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        雙模射頻IC卡讀寫(xiě)器天線設(shè)計(jì)

        2012-03-26 09:30:14毛歆杰

        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(hào)能夠穿透手機(jī)電池和金屬蓋板的阻擋,移動(dòng)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)遠(yuǎn)大于射頻IC卡系統(tǒng)的識(shí)別距離.讀寫(xiě)器和卡片之間可等效為變壓器耦合方式,與讀寫(xiě)器相連接的天線相當(dāng)于變壓器模型中的初級(jí)線圈,射頻IC卡上的天線相當(dāng)于次級(jí)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(zhǎng)小于1/4波長(zhǎng),約為5.53m.

        1 13.56 MHz射頻IC卡讀寫(xiě)器天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)[2]

        高頻13.56MHz射頻IC卡系統(tǒng),所采用的環(huán)形天線在近場(chǎng)下的磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)分布示意圖.

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

        假設(shè)單匝環(huán)形天線線圈上流過(guò)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(duì)于環(huán)形線圈,其垂直方向的磁場(chǎng)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(chǎng)下的磁場(chǎng)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(shuō)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(xiě)器天線上時(shí),天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)在IC卡卡片的線圈上產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)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(hào)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(chǎng)和標(biāo)簽的夾角(當(dāng)磁力線垂直穿過(guò)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(xiě)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(lái)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(xiě)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(duì)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(duì)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(huì)自動(dòng)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(wú)關(guān).天線半徑與工作距離之間的關(guān)系見(jiàn)圖3.

        圖3 讀寫(xiě)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(duì)于超過(guò)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(zhǎng)導(dǎo)線來(lái)傳輸天線接收到的信號(hào)會(huì)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(wèn)題.

        3.4 天線品質(zhì)因數(shù)的確定[4]

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

        式中,Lant,Rant為天線的電感和阻抗.通過(guò)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(xiě)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(xiě)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(xiě)器工作于環(huán)境噪音較大的情況時(shí),讀寫(xiě)器的工作性能會(huì)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(shí)別系統(tǒng)的讀寫(xiě)器天線附近的金屬會(huì)給天線性能帶來(lái)負(fù)而影響,磁場(chǎng)不能穿透金屬或其它導(dǎo)磁材料,金屬物的出現(xiàn)會(huì)改變讀寫(xiě)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(xiě)器天線發(fā)出的能量被金屬吸收,讀寫(xiě)距離減小.這時(shí)對(duì)讀寫(xiě)器天線的朝向稍做改動(dòng),或外加接地屏蔽可以減小其影響.

        4 雙模讀寫(xiě)器天線的整合

        4.1 2.4 GHz射頻讀寫(xiě)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(xiě)器2.4GHz天線部分采用國(guó)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(kāi)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(guò)濾波放大電路后,經(jīng)RS232數(shù)據(jù)接口送至讀寫(xiě)器主板以便主控ARM處理.13.56 MHz的天線與信號(hào)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(hào)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(xiě)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(hào)采集處理電路分開(kāi)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(huì)產(chǎn)生干擾,尤其是頻段較低的13.56MHz會(huì)對(duì)2.4GHz產(chǎn)生干擾,此種干擾來(lái)自于諧波干擾和信號(hào)上升沿幅度過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)的方式取得折中的辦法,盡量做到對(duì)對(duì)方頻率的電路工作不產(chǎn)生影響,但對(duì)系統(tǒng)EMC不進(jìn)行理論上的研究.

        5 結(jié)束語(yǔ)

        在手機(jī)支付普及的過(guò)程中RF-SIM卡越來(lái)越為業(yè)界所接受,由于RF-SIM卡信號(hào)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(xiě)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(xiě)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(wú)源高頻RFID系統(tǒng)讀寫(xiě)器天線的設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2008(5):35-38.

        [3] 杜雪亮.無(wú)源電感耦合射頻識(shí)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(shí)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.

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