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非接触式IC卡天线等效电路参数测量方法

发布时间: 2010-10-9

非接触式 IC卡天线等效电路参数测量方法

——上海华虹集成电路有限责任公司 刘颖

【摘要 】

       本文介绍了结合高频LCR测试仪器(安捷伦 4285A)和扫频仪 器测量得到的电路参数,推算卡上天线等效电路参数的方法。

 

【前言 】

       近年来,随着RFID技术的日益成熟,非接 触式IC卡的应用越来越广泛,二代身份证、交通卡、校园卡、上网卡……等等。而“物联网”概念的兴 起,为非接触式IC卡的应用提供了更加广阔的前景。

       非接触式IC卡由芯片和卡上天线组 成。非接触式的工作方式决定了卡的性能不仅仅由卡上芯片电路的设计来决定,还取决于卡上天线的参数 。在芯片电路设计中,只有将卡上天线的参数一并考虑,才能达到卡片性能的最优化。

       常见的非接触式IC卡的主要性能指标 符合ISO/IEC 14443ISO/IEC 15693协议,载波频率为13.56 Meg Hz。在这 个频率下测量卡上天线等效电路参数,有几种方法:

1、  用普通LCR测试仪器测量直流或者低频下的电路参数。用 以近似载波频率下的电路参数。

2、  用高频阻抗分析仪器(如安捷伦 4294A)直接测量载波频率下的电路参数 。

3、  用高频LCR测试仪器测量电路参数,根据测量值推算卡上 天线等效电路参数。

13.56Meg Hz频率下,金属的趋肤效应已经不能忽略,用方法 1测量到的卡上天线参数存在一定的误差,不能满足精确仿真、分析的要求。而方法2中用到的高 频阻抗分析仪器往往价格昂贵。对于方法3,一般的高频LCR测试仪器仅提供简单的 串联或者并联电路的测试值,为得到卡上天线等效电路的参数,需要进一步的计算。

本文介绍了结合高频LCR测试仪器(安捷伦 4285A)和扫频仪 器测量得到的电路参数,推算卡上天线等效电路参数的方法。

 

【测试 相关问题简介】

一、 关于仪器的正确使用

关于仪器的使用步骤,仪器说明书中有相关说明(参见参考文献1】【2)。这里强调如下几点:

1、   预热:仪器需要30分钟左右的预热时间。

2、   校准:观察仪器显示值,是否为0或接近∞。(如:夹具短路时, 显示电阻值应为接近0欧姆,夹具开路时,显示电阻值应为接近∞)。否则需要进行校准。

3、   选择正确的等效电路测试模式。详情参见下文。

二、 关于测量原理

1 测量原理图

仪器通 过测量电压、电流向量的比值,来确定元件的复阻抗。涉及到如下几个公式:

三、关 于等效电路的选择

由于元件的寄生参数会对测试结果造成影响,如电容器的等效电阻、电感器的等效 电容等。所以需要选择合适的等效电路模型,以使寄生参数的影响降低到最小。仪器提供了四种等效电路 模型:并联电容(Cp)、串联电容(Cs)、并联电感(Ls)、串联电感 (Ls)。这里有几个原则:

1、   电容

1.1 小电容

小电容的电抗值很大,所以并联寄生电阻(Rp)比串联寄生电阻 (Rs)的影响明显。可忽略Rs的影响。因此应该选择并联电容模型。如图所 示。

1.2   大电容

大电容的电抗值很小,所以串联寄生电阻(Rs)比并联寄生电阻 (Rp)的影响明显。可忽略Rp的影响。因此应该选择串联电容模型。如图所 示。

1.3   区分标准

一般地,如果电抗值大于10kΩ ,采用并联电容模型,如果电抗值小于10Ω, 采用串联电容模型。如果在两者之间,则根据实际情况选定。

2 电容等效电路 的选择    

1.4   举例

如:电容值约为1pF,测量频率为1Mhz,则电抗值为:

应该采用并联电容模型。

又如:电容值约为50pF,测量频率为13.56Mhz,则电抗值为:

可采用串联电容模型或者并联电容模型。

2、   电感

2.1 小电感

小电感的电抗值很小,所以串联寄生电阻(Rs)比并联寄生电阻 (Rp)的影响明显。可忽略Rp的影响。因此应该选择串联电感模型。如图所 示。

2.2   大电感

大电感的电抗值很大,所以并联寄生电阻(Rp)比串联寄生电阻 (Rs)的影响明显。可忽略Rs的影响。因此应该选择并联电容模型。如图所 示。

2.3   区分标准

一般地,如果电抗值大于10kΩ ,采用并联电感模型,如果电抗值小于10Ω, 采用串联电感模型。如果在两者之间,则根据实际情况选定。

3 电感等效电路 的选择

2.4   举例

如:电感值约为1uH,测量频率为1Mhz,则电抗值为:

应该采用串联电感模型。

又如:电感值约为3uH,测量频率为13.56Mhz,则电抗值为:

可采用串联电感模型

 

