.9215.41.55.3214.382.03.9215.541.55.3214.28 可见从0.5vrms至2.0vrms，fres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cpack，一方面经验值的估算是否准确尚存疑问；另一方面测量值ccoil、lcoil和cic+cmount，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fres的计算中直接忽略了cmou

13、nt和cpack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fres很难达到统一，那么我们在使用fres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

14、线为一条直线，当某个频率恰好与待测智能卡的fres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fres。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$page$ 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

15、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fres。图6 hp8591e测试得到的非接触式智能ic卡的fres 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fres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

16、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fres。表4 智能卡的谐振频率样本种类fres/mhz样本种类fres/mhz上海公交卡 115.80上海市民卡19.25上海公交卡216.80上海地铁单程票117.55杉德万通卡17.10上海地铁单程票218.45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fres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

17、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fres（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fres/mhz样本种类fres/mhz方法1上海公交卡 115.80上海公交卡216.80方法4上海公交卡 117.83上海公交卡218.3差值/mhz/2.02/1.7 通过对表5的

18、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fres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，fres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，fres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fres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，fres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fres。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fres呈现单调下降趋势。尽管在表6中fres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fres才最接近真实值？另外，测量环境的射频噪声对fres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