多種天線集成在一張卡優(yōu)化設(shè)計(jì)

最近幾年，非接觸式智能卡已越來(lái)越多地應(yīng)用于支付和識(shí)別領(lǐng)域。除了當(dāng)前智能卡使用最為廣泛的公交行業(yè)之外，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始考慮將非接觸式應(yīng)用推廣至其他全國(guó)性項(xiàng)目。鑒于非接觸式智能卡應(yīng)用的全球性增長(zhǎng)，同時(shí)考慮到不同產(chǎn)品的技術(shù)要求以及終端客戶的不同需求，設(shè)計(jì)滿足不同應(yīng)用需求的智能卡天線則成了一項(xiàng)極富挑戰(zhàn)性的工作。本文將討論智能卡天線設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的各種因素，以及在不同應(yīng)用領(lǐng)域中面臨的挑戰(zhàn)。

智能卡天線設(shè)計(jì)需要考慮的因素

智能卡天線是一種電氣組件，可通過(guò)讀卡器產(chǎn)生的射頻（RF）磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)，向智能卡集成電路（IC）供電。它同時(shí)也是智能卡IC與讀卡器之間的通訊媒介。設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)奶炀€會(huì)極大地降低IC卡的性能，而設(shè)計(jì)合理的天線則會(huì)幫助IC卡實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)的最佳性能，實(shí)現(xiàn)以下特性：

符合ISO/IEC 14443/10373-6規(guī)定的工作場(chǎng)域和負(fù)載調(diào)制要求
符合PayPass-ISO/IEC 14443執(zhí)行規(guī)范- V1.1 和 EMV非接觸式通訊協(xié)議規(guī)范V2.0相關(guān)要求, 兼容現(xiàn)有通過(guò)認(rèn)證的讀寫(xiě)器
優(yōu)化工作距離：為指定應(yīng)用帶來(lái)最佳工作距離，而不影響智能卡功能
支持多卡，即使這些卡相互疊放

天線在卡中的準(zhǔn)確定位：為了保證智能卡與采用小型天線的讀卡器協(xié)同應(yīng)用，天線必須設(shè)計(jì)在卡上的一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)。因?yàn)橹挥羞@樣，智能卡和讀卡器的天線才能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的磁耦合。

圖題：雙接口非接觸式智能卡的典型構(gòu)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(zhì)，脫膠表面
Module: 540um total thickness：模塊：總厚度540微米

在智能卡天線設(shè)計(jì)中需要考慮三個(gè)會(huì)影響卡諧振頻率的主要元器件。為了使智能卡的工作距離和RF通訊穩(wěn)定性等性能指標(biāo)達(dá)到最佳狀態(tài)，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，芯片的輸入電容和最小工作電壓將決定智能卡的最大工作距離和多卡同時(shí)工作等特性。

IC模塊

智能卡IC置于模塊之內(nèi)。模塊使得IC易于處理，同時(shí)保護(hù)IC免受到外來(lái)壓力（如過(guò)度彎折等）和紫外線的損害。另外模塊設(shè)計(jì)擴(kuò)大了天線連接區(qū)域，為采用不同的天線連接方式提供了方便。在智能卡封裝工序中，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。

智能卡封裝材料

由于其介電性能，封裝材料也為最終IC卡的諧振電路增加了額外的電容。智能卡天線設(shè)計(jì)及其對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域的影響良好設(shè)計(jì)的智能卡天線是否就可以適合所有的應(yīng)用領(lǐng)域而不會(huì)發(fā)生任何小故障？事實(shí)并非如此。仔細(xì)設(shè)計(jì)的天線對(duì)非接觸應(yīng)用產(chǎn)品的綜合性能具有極其重要的作用，但是不同的應(yīng)用其技術(shù)要求完全不同。因此，要設(shè)計(jì)出一款通用天線，是一項(xiàng)極富挑戰(zhàn)性的工作。以下內(nèi)容將簡(jiǎn)要描述一些典型應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)。

