13.56 MHz雙界面卡射頻特性研究

謝 云，張文安

（中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

13.56 MHz雙界面卡射頻特性研究

謝 云，張文安

（中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

隨著3G業(yè)務(wù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，以RFID智能卡為核心的移動(dòng)支付成為各大運(yùn)營(yíng)商重點(diǎn)發(fā)展的業(yè)務(wù)。13.56 MHz雙界面卡作為現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)移動(dòng)支付RFID智能卡主要解決方案之一，從實(shí)際使用效果來(lái)看，其刷卡靈敏度和成功率不夠理想，大大制約了13.56 MHz雙界面卡的規(guī)模推廣，也制約了整個(gè)移動(dòng)支付業(yè)務(wù)的規(guī)模應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)產(chǎn)品射頻特性的測(cè)試，深入研究和分析了影響13.56 MHz雙界面卡刷卡靈敏度和成功率的關(guān)鍵因素，提出改進(jìn)13.56 MHz雙界面卡刷卡效果的建議。

13.56 MHz雙界面卡；RFID；射頻特性；移動(dòng)支付

1 引言

從2006年開始，國(guó)內(nèi)的電信運(yùn)營(yíng)商及金融機(jī)構(gòu)持續(xù)對(duì)移動(dòng)支付進(jìn)行了研究、試點(diǎn)，到2010年，國(guó)內(nèi)的移動(dòng)支付業(yè)務(wù)呈現(xiàn)爆發(fā)性的發(fā)展。首先，中國(guó)移動(dòng)高調(diào)推出其手機(jī)錢包業(yè)務(wù)，并在央視密級(jí)播放“手機(jī)錢包”業(yè)務(wù)廣告，全國(guó)多個(gè)省份同步開放業(yè)務(wù)受理。中國(guó)電信緊隨其后，從集團(tuán)到各省公司全力推廣面向公眾的“翼支付”業(yè)務(wù)和面向企業(yè)學(xué)校的“翼機(jī)通”移動(dòng)支付業(yè)務(wù)品牌。中國(guó)聯(lián)通也在多個(gè)省進(jìn)行了移動(dòng)支付的業(yè)務(wù)發(fā)布。2010年國(guó)內(nèi)發(fā)展的移動(dòng)支付用戶數(shù)超過(guò)500萬(wàn)戶，其中中國(guó)電信一家發(fā)展的用戶數(shù)約300萬(wàn)戶。移動(dòng)支付業(yè)務(wù)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的商業(yè)階段。

13.56 MHz雙界面卡是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)移動(dòng)支付RFID智能卡主要解決方案之一（下面所提到的移動(dòng)支付RFID智能卡主要是13.56 MHz雙界面卡）,13.56 MHz雙界面卡是在手機(jī)SIM/UIM卡上集成RFID處理芯片，并從SIM/UIM卡引出RFID感應(yīng)線圈，以13.56 MHz為工作頻率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)接觸式應(yīng)用和非接觸近距離通信的智能卡。13.56 MHz雙界面卡采用行業(yè)普遍應(yīng)用的13.56 MHz頻率通信，可復(fù)用現(xiàn)有的非接智能卡受理環(huán)境；另一方面，13.56 MHz雙界面卡是全卡解決方案，對(duì)手機(jī)終端要求低，業(yè)務(wù)實(shí)施方便快速，受到了運(yùn)營(yíng)商和金融機(jī)構(gòu)的青睞，2010年，采用13.56 MHz雙界面卡方案發(fā)展的用戶約占目前國(guó)內(nèi)移動(dòng)支付用戶數(shù)的一半。但是，現(xiàn)有的13.56 MHz雙界面卡由于天線線圈小、安裝到手機(jī)后受手機(jī)電磁環(huán)境干擾大，造成刷卡靈敏度和成功率不理想，大大制約了13.56 MHz雙界面卡的進(jìn)一步規(guī)模發(fā)展，也嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)移動(dòng)支付業(yè)務(wù)的進(jìn)一步規(guī)模應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)產(chǎn)品射頻特性的大量實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，對(duì)影響13.56 MHz雙界面卡刷卡靈敏度和成功率的關(guān)鍵因素進(jìn)行了研究和分析，提出了改進(jìn)13.56 MHz雙界面卡刷卡效果的建議。

