雙模射頻IC卡讀寫器天線設(shè)計(jì)

毛歆杰， 袁 焱， 陳 瑋

（1.上海交通大學(xué)電子電氣與信息工程學(xué)院，上海 200240；2.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

13.56 MHz是目前大多數(shù)非接觸式公交卡、NFC通信技術(shù)的工作頻率.隨著手機(jī)的普及，手機(jī)支付已成為一種大眾消費(fèi)方式.為使SIM卡發(fā)射信號能夠穿透手機(jī)電池和金屬蓋板的阻擋，移動支付采用工作于2.4GHz微波頻段的RF－SIM卡.RFSIM卡將射頻IC卡技術(shù)與手機(jī)SIM卡相結(jié)合，解決了NFC技術(shù)等必須定制手機(jī)的弊端.在實(shí)際應(yīng)用中將工作在上述兩種頻段的天線實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的集成有著十分重要的意義.在無線通訊中高頻13.56 MHz射頻系統(tǒng)［1］的天線實(shí)現(xiàn)為基于電感耦合的線圈.在13.56MHz頻段的電磁波波長約為22.12 m，讀卡器的工作距離設(shè)定約為10cm，故高頻段電磁波的波長遠(yuǎn)大于射頻IC卡系統(tǒng)的識別距離.讀寫器和卡片之間可等效為變壓器耦合方式，與讀寫器相連接的天線相當(dāng)于變壓器模型中的初級線圈，射頻IC卡上的天線相當(dāng)于次級線圈.通常應(yīng)用于該頻段的天線以小型環(huán)形天線為最佳，該小型環(huán)形天線的周長小于1／4波長，約為5.53m.

1 13.56 MHz射頻IC卡讀寫器天線產(chǎn)生的磁場［2］

高頻13.56MHz射頻IC卡系統(tǒng)，所采用的環(huán)形天線在近場下的磁場公式可用畢奧－薩伐爾定律推出.該定律同時(shí)給出了環(huán)形天線上的電流I與天線產(chǎn)生的磁場中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系.圖1為小型環(huán)形天線磁場分布示意圖.

圖1 環(huán)形線圈上的磁場Fig.1 Magnetic field of loop circle

假設(shè)單匝環(huán)形天線線圈上流過的電流是均勻分布的，由畢奧－薩伐爾定律，得

圖1中各電流元的磁感應(yīng)方向可以被分解為垂直方向的dB⊥和平行方向的dB‖.對于環(huán)形線圈，其垂直方向的磁場強(qiáng)度相互抵消，平行方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度互相增強(qiáng).所以圖1中P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

式中，u為真空中的磁導(dǎo)率常數(shù)，u＝4π×10－7H／m.圖1中

當(dāng)天線的匝數(shù)為N時(shí)，沿環(huán)形天線線圈軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

即是環(huán)形天線近場下的磁場公式.根據(jù)該公式可知環(huán)形天線的磁通量密度與工作距離的立方成反比，當(dāng)x增大時(shí)B迅速減小.說明射頻IC卡讀卡器的工作距離是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素.

2 13.56 MHz射頻IC卡線圈上的感應(yīng)電壓

當(dāng)13.56MHz的射頻IC卡放置在讀寫器天線上時(shí)，天線產(chǎn)生的磁場會在IC卡卡片的線圈上產(chǎn)生驅(qū)動其芯片工作的感應(yīng)電壓V.感應(yīng)電壓V的公式［3］為

式中，f為信號頻率；S為標(biāo)簽線圈面積；Q為標(biāo)簽線圈的品質(zhì)因數(shù)；a為磁場和標(biāo)簽的夾角（當(dāng)磁力線垂直穿過標(biāo)簽時(shí)為90°）.