支付應(yīng)用

卡和讀卡系統(tǒng)之間的臨界耦合效應(yīng)當(dāng)讀卡器比智能卡小時(shí)，RF 通訊就遇到了挑戰(zhàn)。出于簡(jiǎn)化和設(shè)計(jì)方便的考慮，目前流行的標(biāo)準(zhǔn)是將非接觸式讀卡器設(shè)計(jì)得盡可能小，盡可能緊湊。這意味著讀卡器的天線要小于一般常見(jiàn)的ID1 的尺寸。然而，由于業(yè)內(nèi)普遍接受的大多數(shù)支付卡（例如Visawave, Paywave, JCB）仍然執(zhí)行ISO/IEC 7810 標(biāo)準(zhǔn)(ID1,85mm*54mm)的規(guī)定制式，使用較小尺寸的讀卡器就對(duì)RF 通訊提出了挑戰(zhàn)。

以上情形導(dǎo)致卡和讀卡器系統(tǒng)之間產(chǎn)生臨界耦合效應(yīng)，這種臨界耦合效應(yīng)通常會(huì)使卡和讀卡器之間的RF 通訊變得極不穩(wěn)定。盡管看似不合理，但這種耦合效應(yīng)確實(shí)有違基本的邏輯，即，卡離讀卡器越近，耦合效應(yīng)就越強(qiáng)！

但是，采用如下一些方法，可以最大限度減輕這個(gè)問(wèn)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(fù)面影響，一種方法是設(shè)計(jì)者可以調(diào)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(jù)支付系統(tǒng)的限制條件，可對(duì)讀卡器天線加以調(diào)整或者改變智能卡天線的設(shè)計(jì)。事實(shí)上，尺寸只有ID1 一半的支付卡在市場(chǎng)上已經(jīng)越來(lái)越普遍。這種方法雖然解決了上述難題，但它也帶來(lái)了其他問(wèn)題。這些尺寸只有ID1 一半的卡很難滿足ISO14443 規(guī)定的關(guān)于最小負(fù)載的調(diào)制要求。盡管如此，業(yè)內(nèi)已經(jīng)找到一些采用較小外形尺寸（ID1/2 和ID1/3），并滿足ISO14443 規(guī)定的負(fù)載調(diào)制限制的設(shè)計(jì)方案。

改變卡片天線的設(shè)計(jì)（例如感應(yīng)系數(shù)、線圈材料等）以達(dá)到調(diào)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(huì)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(jìn)而降低他們之間的耦合效應(yīng)。這種方法的好處是不需要改變讀卡器的設(shè)計(jì)，可以避免因讀卡器系統(tǒng)升級(jí)而帶來(lái)的高昂成本。當(dāng)然，這種方法的缺陷是不能完全滿足某些項(xiàng)目對(duì)于工作距離的要求。盡管不能完全解決問(wèn)題，但這種方法仍然可以大幅降低耦合效應(yīng)的負(fù)面影響。

電磁干擾（EMD）

設(shè)計(jì)者面臨的另外一個(gè)問(wèn)題是電磁干擾（EMD）。作為一種無(wú)源設(shè)備，非接觸式智能卡從讀卡器產(chǎn)生的RF 場(chǎng)獲取全部能量。IC 在進(jìn)行內(nèi)部操作期間，例如進(jìn)行密碼計(jì)算、EEPROM 編程等操作時(shí)，會(huì)對(duì)向其供應(yīng)能量的RF 場(chǎng)產(chǎn)生電磁干擾（EMD），這種干擾會(huì)使讀卡器的接收電路偵測(cè)到“虛假的”通訊信息，從而在卡和讀卡器系統(tǒng)之間引起通訊問(wèn)題。卡離讀卡器越近，這種影響就越大。雖然通過(guò)對(duì)卡片天線系統(tǒng)的微調(diào)可以部分減輕干擾(例如調(diào)整線圈的調(diào)諧電感)，但是不能完全解決問(wèn)題。通過(guò)對(duì)IC 時(shí)鐘技術(shù)的改進(jìn)，包括內(nèi)置硬件EMD 抑制機(jī)制，這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在已經(jīng)基本得到解決。
公交應(yīng)用