2 雙界面卡射頻特性理論分析

普通非接智能卡已經(jīng)廣泛應(yīng)用于學(xué)校一卡通、企業(yè)一卡通、公交地鐵等領(lǐng)域，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，雖然由于各種原因，校企一卡通、公交地鐵等各個(gè)系統(tǒng)使用的POS機(jī)具在射頻特性方面并不標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一，刷卡環(huán)境并不標(biāo)準(zhǔn)。但是由于普通非接智能卡線圈大、在空氣介質(zhì)中受電磁環(huán)境影響小，可以很好地適配不同射頻特性的POS機(jī)具，非接智能卡與POS機(jī)具間的適配性仍然很高。

移動(dòng)支付作為新興業(yè)務(wù)，具有傳統(tǒng)一卡通業(yè)務(wù)所不具備的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)手機(jī)菜單操作，用戶可以方便地進(jìn)行業(yè)務(wù)的管理，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的賬號(hào)查詢、充值等。移動(dòng)支付手機(jī)可以同時(shí)集成公交、校企、銀行等多種應(yīng)用，省去用戶同時(shí)帶多張卡的麻煩。但是，移動(dòng)支付核心技術(shù)——手機(jī)RFID智能卡，目前還是一種新興的技術(shù)，技術(shù)的成熟還需要一段時(shí)間。筆者通過(guò)和普通非接智能卡相比并進(jìn)行理論分析，發(fā)現(xiàn)手機(jī)RFID智能卡還有以下技術(shù)難點(diǎn)需要攻克。

（1）線圈尺寸問(wèn)題

由于受手機(jī)尺寸的限制，13.56 MHz雙界面卡的天線線圈大小和普通RFID智能卡相比要小一些，這將導(dǎo)致其能接收到POS機(jī)發(fā)射的功率減少。

（2）諧振頻率問(wèn)題

13.56 MHz雙界面卡同時(shí)具有接觸式和非接觸式兩種應(yīng)用，接觸式的應(yīng)用需要將智能卡通過(guò)觸點(diǎn)接入到手機(jī)的線路中。在近場(chǎng)刷卡應(yīng)用時(shí)，手機(jī)作為外加負(fù)載，會(huì)改變雙界面卡的諧振頻率。每個(gè)手機(jī)的電氣特性不一致，導(dǎo)致雙界面卡在每種手機(jī)的諧振頻率中的表現(xiàn)都不一致。

（3）手機(jī)電磁干擾問(wèn)題

由于手機(jī)電池有金屬元件，內(nèi)部電路的電流會(huì)產(chǎn)生漩渦電場(chǎng)，對(duì)13.56 MHz雙界面卡與POS機(jī)之間通過(guò)電磁感應(yīng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸干擾，影響刷卡效果。由于手機(jī)的電池和工藝設(shè)計(jì)不同，導(dǎo)致手機(jī)對(duì)其射頻特性產(chǎn)生不同的影響。

綜上所述，普通非接智能卡相對(duì)于手機(jī)RFID智能卡而言，可以做得相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，尺寸大，手機(jī)干擾小，電氣特性相對(duì)穩(wěn)定，所以對(duì)其POS機(jī)具電氣特性的要求不高，這也是造成目前校企公交等一卡通應(yīng)用機(jī)具不標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)原因之一。移動(dòng)支付作為新興的業(yè)務(wù)，不但要滿足支付的需要，同時(shí)還要滿足校企等行業(yè)應(yīng)用的需要，這就對(duì)13.56 MHz的雙界面卡提出了很高的要求，如果設(shè)計(jì)不合理，將難以達(dá)到用戶可接受的刷卡效果。

3 雙界面卡射頻特性實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)以上理論分析可以看到，由于受到手機(jī)各種條件的限制，導(dǎo)致了雙界面卡射頻特性的改變，從而使得其刷卡成功率不理想。對(duì)此，筆者設(shè)計(jì)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，研究和驗(yàn)證手機(jī)影響雙界面卡的射頻特性，從而影響其刷卡成功率的相關(guān)因素，從而探討提高刷卡成功率的方法。

本實(shí)驗(yàn)的研究方法主要采用理論研究、實(shí)驗(yàn)?zāi)M與實(shí)測(cè)分析相結(jié)合的研究方法。首先，通過(guò)理論研究，分析最可能影響雙界面卡刷卡效果的主要因素，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；然后，通過(guò)測(cè)試儀器，分別對(duì)13.56 MHz雙界面卡在空氣介質(zhì)環(huán)境、裝入不同的手機(jī)終端以及與不同射頻特性的POS機(jī)匹配等各種不同場(chǎng)景下的能量與刷卡數(shù)據(jù)進(jìn)行較為完整的實(shí)測(cè)和數(shù)據(jù)采集；最后，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和理論研究，找出影響13.56 MHz雙界面卡通信的最關(guān)鍵參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化。

