13.56 MHz雙界面卡射頻特性研究

謝 云，張文安

（中國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

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

隨著3G業(yè)務和移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，以RFID智能卡為核心的移動支付成為各大運營商重點發(fā)展的業(yè)務。13.56 MHz雙界面卡作為現(xiàn)階段國內(nèi)移動支付RFID智能卡主要解決方案之一，從實際使用效果來看，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，也制約了整個移動支付業(yè)務的規(guī)模應用。本文通過對現(xiàn)網(wǎng)產(chǎn)品射頻特性的測試，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鍵因素，提出改進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；移動支付

1 引言

從2006年開始，國內(nèi)的電信運營商及金融機構持續(xù)對移動支付進行了研究、試點，到2010年，國內(nèi)的移動支付業(yè)務呈現(xiàn)爆發(fā)性的發(fā)展。首先，中國移動高調(diào)推出其手機錢包業(yè)務，并在央視密級播放“手機錢包”業(yè)務廣告，全國多個省份同步開放業(yè)務受理。中國電信緊隨其后，從集團到各省公司全力推廣面向公眾的“翼支付”業(yè)務和面向企業(yè)學校的“翼機通”移動支付業(yè)務品牌。中國聯(lián)通也在多個省進行了移動支付的業(yè)務發(fā)布。2010年國內(nèi)發(fā)展的移動支付用戶數(shù)超過500萬戶，其中中國電信一家發(fā)展的用戶數(shù)約300萬戶。移動支付業(yè)務進入實質(zhì)性的商業(yè)階段。

13.56 MHz雙界面卡是現(xiàn)階段國內(nèi)移動支付RFID智能卡主要解決方案之一（下面所提到的移動支付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SIM/UIM卡上集成RFID處理芯片，并從SIM/UIM卡引出RFID感應線圈，以13.56 MHz為工作頻率，同時實現(xiàn)接觸式應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)普遍應用的13.56 MHz頻率通信，可復用現(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，對手機終端要求低，業(yè)務實施方便快速，受到了運營商和金融機構的青睞，2010年，采用13.56 MHz雙界面卡方案發(fā)展的用戶約占目前國內(nèi)移動支付用戶數(shù)的一半。但是，現(xiàn)有的13.56 MHz雙界面卡由于天線線圈小、安裝到手機后受手機電磁環(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雙界面卡的進一步規(guī)模發(fā)展，也嚴重制約了國內(nèi)移動支付業(yè)務的進一步規(guī)模應用。本文通過對現(xiàn)網(wǎng)產(chǎn)品射頻特性的大量實驗室測試，對影響13.56 MHz雙界面卡刷卡靈敏度和成功率的關鍵因素進行了研究和分析，提出了改進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)廣泛應用于學校一卡通、企業(yè)一卡通、公交地鐵等領域，技術已經(jīng)非常成熟，雖然由于各種原因，校企一卡通、公交地鐵等各個系統(tǒng)使用的POS機具在射頻特性方面并不標準和統(tǒng)一，刷卡環(huán)境并不標準。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機具，非接智能卡與POS機具間的適配性仍然很高。

移動支付作為新興業(yè)務，具有傳統(tǒng)一卡通業(yè)務所不具備的優(yōu)勢，通過手機菜單操作，用戶可以方便地進行業(yè)務的管理，實現(xiàn)隨時隨地的賬號查詢、充值等。移動支付手機可以同時集成公交、校企、銀行等多種應用，省去用戶同時帶多張卡的麻煩。但是，移動支付核心技術——手機RFID智能卡，目前還是一種新興的技術，技術的成熟還需要一段時間。筆者通過和普通非接智能卡相比并進行理論分析，發(fā)現(xiàn)手機RFID智能卡還有以下技術難點需要攻克。

（1）線圈尺寸問題

由于受手機尺寸的限制，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，這將導致其能接收到POS機發(fā)射的功率減少。

（2）諧振頻率問題

13.56 MHz雙界面卡同時具有接觸式和非接觸式兩種應用，接觸式的應用需要將智能卡通過觸點接入到手機的線路中。在近場刷卡應用時，手機作為外加負載，會改變雙界面卡的諧振頻率。每個手機的電氣特性不一致，導致雙界面卡在每種手機的諧振頻率中的表現(xiàn)都不一致。

（3）手機電磁干擾問題

由于手機電池有金屬元件，內(nèi)部電路的電流會產(chǎn)生漩渦電場，對13.56 MHz雙界面卡與POS機之間通過電磁感應進行的數(shù)據(jù)傳輸干擾，影響刷卡效果。由于手機的電池和工藝設計不同，導致手機對其射頻特性產(chǎn)生不同的影響。

綜上所述，普通非接智能卡相對于手機RFID智能卡而言，可以做得相對標準，尺寸大，手機干擾小，電氣特性相對穩(wěn)定，所以對其POS機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用機具不標準的一個原因之一。移動支付作為新興的業(yè)務，不但要滿足支付的需要，同時還要滿足校企等行業(yè)應用的需要，這就對13.56 MHz的雙界面卡提出了很高的要求，如果設計不合理，將難以達到用戶可接受的刷卡效果。

