摘 要： 實現(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)射線圈及場強標定線圈等進行分析和建模，結合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、場強標定線圈及標簽線圈之間的電磁耦合用耦合系數(shù)k表示。經(jīng)測試驗證，該仿真模型在1.5 A/m~7.5 A/m場強下對待測卡片電源獲取、時鐘獲取、信號解調(diào)、信號調(diào)制及信號串擾等方面的仿真結果與實際測試結果的一致性較好，能幫助模擬前端芯片設計快速收斂至設計目標。
關鍵詞： 13.56 MHz標簽; 仿真模型; 場強標定; 串擾仿真
隨著IC卡安全技術的不斷進步，13.56 MHz的IC卡應用領域不斷增加。近年來銀行卡等金融領域已經(jīng)開始試點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)制電路及時鐘電路的信號和能量均通過天線傳輸，電路間串擾很難通過理論推導得出。利用傳統(tǒng)的仿真電路模型很難將協(xié)議量化為設計指標，也很難仿真不同線圈之間的互感和串擾。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，結合場強標定線圈的電感模型。將ISO14443協(xié)議要求量化為具體的設計指標，可對芯片的調(diào)制、解調(diào)、時鐘及電源獲取等方面性能進行精準的仿真[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，在設計階段驗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載調(diào)制信號；發(fā)射天線的主要功能是與卡片進行電磁交互，場強標定線圈的作用是對發(fā)射線圈發(fā)射的場強進行標定。
為使卡片設計達到協(xié)議所規(guī)定的性能指標，在設計之前需要搭建與測試平臺一致的仿真驗證模型，以模擬電路測試中的能量傳遞、時鐘傳遞和數(shù)據(jù)傳輸?shù)染o密耦合的電磁關系[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源輸出阻抗設為50 ?贅。利用vpwl功能讀取上述保存波形結果即可實現(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；場強標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準值進行比較，確定線圈所處位置處的磁場強度；完成場強標定和校準后，將卡片放置在場強標定線圈處即可在標定場強下完成卡片在指定場強下的功能和性能測試。
1.3 場強標定線圈模型
場強標定線圈由單圈長方形線圈構成，輸出端接高輸入阻抗示波器探頭。校準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值進行標定，還可對讀卡器發(fā)射的信號調(diào)制深度等參數(shù)進行測量。場強標定線圈如圖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，場強標定線圈耦合電壓并校準磁場；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)字電路響應磁場中指令返回相應的負載調(diào)制信號、讀卡器耦合卡片的負載調(diào)制信號并解析返回數(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)射線圈與場強標定線圈間的互感、射頻發(fā)射線圈與待測卡片間的互感進行分析計算。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系，實現(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時耦合系數(shù)為正，電流流向相反磁場相互削弱時耦合系數(shù)為負。場強標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)都為負值。將MP300測試套件中各部分的電感值、幾何尺寸及磁導率等參數(shù)代入式(9)中可得到各線圈間的互感，如表1所示。
3 仿真及測試結果
在芯片測試中,從能量傳輸、信號傳輸、時鐘傳輸及能量、信號與時鐘之間的串擾等方面對仿真結果和實際測試結果進行了對比，以驗證文中電路仿真模型的準確性和實用性。
圖3顯示了在卡片進場階段天線電壓和電源獲取情況，圖3(a)是仿真結果，圖3(b)為測試結果。通過仿真平臺在設計階段即發(fā)現(xiàn)由于低壓差線性穩(wěn)壓器輸出端的大濾波電容導致天線電壓下降的現(xiàn)象。測試結果中,芯片天線電壓和整流電路的波動情況與仿真結果基本一致。
圖4展示了待測卡片在場內(nèi)的時鐘和解調(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使卡片天線端的信號下降較為緩慢，時鐘輸出則是天線信號降低到時鐘電路翻轉電壓點后停止。圖4(a)和圖4(b)在天線電壓下降較慢和時鐘持續(xù)時間等方面相似。仿真模型能較為準確地預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)制信號翻轉處天線的波形出現(xiàn)了一定的過沖，電路設計中經(jīng)過適當?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計階段預測調(diào)制電路對解調(diào)電路的干擾。測試結果顯示，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測結果基本一致。仿真平臺能準確仿真調(diào)制、解調(diào)及天線電壓之間的串擾。
本文實現(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)，將電磁關系較為復雜的測試電路抽象為結構簡單的仿真模型。通過該仿真模型能量化及考核芯片的各項性能指標，加快了射頻前端電路設計向設計指標收斂的過程。經(jīng)測試驗證，該仿真模型在電源獲取、時鐘獲取、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果與測試結果一致。
參考文獻
[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（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卡的設計與研究[D]. 保定：河北大學,2006.
[6] 仲方強.基于13.56 MHz的射頻識別關鍵技術研究[D].西安:西安電子科技大學，2007.