3.1 手機(jī)對(duì)雙界面卡電氣特性影響實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要研究手機(jī)的各種部件對(duì)RFID雙界面卡電氣特性的影響，主要包括手機(jī)外蓋、手機(jī)電池、手機(jī)電路、手機(jī)加電等，測(cè)試結(jié)果主要包括在不同手機(jī)型號(hào)下雙界面卡諧振頻率、3 dB帶寬、刷卡距離、刷卡成功率等。測(cè)試采用了頻譜儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀，分別對(duì)雙界面卡裸卡以及裝入手機(jī)終端之后的雙界面卡的射頻特性及刷卡效果進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)比測(cè)試結(jié)果，分析手機(jī)對(duì)雙界面卡刷卡效果的影響。其中，射頻特性主要測(cè)量諧振頻率，刷卡效果采用重復(fù)測(cè)量50次，記錄每次刷卡是否成功和最大距離，計(jì)算平均刷卡距離和刷卡成功率。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)1：手機(jī)對(duì)雙界面卡諧振頻率的影響

本實(shí)驗(yàn)的主要目的是研究不同手機(jī)對(duì)雙界面卡的諧振頻率、刷卡距離、刷卡成功率等影響。本實(shí)驗(yàn)是利用輻射器件發(fā)射與接收等效的原理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試13.56 MHz雙界面卡不同情況下的諧振頻率，考量13.56 MHz雙界面卡受手機(jī)的影響程度。

（1）裸卡諧振頻率

取2種典型的13.56 MHz雙界面卡裸卡，分別測(cè)試諧振頻率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 裸卡諧振頻率

（2）雙界面卡裝入手機(jī)后的諧振頻率

分別將兩種卡片裝入10款不同的手機(jī)，記錄裝入手機(jī)后的諧振頻率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

從以上測(cè)試結(jié)果中，可以發(fā)現(xiàn)雙界面卡裝入手機(jī)后，受手機(jī)內(nèi)部的電磁環(huán)境影響，雙界面卡的諧振頻率一般會(huì)向上偏移。由于不同的手機(jī)電磁環(huán)境的差異，諧振頻率偏移的幅度范圍較大，在0.5～1.5 MHz，如圖1和圖2所示。

表2 裝入手機(jī)后的諧振頻率

圖1 A卡裝入手機(jī)后諧振頻率對(duì)比

圖2 B卡裝入手機(jī)后諧振頻率對(duì)比

可見(jiàn)，手機(jī)對(duì)13.56 MHz雙界面卡諧振頻率存在很大影響。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)2：開關(guān)機(jī)對(duì)刷卡距離的影響

本實(shí)驗(yàn)的主要目的是測(cè)試手機(jī)開關(guān)機(jī)對(duì)刷卡效果的影響。本實(shí)驗(yàn)記錄了同種13.56 MHz雙界面卡在不同手機(jī)下，在開關(guān)機(jī)的狀態(tài)下刷卡距離、諧振頻率和刷卡成功率的數(shù)據(jù)。

從圖3中可以看出，在開機(jī)狀態(tài)下，雙界面卡刷卡距離普遍提高了1 cm，對(duì)刷卡效果有明顯的提高。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)3：電池漩渦電場(chǎng)對(duì)刷卡效果影響

本實(shí)驗(yàn)主要研究手機(jī)電池的漩渦電場(chǎng)對(duì)13.56 MHz雙界面卡刷卡效果的影響。由于手機(jī)開機(jī)時(shí)，內(nèi)部有電流流動(dòng)產(chǎn)生漩渦電場(chǎng)，對(duì)13.56 MHz雙界面卡感應(yīng)線圈有干擾。實(shí)驗(yàn)使用金屬片遮蓋電池，和沒(méi)有遮蓋電池進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試手機(jī)漩渦電場(chǎng)對(duì)RFID雙界面卡識(shí)別率的影響。實(shí)驗(yàn)用金屬片參數(shù)：金屬片厚度為0.1 mm，質(zhì)地為銅，大小略大于所測(cè)手機(jī)電池側(cè)面面積。實(shí)驗(yàn)情況如圖4所示。

