多種天線集成在一張卡優(yōu)化設計

最近幾年，非接觸式智能卡已越來越多地應用于支付和識別領域。除了當前智能卡使用最為廣泛的公交行業(yè)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。鑒于非接觸式智能卡應用的全球性增長，同時考慮到不同產(chǎn)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能卡天線則成了一項極富挑戰(zhàn)性的工作。本文將討論智能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(zhàn)。

智能卡天線設計需要考慮的因素

智能卡天線是一種電氣組件，可通過讀卡器產(chǎn)生的射頻（RF）磁場的電磁感應，向智能卡集成電路（IC）供電。它同時也是智能卡IC與讀卡器之間的通訊媒介。設計不當?shù)奶炀€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(xiàn)其設計的最佳性能，實現(xiàn)以下特性：

符合ISO/IEC 14443/10373-6規(guī)定的工作場域和負載調制要求
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相關要求, 兼容現(xiàn)有通過認證的讀寫器
優(yōu)化工作距離：為指定應用帶來最佳工作距離，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)同應用，天線必須設計在卡上的一個特定的區(qū)域內。因為只有這樣，智能卡和讀卡器的天線才能實現(xiàn)預定的磁耦合。

圖題：雙接口非接觸式智能卡的典型構造

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

在智能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。為了使智能卡的工作距離和RF通訊穩(wěn)定性等性能指標達到最佳狀態(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工作等特性。

IC模塊

智能卡IC置于模塊之內。模塊使得IC易于處理，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(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。智能卡天線設計及其對特定應用領域的影響良好設計的智能卡天線是否就可以適合所有的應用領域而不會發(fā)生任何小故障？事實并非如此。仔細設計的天線對非接觸應用產(chǎn)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(zhàn)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(zhàn)。

支付應用

卡和讀卡系統(tǒng)之間的臨界耦合效應當讀卡器比智能卡小時，RF 通訊就遇到了挑戰(zhàn)。出于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的ID1 的尺寸。然而，由于業(yè)內普遍接受的大多數(shù)支付卡（例如Visawave, Paywave, JCB）仍然執(zhí)行ISO/IEC 7810 標準(ID1,85mm*54mm)的規(guī)定制式，使用較小尺寸的讀卡器就對RF 通訊提出了挑戰(zhàn)。

以上情形導致卡和讀卡器系統(tǒng)之間產(chǎn)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(wěn)定。盡管看似不合理，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，采用如下一些方法，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(jù)支付系統(tǒng)的限制條件，可對讀卡器天線加以調整或者改變智能卡天線的設計。事實上，尺寸只有ID1 一半的支付卡在市場上已經(jīng)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(guī)定的關于最小負載的調制要求。盡管如此，業(yè)內已經(jīng)找到一些采用較小外形尺寸（ID1/2 和ID1/3），并滿足ISO14443 規(guī)定的負載調制限制的設計方案。

改變卡片天線的設計（例如感應系數(shù)、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(tǒng)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于工作距離的要求。盡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。

電磁干擾（EMD）

設計者面臨的另外一個問題是電磁干擾（EMD）。作為一種無源設備，非接觸式智能卡從讀卡器產(chǎn)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(chǎn)生電磁干擾（EMD），這種干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(tǒng)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(tǒng)的微調可以部分減輕干擾(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，包括內置硬件EMD 抑制機制，這個問題現(xiàn)在已經(jīng)基本得到解決。
公交應用

公交行業(yè)是最早采用非接觸式技術的行業(yè)之一，但因其大多數(shù)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(zhàn)是不符合相關標準。公交行業(yè)的部分陳舊的讀卡器生成的調制參數(shù)不能完全符合ISO14443 標準，從而在卡和讀卡器之間產(chǎn)生業(yè)內所稱的通訊“漏洞”。ISO14443 標準分別為卡和讀卡器規(guī)定了相應的RF 參數(shù)。這些參數(shù)給出了指定RF 信號的工作范圍，保證卡和讀卡器在滿足這些參數(shù)要求時可以達到互通性。因此，如果讀卡器產(chǎn)生的調制RF 參數(shù)超出了ISO 標準規(guī)定的范圍，就很難實現(xiàn)讀卡器和卡之間的互通性。上面所討論的參數(shù)與 ISO 標準不相符的問題，通常與ISO14443 標準所定義的“暫停形態(tài)”的生成相關，一般表現(xiàn)為讀卡器波形的上升時間、下降時間、過沖信號和殘余載波等指標不符合規(guī)定。優(yōu)化卡片天線的設計并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(xiàn)，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能卡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(tǒng)。

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(fā)展的主要推動力，也促使業(yè)內更加關注ISO 標準的實施，強調卡與讀卡器系統(tǒng)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(tǒng)與其他系統(tǒng)的區(qū)別在于，政府已經(jīng)與業(yè)內的主要機構一起開發(fā)出基于該應用的標準，例如ICAO LDS，RF 協(xié)議測試等，并且在整個產(chǎn)業(yè)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(xié)議與應用測試標準-第2 部分”（1 類天線）加以規(guī)范。

這些標準與美國有關電子護照的強制性規(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，迫使那些參與的國家加速實施其電子護照工程。幾年以來，參加美國“簽證互免計劃”（Visa Waiver Program）的大多數(shù)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 以及芯片的制造商提供了一個平臺，使他們可以一起制訂共同的標準，并解決該特殊領域中面臨的互通性問題。