多種天線集成優化設計影響因素及實際應用

2020-11-24 電子發燒友

多種天線集成優化設計影響因素及實際應用

佚名 發表於 2017-12-06 11:21:12

最近幾年，非接觸式智慧卡已越來越多地應用於支付和識別領域。除了當前智慧卡使用最為廣泛的公交行業之外，越來越多的國家開始考慮將非接觸式應用推廣至其他全國性項目。鑑於非接觸式智慧卡應用的全球性增長，同時考慮到不同產品的技術要求以及終端客戶的不同需求，設計滿足不同應用需求的智慧卡天線則成了一項極富挑戰性的工作。本文將討論智慧卡天線設計過程中需要考慮的各種因素，以及在不同應用領域中面臨的挑戰。

智慧卡天線設計需要考慮的因素

智慧卡天線是一種電氣組件，可通過讀卡器產生的射頻（RF）磁場的電磁感應，向智慧卡集成電路（IC）供電。它同時也是智慧卡IC與讀卡器之間的通訊媒介。設計不當的天線會極大地降低IC卡的性能，而設計合理的天線則會幫助IC卡實現其設計的最佳性能，實現以下特性：

符合ISO/IEC 14443/10373-6規定的工作場域和負載調製要求

符合PayPass-ISO/IEC 14443執行規範- V1.1 和 EMV非接觸式通訊協議規範V2.0相關要求, 兼容現有通過認證的讀寫器優化工作距離：為指定應用帶來最佳工作距離，而不影響智慧卡功能支持多卡，即使這些卡相互疊放

天線在卡中的準確定位：為了保證智慧卡與採用小型天線的讀卡器協同應用，天線必須設計在卡上的一個特定的區域內。因為只有這樣，智慧卡和讀卡器的天線才能實現預定的磁耦合。

 

 

圖題：雙接口非接觸式智慧卡的典型構造

additional overlay-coating foil, thickness 50-100um：附加覆蓋層，厚度50-100微米

printed overlay foil, thickness 100-150um：印刷覆蓋層，厚度100-150微米

basic foil with coil: 200-300um, PVC, surface glueless：帶線圈的基層：200-300微米，PVC材質，脫膠表面

Module: 540um total thickness：模塊：總厚度540微米

在智慧卡天線設計中需要考慮三個會影響卡諧振頻率的主要元器件。為了使智慧卡的工作距離和RF通訊穩定性等性能指標達到最佳狀態，必須充分考慮到這些元器件的影響。

集成電路(IC)

這是核心部分，晶片的輸入電容和最小工作電壓將決定智慧卡的最大工作距離和多卡同時工作等特性。

IC模塊

智慧卡IC置於模塊之內。模塊使得IC易於處理，同時保護IC免受到外來壓力（如過度彎折等）和紫外線的損害。另外模塊設計擴大了天線連接區域，為採用不同的天線連接方式提供了方便。在智慧卡封裝工序中，模塊比裸裝的IC更常使用。從電氣角度看，模塊給IC卡的諧振電路增加了額外的電容。

智慧卡封裝材料

由於其介電性能，封裝材料也為最終IC卡的諧振電路增加了額外的電容。智慧卡天線設計及其對特定應用領域的影響良好設計的智慧卡天線是否就可以適合所有的應用領域而不會發生任何小故障？事實並非如此。仔細設計的天線對非接觸應用產品的綜合性能具有極其重要的作用，但是不同的應用其技術要求完全不同。因此，要設計出一款通用天線，是一項極富挑戰性的工作。以下內容將簡要描述一些典型應用中面臨的挑戰。

支付應用

卡和讀卡系統之間的臨界耦合效應當讀卡器比智慧卡小時，RF 通訊就遇到了挑戰。出於簡化和設計方便的考慮，目前流行的標準是將非接觸式讀卡器設計得儘可能小，儘可能緊湊。這意味著讀卡器的天線要小於一般常見的ID1 的尺寸。然而，由於業內普遍接受的大多數支付卡（例如Visawave, Paywave, JCB）仍然執行ISO/IEC 7810 標準(ID1,85mm*54mm)的規定製式，使用較小尺寸的讀卡器就對RF 通訊提出了挑戰。

以上情形導致卡和讀卡器系統之間產生臨界耦合效應，這種臨界耦合效應通常會使卡和讀卡器之間的RF 通訊變得極不穩定。儘管看似不合理，但這種耦合效應確實有違基本的邏輯，即，卡離讀卡器越近，耦合效應就越強！