【根据 测试数据计算卡上天线参数】

非接触式IC卡卡上天线等效电路如下图(右)所示。等效 电路包括天线等效电容、等效电感和等效电阻参数。而4285A 仅能提供等效电感/电阻或者等效电容/电阻的测试数据。因此要对数据进行处理。得 到需要的参数。

4 测试等效电路 (左)与卡上天线等效电路(右)

一、选 择测试等效电路

       根据经验数值,ISO/IEC 14443 TypeA 类卡的卡上天线等效电感约为56uH,等效电容约为 36pF,等效电阻约为10欧姆。ISO/IEC 14443 TypeB类卡的卡 上天线等效电感约为23uH,等效电容约为12pF,等效 电阻约为5欧姆。从上文的分析可知,应选择串联电感模型。(如LsR模式、 LsQ模式或LsD模式)

二、 记录测试数据

按照仪器使用的正确步骤,进行开机预热、校准、选择测试模型、选择测试频率。 记录测试数据。值得一提的是,仪器提供了sweep功能,可以记录多个频率点的测试数据。

5 List sweep测 试结果显示

测试样本为:TypeA类卡卡上天线线圈和TypeB类卡卡上天 线线圈。测试结果记录如下:

 

TypeA类卡卡上天线线圈

TypeB类卡卡上天线线圈

频率

LsH

RsΩ

LsH

RsΩ

7.50E+04

5.27E- 06

0.95

2.19e- 6

1.4

1.00E+06

5.27E- 06

0.99

2.19e- 6

1.4

2.00E+06

5.28E- 06

1.63

2.19e- 6

1.8

3.00E+06

5.29E- 06

1.95

2.19e- 6

1.9

4.00E+06

5.32E- 06

2.16

2.19e- 6

1.9

……

……

……

……

……

1.30E+07

6.70E- 06

- 53

2.29e- 6

- 10.5

1.36E+07

6.90E- 06

- 65

2.3e- 6

- 11.9

注意到在高频下,电阻值显示为负值,这是由于测试等效电路和实际电路不一致引 起的。为消除高频工作环境下的测试误差,结合扫频仪测试结果,对数据进行校准。

三、 测量开路线圈自谐振频率

用扫频仪测试开路线圈的自谐振频率。记录如下

 

TypeA类卡卡上天线线圈

TypeB类卡卡上天线线圈

自谐振频率

23.28Mhz

52.35Mhz

四、 计算卡上天线参数的公式

根据图4的等效电路,得到测试值与实际值的等效变换 公式如下:

              & nbsp;              &nb sp;                ;               & nbsp;  ——测试等效电路

              ——卡上天线等效电路

              & nbsp;              &nb sp;                ;               & nbsp;      ——两种等效电路复阻抗相等

              & nbsp;              &nb sp;                ;         ——开路线圈自谐振频率

 

将测试 值代入,求解方程,即可得到所需参数。

五、 利用Excel进行数值拟合,计算参 数

可以利用Excel的计算功能。计算步骤如下:

1、   将测试结果输入到excel表格中。

2、   W=2*pi()*f (f为测试频率)

3、   Zin1(real)=Rs1

4、   Zin1(imag)=w*Ls1

5、   Ls2Rs2一个初始值

6、   C2=1/(2*PI()*freq)^2/Ls2

7、   Zin2=IMDIV(COMPLEX(Rs2,w*Ls2),COMPLEX(1-w^2*Ls2*C2,w*C2*Rs2))

8、   Zin2(real)=IMREAL(Zin2)

9、   Zin2(imag)=IMAGINARY(Zin2)

10、               分别比较Zin1(real)Zin2(real)Zin1(imag) Zin2(imag)。如果差别较大,则返回步骤 5,修改Ls2Rs2,重新计算。

六、 结果分析

按照上述步骤,得到拟合的参数值为:

 

TypeA类卡卡上天线线圈

TypeB类卡卡上天线线圈

 

Ls2

C2

Ls2

C2

拟合值

5uH

9.35pF

2.15uH

4.3pF

       拟合曲线如下图所示:

6 复阻抗虚部拟 合曲线

由上图 可见,测试值与计算值得到的复阻抗的虚部曲线基本重合。

 

【总结 】

       本文介绍了用高频LCR测试仪器(安捷伦 4285A)和扫频仪测量电路参数,根据测量值推算卡上天线等效电路参数的方法。

主要思路为——将卡上天线自谐振频率与4285A测试结果相结合,求解 联立方程式。

具体操作方法为——利用Excel表格计算功能,进行数值拟合。

根据上述思路,测量、计算了TypeA类卡卡上天线线圈和TypeB类卡卡上天 线线圈的参数。测量精度可以满足电路设计、仿真以及电路性能分析等需求。

 

【参考 文献】

1、   Agilent 4285A Precision LCR Meter Getting Started GuideFourth Edition

2、   Agilent 4285A Precision LCR Meter Operation ManualSixth Edition

 

【作者 简介】

刘颖毕 业于上海交通大学,硕士学位。目前在上海华虹集成电路有限责任公司设计部项目管理组工作,曾担任上 海市交通卡、世博门票芯片等非接触式IC卡的射频接口电路设计工作,以及非接触式 IC读卡机模拟电路设计等工作。