雙模射頻IC卡讀寫器天線設計

毛歆杰， 袁 焱， 陳 瑋

（1.上海交通大學電子電氣與信息工程學院，上海 200240；2.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

13.56 MHz是目前大多數非接觸式公交卡、NFC通信技術的工作頻率.隨著手機的普及，手機支付已成為一種大眾消費方式.為使SIM卡發射信號能夠穿透手機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卡技術與手機SIM卡相結合，解決了NFC技術等必須定制手機的弊端.在實際應用中將工作在上述兩種頻段的天線實現產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［1］的天線實現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定約為10cm，故高頻段電磁波的波長遠大于射頻IC卡系統的識別距離.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于變壓器模型中的初級線圈，射頻IC卡上的天線相當于次級線圈.通常應用于該頻段的天線以小型環形天線為最佳，該小型環形天線的周長小于1／4波長，約為5.53m.

1 13.56 MHz射頻IC卡讀寫器天線產生的磁場［2］

高頻13.56MHz射頻IC卡系統，所采用的環形天線在近場下的磁場公式可用畢奧－薩伐爾定律推出.該定律同時給出了環形天線上的電流I與天線產生的磁場中的磁感應強度B之間的關系.圖1為小型環形天線磁場分布示意圖.

圖1 環形線圈上的磁場Fig.1 Magnetic field of loop circle

假設單匝環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方向可以被分解為垂直方向的dB⊥和平行方向的dB‖.對于環形線圈，其垂直方向的磁場強度相互抵消，平行方向的磁感應強度互相增強.所以圖1中P點的磁感應強度為

式中，u為真空中的磁導率常數，u＝4π×10－7H／m.圖1中

當天線的匝數為N時，沿環形天線線圈軸方向的磁感應強度為

即是環形天線近場下的磁場公式.根據該公式可知環形天線的磁通量密度與工作距離的立方成反比，當x增大時B迅速減小.說明射頻IC卡讀卡器的工作距離是系統設計時考慮的主要因素.

2 13.56 MHz射頻IC卡線圈上的感應電壓

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

式中，f為信號頻率；S為標簽線圈面積；Q為標簽線圈的品質因數；a為磁場和標簽的夾角（當磁力線垂直穿過標簽時為90°）.

3 高頻13.56 MHz射頻IC卡系統天線的設計

3.1 天線電路總體結構

射頻IC卡系統天線部分總體電路結構如圖2所示.

圖2 讀寫器天線電路總體結構Fig.2 Overall design of reader antenna

該系統主要有3部分組成：接收電路，其主要用來接收射頻IC卡發送的數據；濾波和電阻轉換電路，其作用是抑制高次諧波并優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天線尺寸計算

本系統的射頻IC卡與讀寫器之間數據交換使用變壓器原理，描述變壓器的一個重要的參數是耦合系數.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線圈的大小有關的一個幾何參數.因為PICC的線圈尺寸是固定的，當PCD天線和PICC線圈的固定距離等于PCD天線的半徑時獲得的耦合系數最大，計算使用的是環形的天線.對于一個完整的設計，環境的影響以及由于應用相關的約束對天線大小的限制也必須要考慮.其實增加天線的半徑不會自動增加工作距離，從PCD到PICC的能量傳輸是一個限制因素，它可以用最小的耦合系數0.3表示，耦合系數的計算與PCD天線的所繞的圈數無關.天線半徑與工作距離之間的關系見圖3.

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

如圖3給出了不同天線大小的R／x的大約距離數據，當天線的半徑為10cm時，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.因此本系統所設計的天線半徑小于10cm，考慮到在該環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態的，如果使用非屏蔽的長導線來傳輸天線接收到的信號會產生不可預知的效果.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.在設計中為了更好地控制這些效應，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50Ω阻抗匹配的問題.

3.4 天線品質因數的確定［4］

射頻IC卡讀寫器天線的Q在工程實踐中會對系統性能產生影響.較高的品質因數會使天線中電流強度增大，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.通過該品質因數可以計算出天線的帶寬為

ISO 14443標準規定近耦合射頻IC卡系統使用ASK調制方式，它的波特率是105.9kHz／s，數據從讀寫器傳輸到射頻IC卡使用脈寬T為3μs的Miller編碼，ASK調制系統的帶寬與時間乘積的范圍

則可計算出讀寫器天線的Q所在的范圍

在一般的工程實踐中采用的Q為35或者更低.

3.5 環境的影響

當讀寫器工作于環境噪音較大的情況時，讀寫器的工作性能會有所下降，最主要表現在射頻IC卡讀卡距離的降低.電感耦合式射頻識別系統的讀寫器天線附近的金屬會給天線性能帶來負而影響，磁場不能穿透金屬或其它導磁材料，金屬物的出現會改變讀寫器天線附近磁力線的形狀，導致金屬表面磁通量衰減，讀寫器天線發出的能量被金屬吸收，讀寫距離減小.這時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.設計中讀寫器2.4GHz天線部分采用國民技術提供的偶極子模塊，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天線采集的數據強度較弱，故先將采集并提取的結果通過濾波放大電路后，經RS232數據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計.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板上的設計，完全是射頻EMC決定的.實際工程中兩組天線雖然工作在不同的頻段，其數學原理模型也不盡相同，但是兩組天線在實際使用的環境下會產生干擾，尤其是頻段較低的13.56MHz會對2.4GHz產生干擾，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，系統電磁兼容性（EMC）的研究比較復雜，本次設計在大量的應用基礎上通過實驗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生影響，但對系統EMC不進行理論上的研究.

5 結束語

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

［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系統讀寫器天線的設計［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天線的設計和優化［J］.江南大學學報，2006，3（6）：566－569.

［4］ 尹寒，陳峰.近耦合射頻識別系統的工作原理及天線設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2002（1）：27－30.