但是，採用如下一些方法，可以最大限度減輕這個問題的影響：

為了克服因卡片天線和讀卡器天線的尺寸不匹配而造成的負面影響，一種方法是設計者可以調整卡片天線和讀卡器天線的尺寸，使得讀卡器天線的尺寸比卡片天線的大。根據支付系統的限制條件，可對讀卡器天線加以調整或者改變智慧卡天線的設計。事實上，尺寸只有ID1 一半的支付卡在市場上已經越來越普遍。這種方法雖然解決了上述難題，但它也帶來了其他問題。這些尺寸只有ID1 一半的卡很難滿足ISO14443 規定的關於最小負載的調製要求。儘管如此，業內已經找到一些採用較小外形尺寸（ID1/2 和ID1/3），並滿足ISO14443 規定的負載調製限制的設計方案。

改變卡片天線的設計（例如感應係數、線圈材料等）以達到調整Q 值或諧振頻率的目的。如果線圈的Q 值較低，它傳遞給卡的能量耦合就比較小，將卡去諧以獲得較高的諧振頻率也會取得同樣效果。這兩種方法都可以減少卡片天線和讀卡器天線之間的相互影響，進而降低他們之間的耦合效應。這種方法的好處是不需要改變讀卡器的設計，可以避免因讀卡器系統升級而帶來的高昂成本。當然，這種方法的缺陷是不能完全滿足某些項目對於工作距離的要求。儘管不能完全解決問題，但這種方法仍然可以大幅降低耦合效應的負面影響。

電磁幹擾（EMD）

設計者面臨的另外一個問題是電磁幹擾（EMD）。作為一種無源設備，非接觸式智慧卡從讀卡器產生的RF 場獲取全部能量。IC 在進行內部操作期間，例如進行密碼計算、EEPROM 編程等操作時，會對向其供應能量的RF 場產生電磁幹擾（EMD），這種幹擾會使讀卡器的接收電路偵測到「虛假的」通訊信息，從而在卡和讀卡器系統之間引起通訊問題。卡離讀卡器越近，這種影響就越大。雖然通過對卡片天線系統的微調可以部分減輕幹擾(例如調整線圈的調諧電感)，但是不能完全解決問題。通過對IC 時鐘技術的改進，包括內置硬體EMD 抑制機制，這個問題現在已經基本得到解決。

公交應用

公交行業是最早採用非接觸式技術的行業之一，但因其大多數讀卡設施都是六七年前安裝的，有些甚至是在ISO14443 標準制訂之前安裝的，因此設施都相當陳舊。該領域面臨的主要挑戰是不符合相關標準。公交行業的部分陳舊的讀卡器生成的調製參數不能完全符合ISO14443 標準，從而在卡和讀卡器之間產生業內所稱的通訊「漏洞」。ISO14443 標準分別為卡和讀卡器規定了相應的RF 參數。這些參數給出了指定RF 信號的工作範圍，保證卡和讀卡器在滿足這些參數要求時可以達到互通性。因此，如果讀卡器產生的調製RF 參數超出了ISO 標準規定的範圍，就很難實現讀卡器和卡之間的互通性。上面所討論的參數與 ISO 標準不相符的問題，通常與ISO14443 標準所定義的「暫停形態」的生成相關，一般表現為讀卡器波形的上升時間、下降時間、過衝信號和殘餘載波等指標不符合規定。優化卡片天線的設計並不能完全解決這些問題，因此更可靠的解決辦法是更換那些過時的讀卡器，代之以新的符合ISO 標準的設備，但這種選擇不一定能夠實現，因為更換所有正在使用的設施代價高昂，在某些情況下也不一定可行。

因此，可行的解決方案是改善非接觸式智慧卡IC 的設計，使其具有超強的容錯能力，以適應這些與ISO 標準不相符的讀卡系統。

身份識別應用

近些年來，政府實施的身份識別工程已成為非接觸式技術發展的主要推動力，也促使業內更加關注ISO 標準的實施，強調卡與讀卡器系統的互通性。

前面討論過的有關支付應用的問題在身份識別應用中也同樣存在，政府的身份識別系統與其他系統的區別在於，政府已經與業內的主要機構一起開發出基於該應用的標準，例如ICAO LDS，RF 協議測試等，並且在整個產業鏈中得到嚴格的遵循和推廣。電子護照的鑲嵌設計的總體框架由ICAO 「電子護照RF 協議與應用測試標準-第2 部分」（1 類天線）加以規範。

這些標準與美國有關電子護照的強制性規定一起，有效地保證了卡與讀卡器系統之間的互通性和一致性，迫使那些參與的國家加速實施其電子護照工程。幾年以來，參加美國「籤證互免計劃」（Visa Waiver Program）的大多數國家都一直在積極參與ICAO 電子護照互通性測試和跨國界的試驗性項目，這就為非接觸式讀卡器、inlay 以及晶片的製造商提供了一個平臺，使他們可以一起制訂共同的標準，並解決該特殊領域中面臨的互通性問題。

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