摘  要： 實(shí)現(xiàn)了一種基于MP300讀卡器電路的射頻前端電路仿真模型。通過對讀卡器的發(fā)射線圈及場強(qiáng)標(biāo)定線圈等進(jìn)行分析和建模，結(jié)合ISO14443對RFID模擬前端電路的要求，搭建了與測試條件高度吻合的仿真電路模型。模型中射頻發(fā)射線圈、場強(qiáng)標(biāo)定線圈及標(biāo)簽線圈之間的電磁耦合用耦合系數(shù)k表示。經(jīng)測試驗(yàn)證，該仿真模型在1.5 A/m~7.5 A/m場強(qiáng)下對待測卡片電源獲取、時(shí)鐘獲取、信號解調(diào)、信號調(diào)制及信號串?dāng)_等方面的仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果的一致性較好，能幫助模擬前端芯片設(shè)計(jì)快速收斂至設(shè)計(jì)目標(biāo)。
關(guān)鍵詞： 13.56 MHz標(biāo)簽; 仿真模型; 場強(qiáng)標(biāo)定; 串?dāng)_仿真

    隨著IC卡安全技術(shù)的不斷進(jìn)步，13.56 MHz的IC卡應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加。近年來銀行卡等金融領(lǐng)域已經(jīng)開始試點(diǎn)13.56 MHz非接觸IC卡的使用。13.56 MHz非接觸IC卡為無源卡，卡片不但需要從讀卡器的磁場中獲取電源、時(shí)鐘，還需要在磁場中完成較高速率的數(shù)據(jù)通信(最大848 kb/s)[1]。由于卡片電路功耗、卡片解調(diào)電路、卡片調(diào)制電路及時(shí)鐘電路的信號和能量均通過天線傳輸，電路間串?dāng)_很難通過理論推導(dǎo)得出。利用傳統(tǒng)的仿真電路模型很難將協(xié)議量化為設(shè)計(jì)指標(biāo)，也很難仿真不同線圈之間的互感和串?dāng)_。本文提出了一種基于MP300讀卡器中發(fā)射天線的電路仿真模型，結(jié)合場強(qiáng)標(biāo)定線圈的電感模型。將ISO14443協(xié)議要求量化為具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)，可對芯片的調(diào)制、解調(diào)、時(shí)鐘及電源獲取等方面性能進(jìn)行精準(zhǔn)的仿真[2]。該仿真模型還可仿真芯片功耗變化和調(diào)制解調(diào)信號的相互干擾，在設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證芯片的讀寫距離等性能并保證芯片的可靠性。
1 測試平臺分析
    在卡片評估中采用基于MP300讀卡器的13.56 MHz非接觸卡片測試驗(yàn)證套件，套件包含閱讀器MP300、發(fā)射天線和示波器。MP300主要功能是產(chǎn)生符合ISO14443協(xié)議的調(diào)制信號并接收卡片返回的負(fù)載調(diào)制信號；發(fā)射天線的主要功能是與卡片進(jìn)行電磁交互，場強(qiáng)標(biāo)定線圈的作用是對發(fā)射線圈發(fā)射的場強(qiáng)進(jìn)行標(biāo)定。
    為使卡片設(shè)計(jì)達(dá)到協(xié)議所規(guī)定的性能指標(biāo)，在設(shè)計(jì)之前需要搭建與測試平臺一致的仿真驗(yàn)證模型，以模擬電路測試中的能量傳遞、時(shí)鐘傳遞和數(shù)據(jù)傳輸?shù)染o密耦合的電磁關(guān)系[3]。
1.1 信號源模型
    對于MP300讀卡器，模型中可以通過port源實(shí)現(xiàn)。用示波器抓取MP300輸出信號,將其存為spectre所需格式,并將spectre中port源輸出阻抗設(shè)為50 ?贅。利用vpwl功能讀取上述保存波形結(jié)果即可實(shí)現(xiàn)與MP300功能一致的讀卡器信號源。
1.2發(fā)射天線模型
    發(fā)射天線是13.56 MHz射頻信號發(fā)射和接收的主要部分。發(fā)射天線將信號源信號通過線圈發(fā)射到空間中，在線圈中部形成均勻的磁場；場強(qiáng)標(biāo)定線圈耦合空間磁場產(chǎn)生電壓，通過示波器讀出電壓值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，確定線圈所處位置處的磁場強(qiáng)度；完成場強(qiáng)標(biāo)定和校準(zhǔn)后，將卡片放置在場強(qiáng)標(biāo)定線圈處即可在標(biāo)定場強(qiáng)下完成卡片在指定場強(qiáng)下的功能和性能測試。
  
1.3 場強(qiáng)標(biāo)定線圈模型
    場強(qiáng)標(biāo)定線圈由單圈長方形線圈構(gòu)成，輸出端接高輸入阻抗示波器探頭。校準(zhǔn)線圈放置在待測卡片將要放置的位置，輸出端連接示波器。通過電壓的峰值可以對測量待測卡片處的場強(qiáng)值進(jìn)行標(biāo)定，還可對讀卡器發(fā)射的信號調(diào)制深度等參數(shù)進(jìn)行測量。場強(qiáng)標(biāo)定線圈如圖1所示。