圖3 手機(jī)開關(guān)機(jī)狀態(tài)下刷卡距離對(duì)比

圖4 增加電池金屬屏蔽后刷卡距離變化

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，以金屬片遮蓋手機(jī)電池，將電池的漩渦電場(chǎng)進(jìn)行了屏蔽，刷卡距離有所提高。實(shí)驗(yàn)表明電池的渦旋電場(chǎng)對(duì)13.56 MHz雙界面卡的識(shí)別率有一定的影響。

3.1.4 實(shí)驗(yàn)4：線圈和電池的距離對(duì)刷卡效果影響

本實(shí)驗(yàn)主要研究13.56 MHz雙界面卡線圈和電池的距離對(duì)刷卡成功率的影響。由于手機(jī)內(nèi)部有大量金屬電路存在，一般會(huì)對(duì)13.56 MHz雙界面卡的感應(yīng)線圈有影響，所以增加感應(yīng)線圈與手機(jī)電池之間的距離，測(cè)試其對(duì)13.56 MHz雙界面卡識(shí)別率的影響。實(shí)驗(yàn)使用了兩種卡分別安裝在不同手機(jī)，并使用厚度為0.264 mm的紙片裁剪成與電池相當(dāng)?shù)某叽纾瑢⒓埰B放在手機(jī)電池與雙界面卡線圈之間，測(cè)試其刷卡距離和刷卡成功率的情況。測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 增加線圈與電池距離后A卡刷卡距離變化

圖6 增加線圈與電池距離后B卡刷卡距離變化

從圖5和圖6可以看出，線圈和電池隔開比不隔開刷卡距離有所提高，從而可見(jiàn)線圈和電池的距離對(duì)刷卡距離的影響較大，從而也說(shuō)明了手機(jī)的電池對(duì)雙界面卡電氣特性的影響較大。

3.2 POS機(jī)和雙界面卡電氣特性影響的實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證13.56 MHz雙界面卡在和POS一起完成刷卡功能時(shí)，兩者電氣特性的相互影響情況，主要包括雙界面卡作為負(fù)載接入POS機(jī)發(fā)射電路，對(duì)POS機(jī)發(fā)射電路的工作頻率變化的影響，POS機(jī)發(fā)射功率變化對(duì)雙界面刷卡成功率的影響等。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)1:研究POS機(jī)發(fā)射功率對(duì)刷卡效果的影響

使用1臺(tái)可調(diào)整發(fā)射功率的POS機(jī)，將其在13.56 MHz頻點(diǎn)的發(fā)射功率分別調(diào)整為9.6 dBm、12.13 dBm、15.16 dBm和18 dBm，在不同的發(fā)射功率情況下，分別對(duì)A卡和B卡重復(fù)刷卡50次，測(cè)量最大刷卡距離，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

從不同POS發(fā)射功率下A卡和B卡的刷卡效果測(cè)試結(jié)果看，13.56 MHz雙界面卡的刷卡效果與POS機(jī)的發(fā)射功率正相關(guān)，如圖7所示。

表3 POS機(jī)發(fā)射功率與刷卡距離對(duì)照

圖7 POS機(jī)發(fā)射功率與刷卡距離對(duì)照

可見(jiàn)，較大的POS機(jī)發(fā)射功率能獲得較好的刷卡效果。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)2:諧振頻率的吻合度對(duì)刷卡成功率的影響

本實(shí)驗(yàn)首先記錄A、B兩張裸卡的諧振頻率及刷卡成功率，記錄POS機(jī)的諧振頻率，然后，將A、B兩張卡插入不同的手機(jī)，分別測(cè)試諧振頻率及刷卡效果。

（1）裸卡諧振頻率及刷卡效果測(cè)試

首先測(cè)試裸卡的諧振頻率和刷卡效果，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

（2）POS機(jī)的諧振頻率測(cè)試

表4 裸卡諧振頻率及刷卡效果

實(shí)驗(yàn)測(cè)得POS機(jī)的諧振頻率為13.7 MHz。

（3）裝入手機(jī)后的諧振頻率和刷卡效果測(cè)試

A卡裝入手機(jī)后的諧振頻率和刷卡效果測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。B卡裝入手機(jī)后的諧振頻率和刷卡效果測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

對(duì)照表4、表5、表6的測(cè)試結(jié)果，可以看到：當(dāng)A卡裝入手機(jī)后，諧振頻率更接近POS機(jī)的工作頻率和諧振頻率，刷卡效果改善；B卡裝入手機(jī)后，諧振頻率更偏離POS機(jī)的工作頻率和諧振頻率，刷卡效果明顯降低。因此，筆者認(rèn)為雙界面卡諧振頻率與POS機(jī)工作頻率及諧振頻率的吻合度，是影響雙界面卡刷卡效果的重要因素。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

