TECHNOLOGY REVIEW 技术纵横 近耦合射频识别系统的工作原理及天线设计 ■ 国 瑞 数 码 安 全 有 限 公 司 尹寒 ■ 北京恒基伟业产品开发中心 陈峰 摘 要 介绍一种近耦合射频识别系统 （典型读写距离 25 mm 的非接触读写卡系统） 的两个重要组成 部分——邻近耦合设备和邻近卡的工作原理及由此设计的天线尺寸和匹配电路。 关键词 PICC 邻近卡 PCD 邻近耦合设备 MCM 核心模块 近耦合射频识别系统由邻近耦合设备 （PCD， Proximity Coupling Dev ice， 也称读写器） 和邻近卡 （PICC，Proximit y Card）组成，数据存储在 PICC中。 它的能量供应及 PICC 与 PCD 之间的数据交换不是 通过电流的触点接通而是通过电磁场，因此，避免 了与触点接触所造成的污染、费时等缺点，与其它 系统相比具有方便、快捷、卫生等很多优势，广泛 应用于交通、 门禁、 身份识别等多种应用领域。 由于 PICC是由耦合元件及微电子芯片组成的， 无供电电源 （电池） 的 IC 卡， 在 PCD 的响应范围 内，才是有源的；它的能量，如同时钟脉冲和数据 一样，是通过耦合单元（非接触的）传递给 PCD的， 因此，实现耦合的元件——天线，在本系统中具有 非常关键的作用。 定性说明， 使其与几何尺寸无关。 关系式如下 ： LLMk ? / 1 （L1 、L2 分别为两个线圈的自感系 2 数 ；M 为互感系数） 耦合系数总在两个极限情况 0 ≤ k ≤ 1 之间变 化。 ◇ k=0： 由 于 距 离 太 远 或 磁 屏 蔽 导 致 完 全 去 耦。 ◇ k=1：全耦合。两个线圈紧密耦合，处于相 同的磁通量φ中。 只有很简单的天线配置才能进行分析计算。两 个平行的、在 x轴上同芯的导体回路的耦合系数可 按照以下公式计算。 式中 r 为天线半径， x 表示在 x 轴上的两个导体回路之间的距离。 1 射频识别系统的物理基础 )( xk ? ( r 2 PICC ? r 2 PCD /[) r PICC ? r PCd ? ( ? 2 x r 2 PCD ]) 3 相距较近的两个线圈， 若其中一个通以电流 时，所产生的磁通部分或全部穿过另一个线圈，则 称此两线圈之间有磁的耦合，或称有互感。PICC与 PCD 的天线线圈相互接近，两个电路经过磁场产生 的耦合是本系统——电感耦合射频识别系统的物理 基础。 图 1 是耦合的导体回路的等效电路图。在电感 耦合射频识别系统中，L1 是 PCD 的发送天线，L2 是 PICC 的天线。 线圈电阻 PCD L1 L2 负载 电阻 PICC 图1 等效电路 我们引入了耦合系数 k 来对导体回路的耦合作 当 导 体 回 路 之 间 的 距 离 为 0 而 天 线 半 径 相 等 时，耦合系数 k=1。此时，导体回路互相重叠，并 有相同的磁通量φ通过。 实际上，电感耦合的 PICC系统工作时的耦合系 数可低至 0.01 以下。 2 PICC 的天线计算（以Mifare 1 卡片为 例） 如图 2 所示，PICC由微晶片与天线组成。微晶 片的外面一般封装了保护层。保护层可以防止微晶 片被折叠、扭曲等众多对卡片实施的非正常的物理 性损坏；同时，也防止微晶片受到紫外线的辐射， 使卡片能长久地被使用。但从电性能的角度来看， 由于加入了保护层， 使 IC 与卡片上天线组成的振 荡回路的频率将发生变化。 因为， 保护层给 IC 微 晶片增加了一个输入回路电容 C mou nt。 尽管这个电 2002.1 Mi crocontrol lers & Embedded Systems 27 

技术纵横 TECHNOLOGY REVIEW 带保护层的 IC 微晶片 天线线圈 图2 Mifare 1 IC智能(射频)卡 容只有几 pF~ 几十 pF，但对于要求频率精度、稳定 度等都很高的非接触式 IC 智能射频卡来说， 也将 是很重要的。 卡片上的等效电路如图 3 所示。 Rcoil 等效电容C a Lcoil Ccoil Cpack Cic Cmount b 不带IC微晶片的天线 IC微晶片 图3 卡片上的等效电路 PICC 线圈 L co il 上并联电容以构成并联振荡电 路， 感应电压用于给无源的 PICC 微晶片供电。 并 联振荡回路的谐振频率可由汤姆逊公式算出 ： ? f res π2/(1 L coil ? C ) 对于 13.56 M Hz 这种较高的频率来说， 所需电 容大多数是很小的，包括数据载体的输入电容、线 圈的寄生电容等。 