2 仿真平臺模型
    在卡片測試中,讀卡器與卡片的數(shù)據(jù)通信流程是：射頻發(fā)射線圈發(fā)射恒定磁場，場強(qiáng)標(biāo)定線圈耦合電壓并校準(zhǔn)磁場；待測卡片通過卡內(nèi)線圈耦合磁場中能量及調(diào)制信號；卡片內(nèi)數(shù)字電路響應(yīng)磁場中指令返回相應(yīng)的負(fù)載調(diào)制信號、讀卡器耦合卡片的負(fù)載調(diào)制信號并解析返回?cái)?shù)據(jù)。
    通過對上述通信過程的分析，為搭建符合測試套件的仿真模型,需要對射頻發(fā)射線圈與場強(qiáng)標(biāo)定線圈間的互感、射頻發(fā)射線圈與待測卡片間的互感進(jìn)行分析計(jì)算。使用各線圈間的耦合系數(shù)即可建立線圈間的電磁場連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)測試電路中不同電感的互聯(lián)。
    根據(jù)電磁場特性，平行線圈的電流流向相同磁場相互增強(qiáng)時(shí)耦合系數(shù)為正，電流流向相反磁場相互削弱時(shí)耦合系數(shù)為負(fù)。場強(qiáng)標(biāo)定線圈和待測卡片的電流方向與射頻發(fā)射線圈的電流方向均相反，耦合系數(shù)都為負(fù)值。將MP300測試套件中各部分的電感值、幾何尺寸及磁導(dǎo)率等參數(shù)代入式(9)中可得到各線圈間的互感，如表1所示。

3 仿真及測試結(jié)果
    在芯片測試中,從能量傳輸、信號傳輸、時(shí)鐘傳輸及能量、信號與時(shí)鐘之間的串?dāng)_等方面對仿真結(jié)果和實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行了對比，以驗(yàn)證文中電路仿真模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。
    圖3顯示了在卡片進(jìn)場階段天線電壓和電源獲取情況，圖3(a)是仿真結(jié)果，圖3(b)為測試結(jié)果。通過仿真平臺在設(shè)計(jì)階段即發(fā)現(xiàn)由于低壓差線性穩(wěn)壓器輸出端的大濾波電容導(dǎo)致天線電壓下降的現(xiàn)象。測試結(jié)果中,芯片天線電壓和整流電路的波動(dòng)情況與仿真結(jié)果基本一致。

    圖4展示了待測卡片在場內(nèi)的時(shí)鐘和解調(diào)信號獲取情況。在接收解調(diào)信號階段，卡片與天線間的互感會(huì)使卡片天線端的信號下降較為緩慢，時(shí)鐘輸出則是天線信號降低到時(shí)鐘電路翻轉(zhuǎn)電壓點(diǎn)后停止。圖4(a)和圖4(b)在天線電壓下降較慢和時(shí)鐘持續(xù)時(shí)間等方面相似。仿真模型能較為準(zhǔn)確地預(yù)見天線端電壓變化情況。

    圖5列出了卡片天線端電壓波形隨負(fù)載調(diào)制信號變化情況和調(diào)制對解調(diào)電路的干擾。在調(diào)制階段天線電壓變化較大，由于電路的環(huán)路增益有限，在調(diào)制信號翻轉(zhuǎn)處天線的波形出現(xiàn)了一定的過沖，電路設(shè)計(jì)中經(jīng)過適當(dāng)?shù)沫h(huán)路增益控制即可抑制電壓過沖到合理的范圍。利用該電路仿真平臺還可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)測調(diào)制電路對解調(diào)電路的干擾。測試結(jié)果顯示，仿真模型在調(diào)制信號變化對天線電壓的干擾和解調(diào)電路的干擾情況與實(shí)測結(jié)果基本一致。仿真平臺能準(zhǔn)確仿真調(diào)制、解調(diào)及天線電壓之間的串?dāng)_。

    本文實(shí)現(xiàn)了基于MP300讀卡器測試電路的13.56 MHz射頻卡片射頻前端仿真模型。通過對線圈幾何外形和電磁特性的分析，得到了線圈的電感及互感等參數(shù)，將電磁關(guān)系較為復(fù)雜的測試電路抽象為結(jié)構(gòu)簡單的仿真模型。通過該仿真模型能量化及考核芯片的各項(xiàng)性能指標(biāo)，加快了射頻前端電路設(shè)計(jì)向設(shè)計(jì)指標(biāo)收斂的過程。經(jīng)測試驗(yàn)證，該仿真模型在電源獲取、時(shí)鐘獲取、信號解調(diào)、信號調(diào)制及電源、解調(diào)、調(diào)制的相互干擾等方面的仿真結(jié)果與測試結(jié)果一致。
參考文獻(xiàn)
[1] ISO/IEC 10373-6:2011(E) Identification cards Test methods part 6:proximity cards[S]. 2011.
[2] ISO/IEC 14443-2:2010(E) Identification cards Contactless  integrated circuit cards Proximity cards[S]. 2010.
[3] BASAT S S, KYUTAE L, LASKAR J, et al. Design and  modeling of embedded 13.56 MHz RFID antennas[C]. Antennas and Propagation Society International Symposium,  2005:64-67.
[4] FINKENZELLER K.射頻識別技術(shù)（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2006.
[5] 師建英. 非接觸式射頻IC卡的設(shè)計(jì)與研究[D]. 保定：河北大學(xué),2006.
[6] 仲方強(qiáng).基于13.56 MHz的射頻識別關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2007.