公交行業(yè)是最早采用非接觸式技術(shù)的行業(yè)之一，但因其大多數(shù)讀卡設(shè)施都是六七年前安裝的，有些甚至是在ISO14443 標(biāo)準(zhǔn)制訂之前安裝的，因此設(shè)施都相當(dāng)陳舊。該領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)是不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。公交行業(yè)的部分陳舊的讀卡器生成的調(diào)制參數(shù)不能完全符合ISO14443 標(biāo)準(zhǔn)，從而在卡和讀卡器之間產(chǎn)生業(yè)內(nèi)所稱的通訊“漏洞”。ISO14443 標(biāo)準(zhǔn)分別為卡和讀卡器規(guī)定了相應(yīng)的RF 參數(shù)。這些參數(shù)給出了指定RF 信號(hào)的工作范圍，保證卡和讀卡器在滿足這些參數(shù)要求時(shí)可以達(dá)到互通性。因此，如果讀卡器產(chǎn)生的調(diào)制RF 參數(shù)超出了ISO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，就很難實(shí)現(xiàn)讀卡器和卡之間的互通性。上面所討論的參數(shù)與 ISO 標(biāo)準(zhǔn)不相符的問(wèn)題，通常與ISO14443 標(biāo)準(zhǔn)所定義的“暫停形態(tài)”的生成相關(guān)，一般表現(xiàn)為讀卡器波形的上升時(shí)間、下降時(shí)間、過(guò)沖信號(hào)和殘余載波等指標(biāo)不符合規(guī)定。優(yōu)化卡片天線的設(shè)計(jì)并不能完全解決這些問(wèn)題，因此更可靠的解決辦法是更換那些過(guò)時(shí)的讀卡器，代之以新的符合ISO 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，但這種選擇不一定能夠?qū)崿F(xiàn)，因?yàn)楦鼡Q所有正在使用的設(shè)施代價(jià)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能卡IC 的設(shè)計(jì)，使其具有超強(qiáng)的容錯(cuò)能力，以適應(yīng)這些與ISO 標(biāo)準(zhǔn)不相符的讀卡系統(tǒng)。

身份識(shí)別應(yīng)用

近些年來(lái)，政府實(shí)施的身份識(shí)別工程已成為非接觸式技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力，也促使業(yè)內(nèi)更加關(guān)注ISO 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，強(qiáng)調(diào)卡與讀卡器系統(tǒng)的互通性。

前面討論過(guò)的有關(guān)支付應(yīng)用的問(wèn)題在身份識(shí)別應(yīng)用中也同樣存在，政府的身份識(shí)別系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的區(qū)別在于，政府已經(jīng)與業(yè)內(nèi)的主要機(jī)構(gòu)一起開(kāi)發(fā)出基于該應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，例如ICAO LDS，RF 協(xié)議測(cè)試等，并且在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中得到嚴(yán)格的遵循和推廣。電子護(hù)照的鑲嵌設(shè)計(jì)的總體框架由ICAO “電子護(hù)照RF 協(xié)議與應(yīng)用測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)-第2 部分”（1 類天線）加以規(guī)范。

這些標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)有關(guān)電子護(hù)照的強(qiáng)制性規(guī)定一起，有效地保證了卡與讀卡器系統(tǒng)之間的互通性和一致性，迫使那些參與的國(guó)家加速實(shí)施其電子護(hù)照工程。幾年以來(lái)，參加美國(guó)“簽證互免計(jì)劃”（Visa Waiver Program）的大多數(shù)國(guó)家都一直在積極參與ICAO 電子護(hù)照互通性測(cè)試和跨國(guó)界的試驗(yàn)性項(xiàng)目，這就為非接觸式讀卡器、inlay 以及芯片的制造商提供了一個(gè)平臺(tái)，使他們可以一起制訂共同的標(biāo)準(zhǔn)，并解決該特殊領(lǐng)域中面臨的互通性問(wèn)題。