13.56 MHz雙界面卡諧振頻率會(huì)受到手機(jī)影響，一般會(huì)升高。雙界面卡諧振頻率的變化對(duì)刷卡成功率影響較大，當(dāng)POS機(jī)和雙界面卡的諧振頻率匹配較好時(shí)，刷卡成功率將提高。

13.56 MHz雙界面卡會(huì)受到電池渦流電場(chǎng)和手機(jī)內(nèi)部電池環(huán)境的影響，從而會(huì)影響刷卡距離和刷卡成功率。

手機(jī)開機(jī)將會(huì)增加刷卡距離，這通常與開機(jī)后13.56 MHz雙界面卡會(huì)通過(guò)接觸界面取電，增加非接刷卡時(shí)的發(fā)射能量有關(guān)。

表5 A卡裝入手機(jī)的諧振頻率和刷卡效果

表6 A卡裝入手機(jī)的諧振頻率和刷卡效果

4 13.56 MHz雙界面卡優(yōu)化方案

以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于受到手機(jī)各種情況的影響，13.56 MHz雙界面卡和普通非接智能卡相比，射頻特性在工作時(shí)的情況復(fù)雜得多。因此，在制定相關(guān)規(guī)范的時(shí)候，需要充分考慮手機(jī)電氣特性、型號(hào)、尺寸等的影響，并根據(jù)13.56 MHz雙界面卡的特點(diǎn)，對(duì)卡片、POS機(jī)以及手機(jī)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)作嚴(yán)格的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，建議從卡片、POS機(jī)、手機(jī)等多方面進(jìn)行優(yōu)化，以改善13.56 MHz雙界面卡的刷卡效果。

4.1 POS機(jī)優(yōu)化方案

POS機(jī)的射頻參數(shù)對(duì)13.56 MHz雙界面卡的刷卡效果有很大影響，由于目前行業(yè)應(yīng)用中POS機(jī)的諧振頻率標(biāo)準(zhǔn)比較混亂，造成雙界面卡刷卡成功率不高。因此，建議POS機(jī)嚴(yán)格參照現(xiàn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定，諧振頻率盡量在13.56 MHz附近?？紤]到雙界面卡尺寸比普通非接智能卡小以及頻帶較普通卡窄等特點(diǎn)，POS機(jī)的發(fā)射功率應(yīng)在合理范圍內(nèi)盡量增大。

4.2 雙界面卡優(yōu)化方案

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，13.56 MHz雙界面卡裝入手機(jī)后，諧振頻率會(huì)向上偏移0.5～1.5 MHz，并且雙界面卡的諧振頻率與POS機(jī)的諧振頻率的匹配性對(duì)刷卡效果有很大的影響，建議13.56 MHz雙界面卡裸卡的諧振頻率應(yīng)該在13 MHz左右。

4.3 手機(jī)優(yōu)化方案

由于不同的手機(jī)內(nèi)部電磁環(huán)境差異，諧振頻率偏移較大，為裝入手機(jī)后的雙界面卡的刷卡效果帶來(lái)不確定性，為盡量屏蔽手機(jī)電磁環(huán)境的差異性，建議大力推廣使用雙界面定制終端，將天線定制在手機(jī)的后蓋中，一方面增加天線的尺寸，另一方面拉大和電池的距離，并通過(guò)后蓋的屏蔽涂層，增強(qiáng)對(duì)手機(jī)電磁干擾的屏蔽。在雙界面卡安裝在定制手機(jī)后，整體諧振頻率應(yīng)調(diào)整到13.56 MHz左右。

Radio Frequency Characteristics Research of 13.56 MHz Double Interface Card

Xie Yun，Zhang Wenan
(Guangdong Research Institute of China Telecom Co.,Ltd.,Guangzhou 510630,China)

As the 3G business and mobile Internet development,mobile payment servies which apply the RFID technology becomes one of the focus business developed by telecom operators.At present,13.56 MHz double interface card is one of the main mobile payment solutions interiorly.But,the sensitivity and success rates of 13.56 MHz double interface card is insufficient ideal,which restricted its scale promotion,also restricted the entire mobile payment business scale applications.Based on lots of experiments,this article researches and analyses the key factors which influence 13.56 MHz double interface card sensitivity and success rate,and puts forward suggestions to improvement its effect.

13.56 MHz double interface card，RFID，radio frequency characteristics,mobile payment

2011-05-21）