等效电容 ：C=Ccoil+Cpack+Cic+Cmount 说明 ： fres： 卡片的振荡频率， 应为 13.56 MHz； Rcoil： 天线线圈的电阻， 约 6.07 Ω； Lcoil： 天线线圈的电感， 约 3.6 μ H； Ccoil： 天线线圈的电容， 约 5 pF， 可通过改变 导线直径来改变 ； Cpack ： 天线线圈封装后引入的电容, 约 5 pF； Cic：IC 微晶片的电容， 约 16 pF； Cmount：IC 微晶片安装后引入的电容, 约 几 pF ~ 几十 pF； a： 天线线圈与 IC 微晶片的接触点 ； b： 天线线圈与 IC 微晶片的接触点。 其中， 天线线圈的电感 ： Lcoil=2Lln(L/D － 1.04)·NP L： 天线线圈一圈的长度，单位为 cm(L/D 项中 L 的单位为 mm)； 28 2002.1 N： 天线线圈圈数， 一般为 4 圈； D：天线线圈直径或导体的宽度，单位为 mm； P：由天线线圈的技术而定的 N的指数因子，如 表 1 所列。 上述天线线圈的电感的公式只能作为首次估测 之用， 实际天线线圈的电感必须通过仪器测量而 定， 但偏差不会很大。 P 值 1.8 1.7 1.5 ~ 1.7 表 1 天线线圈结构 环绕线圈 Etched(蚀刻)线圈 印刷电路板线圈 一般天线线圈的电感 ： L coi l<4.2 μ H, 实际中推 荐在 3.6 μ H 左右为最优。 天线线圈的品质因数 Qcoil： ? ? Q coil L coil ? R coil ? ? π2 f res R coil L coil ? ? 56.13π2 ? L coil R coil 一般天线线圈的品质因数 30 11 200 mm2/N。一般，Sav ≥ 2 778 mm2 (当卡片上的天 线线圈矩形面积的长×宽 = 40 mm × 70 mm 时)。 实际中， 推荐 Sav 在 3 330 mm2 左右， 即实际设 计时卡片上的天线线圈的矩形面积的长和宽应为 74 mm 和 45 mm， 天线线圈的圈数 N 为 4 圈。 这样 制作出的卡片将能保证通信的距离。 3 PCD 的天线设计 3.1 PCD的组成 PCD 的结构框图如图 4 所示。 邻近耦合设备 PCD 的基本任务就是启动 PICC， 与这个数据载体建立通信并且在应用软件和一个非 接触的数据载体之间传送数据。所有的 PCD都可简 化为三个基本的组成部分：控制单元、由发送器和 接收器组成的高频接口、 天线。 PCD 的高频接口担负以下任务 ： 

MCU 控制 （信号编码协议） 数据载体（卡） 接收数据 发送数据 高频接口 天线 MCM200 图4 PCD的结构框图 ◇ 产生高频的发射功率，以启动 PICC， 并为 其提供能量 ； ◇ 对发射信号进行调制， 用于将数据传送给 PICC； ◇ 接收并解调来自应答器的高频信号。 PCD 的控制单元担负以下任务 ： ◇ 与 MCU 通信， 并执行 MCU 发出的命令 ； ◇ 控制与 PICC 的通信过程 （主 - 从原则）； ◇ 信号的编码解码 ； ◇ 执行反碰撞算法 ； ◇ 对 PICC 与 PCD 之间传递的数据进行加密和 解密。 高频接口与控制单元之间的接口将高频接口的 状态以二进制的形式表示出来，如图 5 所示。ASK 调制的系统可以据此利用高频接口调制输入端的逻 辑“1”来表示“有高频信号”的状态，用逻辑“0” 来表示 “无高频信号” 的状态。 控制单元 高频接口 基带信号 高频信号 （ASK） 图5 基带信号的编码与解码由PCD的控制单元进行 MCM200（Mifare Core Modu le） 是一种用于读 写非接触式 IC 卡 （如 MF1） 的智能模块。 它实际 上包括了 PCD所应有的控制单元和高频接口，一般 在读写器中还必须有 MCU（单片机）来对 MCM 进 行控制，及实现通信的天线。MCM200模块主要应 用 于 对 卡 片 操 作 距 离 在 25 mm 的卡片读写器中， Mifare 所具有的独特的 MIFARE RF（射频）非接触 式接口标准已被制定为国际标准：ISO/ IEC 14443 TYPE A 标准。 图 6 所示为 MCM200 模块的引脚图。 TECHNOLOGY REVIEW 技术纵横 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 BP NPAUSE1 KOMP1 NRST DVDD DGND NIRQ TP 1 32 2 31 30 3 4 29 28 5 27 6 7 26 8 25 9 24 10 23 11 22 12 21 13 20 14 19 15 18 17 16 KPROG NCS NWR NRD A0 A1 A2 A3 ALE USEALE MODE NANT ANT AVDD AGND RX 图6 MCM200模块 3.2 天线的设计 电感耦合射频识别系统的PCD中的天线用于产 生磁通量Φ, 而 磁 通 量 用 于 向 PICC 提供电源并在 PCD 与 PICC 之间传送信息。 