3 高頻13.56 MHz射頻IC卡系統(tǒng)天線的設(shè)計(jì)

3.1 天線電路總體結(jié)構(gòu)

射頻IC卡系統(tǒng)天線部分總體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 讀寫器天線電路總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall design of reader antenna

該系統(tǒng)主要有3部分組成：接收電路，其主要用來接收射頻IC卡發(fā)送的數(shù)據(jù)；濾波和電阻轉(zhuǎn)換電路，其作用是抑制高次諧波并優(yōu)化到讀卡器天線的功率傳輸；天線線圈匹配電路使天線獲得最優(yōu)的性能，天線和讀卡器本身用屏蔽電纜連接.

3.2 射頻13.56 MHz天線尺寸計(jì)算

本系統(tǒng)的射頻IC卡與讀寫器之間數(shù)據(jù)交換使用變壓器原理，描述變壓器的一個(gè)重要的參數(shù)是耦合系數(shù).它可以被定義為與PCD天線和PICC線圈之間的距離以及與PCD天線和PICC線圈的大小有關(guān)的一個(gè)幾何參數(shù).因?yàn)镻ICC的線圈尺寸是固定的，當(dāng)PCD天線和PICC線圈的固定距離等于PCD天線的半徑時(shí)獲得的耦合系數(shù)最大，計(jì)算使用的是環(huán)形的天線.對于一個(gè)完整的設(shè)計(jì)，環(huán)境的影響以及由于應(yīng)用相關(guān)的約束對天線大小的限制也必須要考慮.其實(shí)增加天線的半徑不會自動增加工作距離，從PCD到PICC的能量傳輸是一個(gè)限制因素，它可以用最小的耦合系數(shù)0.3表示，耦合系數(shù)的計(jì)算與PCD天線的所繞的圈數(shù)無關(guān).天線半徑與工作距離之間的關(guān)系見圖3.

圖3 讀寫器天線半徑與工作距離關(guān)系Fig.3 Relationship between antenna radius and working range

如圖3給出了不同天線大小的R／x的大約距離數(shù)據(jù)，當(dāng)天線的半徑為10cm時(shí)，可以獲得最好的R／x距離大于10cm；隨著天線直徑的增大，并不能使工作距離更大.因此本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的天線半徑小于10cm，考慮到在該環(huán)形天線中間需安放一塊矩形的2.4GHz的微波天線，又要使得不影響R／x距離的情況下，盡量使得天線小一些，故取環(huán)形天線的半徑為7.5cm.

3.3 天線接口電路阻抗匹配

對于超過1M以上的頻率，其工作的高頻電壓不是穩(wěn)態(tài)的，如果使用非屏蔽的長導(dǎo)線來傳輸天線接收到的信號會產(chǎn)生不可預(yù)知的效果.如功率反射、阻抗變換以及寄生功率輻射等.他們均是由高頻電壓的電磁波特性決定的.在設(shè)計(jì)中為了更好地控制這些效應(yīng)，將它們的不利影響降到最低，常常采用50Ω的屏蔽電纜和BNC插孔連接天線至高頻控制電路.這樣工程中就存在一個(gè)50Ω阻抗匹配的問題.

3.4 天線品質(zhì)因數(shù)的確定［4］

射頻IC卡讀寫器天線的Q在工程實(shí)踐中會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響.較高的品質(zhì)因數(shù)會使天線中電流強(qiáng)度增大，并由此改善天線對射頻IC卡的傳送功率.但是Q過高也會使天線的傳輸帶寬下降，從而會減弱射頻IC卡接收到的調(diào)制邊帶.讀寫器天線的Q定義為

式中，Lant，Rant為天線的電感和阻抗.通過該品質(zhì)因數(shù)可以計(jì)算出天線的帶寬為

ISO 14443標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定近耦合射頻IC卡系統(tǒng)使用ASK調(diào)制方式，它的波特率是105.9kHz／s，數(shù)據(jù)從讀寫器傳輸?shù)缴漕lIC卡使用脈寬T為3μs的Miller編碼，ASK調(diào)制系統(tǒng)的帶寬與時(shí)間乘積的范圍

則可計(jì)算出讀寫器天線的Q所在的范圍

在一般的工程實(shí)踐中采用的Q為35或者更低.

3.5 環(huán)境的影響

當(dāng)讀寫器工作于環(huán)境噪音較大的情況時(shí)，讀寫器的工作性能會有所下降，最主要表現(xiàn)在射頻IC卡讀卡距離的降低.電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的讀寫器天線附近的金屬會給天線性能帶來負(fù)而影響，磁場不能穿透金屬或其它導(dǎo)磁材料，金屬物的出現(xiàn)會改變讀寫器天線附近磁力線的形狀，導(dǎo)致金屬表面磁通量衰減，讀寫器天線發(fā)出的能量被金屬吸收，讀寫距離減小.這時(shí)對讀寫器天線的朝向稍做改動，或外加接地屏蔽可以減小其影響.

4 雙模讀寫器天線的整合

4.1 2.4 GHz射頻讀寫器天線

2.4 GHz屬于微波頻段，其射頻天線采集部分為偶極子天線.設(shè)計(jì)中讀寫器2.4GHz天線部分采用國民技術(shù)提供的偶極子模塊，配以集成在13.56 MHz天線所在電路板上的處理電路組成.

4.2 與13.56 MHz天線的整合

為了使得雙模讀卡器的天線部分能夠適用于原有閘機(jī)天線罩，在不影響電氣性能的情況下將13.56 MHz天線線圈電路板中間開挖出2.4GHz偶極子天線的空檔，將偶極子天線放置于其中，如圖4所示.

圖4 整合后的天線Fig.4 Finished antenna

2.4 GHz天線采集的數(shù)據(jù)強(qiáng)度較弱，故先將采集并提取的結(jié)果通過濾波放大電路后，經(jīng)RS232數(shù)據(jù)接口送至讀寫器主板以便主控ARM處理.13.56 MHz的天線與信號采集處理電路分離，其天線部分與2.4GHz串口電路共用一塊PCB電路板，信號處理采集電路與讀卡器主板集成在一起.這樣就完成了雙模讀寫器的天線部分硬件電路設(shè)計(jì).值得注意的是之所以兩種頻段天線，采用信號采集處理電路分開在不同的PCB板上的設(shè)計(jì)，完全是射頻EMC決定的.實(shí)際工程中兩組天線雖然工作在不同的頻段，其數(shù)學(xué)原理模型也不盡相同，但是兩組天線在實(shí)際使用的環(huán)境下會產(chǎn)生干擾，尤其是頻段較低的13.56MHz會對2.4GHz產(chǎn)生干擾，此種干擾來自于諧波干擾和信號上升沿幅度過于陡峭所致，系統(tǒng)電磁兼容性（EMC）的研究比較復(fù)雜，本次設(shè)計(jì)在大量的應(yīng)用基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)的方式取得折中的辦法，盡量做到對對方頻率的電路工作不產(chǎn)生影響，但對系統(tǒng)EMC不進(jìn)行理論上的研究.

5 結(jié)束語

在手機(jī)支付普及的過程中RF－SIM卡越來越為業(yè)界所接受，由于RF－SIM卡信號需要穿透手機(jī)電池和金屬背板的阻擋，所以手機(jī)支付工作的頻段是微波2.4GHz.軌道交通地鐵閘機(jī)系統(tǒng)在支持原有13.56MHz射頻IC卡讀寫的同時(shí)也需要支持2.4 GHz天線的安裝，本文結(jié)合了兩種不同制式的射頻天線，設(shè)計(jì)完成了雙模射頻IC卡讀寫器天線設(shè)計(jì)，有著實(shí)際意義.

［1］ Baddel D.ISO／IEC JTC1／SC17／WG8，ISO／IEC 14443，Identification cards contactless integrated circuit（s）.Paris：ISO，1999.

［2］ 李寶山.無源高頻RFID系統(tǒng)讀寫器天線的設(shè)計(jì)［J］.無線電工程，2008（5）：35－38.

［3］ 杜雪亮.無源電感耦合射頻識別系統(tǒng)天線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化［J］.江南大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，3（6）：566－569.

［4］ 尹寒，陳峰.近耦合射頻識別系統(tǒng)的工作原理及天線設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2002（1）：27－30.