因此， 对 PCD 天线的 构造有以下几个基本要求 ： ◇ 使天线线圈的电流最大， 用于产生最大的 磁通量Φ ； ◇ 功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量 的可用能量 ； ◇ 足够的带宽， 以无失真地传送用数据调制 的载波信号。 一 般 说 来 ， 天线是有一定负载阻抗的谐振回 路，阅读器又具有一定的源阻抗。为了获得最好的 性能，必须通过无源的匹配回路将线圈阻抗转换为 源阻抗。然后，通过同轴线缆即可无损失且无辐射 地将功率从读写器末级传送到匹配电路。 下面以 MF CM 200 为例，进行天线的设计。图 7 中显示了该系统的天线电路设计。这里未使用同 轴电缆，因为这样短的一条馈线通过合理的布局 （带状线） 就可实现了。 R1 L0 C0 C0 L0 RX ANT AGND NANT RX1 FANT AGND ? C C1 C2a C2b C1 FNANT MF CM200 接口 滤波 匹配回路 线圈 图7 MF CM200天线耦合回路 图中的滤波电路采用 LC低通滤波，L0=2.2 μ H, C0=47 pF,其中 RX 脚处的滤波电路简化为一个电阻 2002.1 Mi crocontrol lers & Embedded Systems 29 

为更多从事射频系统开发的人员提供有力的技术支 持。 参考文献 1 [德] Klaus Finken zeller. 射频识别技术（第 2 版）. 陈大才编译. 北京：电子工业出版社，2001 2 杨山主编. 电路基础理论（修订本）. 天津： 天津大学出版社，1993 技术纵横 TECHNOLOGY REVIEW R1 ≈ 10 Ω。 匹配电路的设计是整个设计的关键。首先，计 算天线线圈的电感 ： L = 2l·ln (l/D)·N 1.8 L ——天线电感， 单位为 nH； l ——天线导体一圈的长度， 单位为 cm； D ——天线导体的宽度 （0.5～1.5 mm）； N ——天线圈数。 可见，天线的电感与天线的结构（印刷电路板 类型）、 导体厚度、圈间距、屏蔽层、金属或铁氧 体 环 境 都 有 关 。 本 系 统 的 天 线 尺 寸 为 65 mm × 54 mm，导体宽度为 1 mm，因此，计算结果为 Lantenna = 2 × 23.8 × ln (23.8/1)× 31.8 = 1.09 μ H C=(C2a+C1)/2=1/[(2 π f)2L]≈ 126 pF 由 f =1/[2π(LC)1/2], 其中 f =13.56 MHz，L为Lantenna。 得 因为 C1=27 pF 所以得 C2a=C2b ≈ 2/(4 π 2f 2L)－ C1 ≈ 226 pF 实验以 226 pF作为初始值，逐渐减小 C2a 与 C2b 的值， 使性能达到最优。 表 2 是实验参考值。 在天线设计中，还有一个参数很重要，那就是 表2 实验参考值 Lantenna 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 C1/pF 27 27 27 27 27 27 27 C2a/pF 270 270 220 180//22 180 180 150 C2b/pF 330 270 270 220 180//22 180 150 品质因数 Q。用于电感耦合式射频识别系统的 PCD 天线， 其特征值就是它的谐振频率和品质因数的 值。较高的品质因数的值会使天线线圈中的电流强 度大些，由此改善对 PICC的功率传送。与之相反， 天线的传输带宽刚好与品质因数 Q 值成反比例变 化，选择的品质因数过高会导致带宽缩小从而明显 地减弱 PICC 接收到的调制边带。 品质因数可以通过电感线圈的电抗与电阻的比 值计算出来， 公式如下 ： Q = (2 π f0 ·Lcoil)/Rcoil 许多系统给出的最佳品质因数为 10～30。本系 统没有 Rext 的 Q 值最高为 50～60，如果太高，卡将 无法准确地识别复位响应。 以上分析了卡和机具的原理及其设计方法。实 验表明，由此方法设计的电路运行稳定，读写数据 准确，典型的交易时间不超过 100 ms。希望本文可 30 2002.1