3 雙界面卡射頻特性實驗研究

根據(jù)以上理論分析可以看到，由于受到手機各種條件的限制，導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。對此，筆者設計了相關的實驗，研究和驗證手機影響雙界面卡的射頻特性，從而影響其刷卡成功率的相關因素，從而探討提高刷卡成功率的方法。

本實驗的研究方法主要采用理論研究、實驗模擬與實測分析相結(jié)合的研究方法。首先，通過理論研究，分析最可能影響雙界面卡刷卡效果的主要因素，設計實驗方案；然后，通過測試儀器，分別對13.56 MHz雙界面卡在空氣介質(zhì)環(huán)境、裝入不同的手機終端以及與不同射頻特性的POS機匹配等各種不同場景下的能量與刷卡數(shù)據(jù)進行較為完整的實測和數(shù)據(jù)采集；最后，通過對數(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鍵參數(shù)并對其進行調(diào)整、優(yōu)化。

3.1 手機對雙界面卡電氣特性影響實驗

本實驗主要研究手機的各種部件對RFID雙界面卡電氣特性的影響，主要包括手機外蓋、手機電池、手機電路、手機加電等，測試結(jié)果主要包括在不同手機型號下雙界面卡諧振頻率、3 dB帶寬、刷卡距離、刷卡成功率等。測試采用了頻譜儀和網(wǎng)絡分析儀，分別對雙界面卡裸卡以及裝入手機終端之后的雙界面卡的射頻特性及刷卡效果進行測試，通過對比測試結(jié)果，分析手機對雙界面卡刷卡效果的影響。其中，射頻特性主要測量諧振頻率，刷卡效果采用重復測量50次，記錄每次刷卡是否成功和最大距離，計算平均刷卡距離和刷卡成功率。

3.1.1 實驗1：手機對雙界面卡諧振頻率的影響

本實驗的主要目的是研究不同手機對雙界面卡的諧振頻率、刷卡距離、刷卡成功率等影響。本實驗是利用輻射器件發(fā)射與接收等效的原理，通過網(wǎng)絡分析儀測試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，分別測試諧振頻率，測試結(jié)果見表1。

表1 裸卡諧振頻率

（2）雙界面卡裝入手機后的諧振頻率

分別將兩種卡片裝入10款不同的手機，記錄裝入手機后的諧振頻率，測試結(jié)果見表2。

從以上測試結(jié)果中，可以發(fā)現(xiàn)雙界面卡裝入手機后，受手機內(nèi)部的電磁環(huán)境影響，雙界面卡的諧振頻率一般會向上偏移。由于不同的手機電磁環(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 裝入手機后的諧振頻率

圖1 A卡裝入手機后諧振頻率對比

圖2 B卡裝入手機后諧振頻率對比

可見，手機對13.56 MHz雙界面卡諧振頻率存在很大影響。

3.1.2 實驗2：開關機對刷卡距離的影響

本實驗的主要目的是測試手機開關機對刷卡效果的影響。本實驗記錄了同種13.56 MHz雙界面卡在不同手機下，在開關機的狀態(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，在開機狀態(tài)下，雙界面卡刷卡距離普遍提高了1 cm，對刷卡效果有明顯的提高。

3.1.3 實驗3：電池漩渦電場對刷卡效果影響

本實驗主要研究手機電池的漩渦電場對13.56 MHz雙界面卡刷卡效果的影響。由于手機開機時，內(nèi)部有電流流動產(chǎn)生漩渦電場，對13.56 MHz雙界面卡感應線圈有干擾。實驗使用金屬片遮蓋電池，和沒有遮蓋電池進行對比，測試手機漩渦電場對RFID雙界面卡識別率的影響。實驗用金屬片參數(shù)：金屬片厚度為0.1 mm，質(zhì)地為銅，大小略大于所測手機電池側(cè)面面積。實驗情況如圖4所示。

圖3 手機開關機狀態(tài)下刷卡距離對比

圖4 增加電池金屬屏蔽后刷卡距離變化

實驗結(jié)論：從實驗數(shù)據(jù)可以看出，以金屬片遮蓋手機電池，將電池的漩渦電場進行了屏蔽，刷卡距離有所提高。實驗表明電池的渦旋電場對13.56 MHz雙界面卡的識別率有一定的影響。

3.1.4 實驗4：線圈和電池的距離對刷卡效果影響

本實驗主要研究13.56 MHz雙界面卡線圈和電池的距離對刷卡成功率的影響。由于手機內(nèi)部有大量金屬電路存在，一般會對13.56 MHz雙界面卡的感應線圈有影響，所以增加感應線圈與手機電池之間的距離，測試其對13.56 MHz雙界面卡識別率的影響。實驗使用了兩種卡分別安裝在不同手機，并使用厚度為0.264 mm的紙片裁剪成與電池相當?shù)某叽纾瑢⒓埰B放在手機電池與雙界面卡線圈之間，測試其刷卡距離和刷卡成功率的情況。測試結(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，從而可見線圈和電池的距離對刷卡距離的影響較大，從而也說明了手機的電池對雙界面卡電氣特性的影響較大。

3.2 POS機和雙界面卡電氣特性影響的實驗

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

3.2.1 實驗1:研究POS機發(fā)射功率對刷卡效果的影響

使用1臺可調(diào)整發(fā)射功率的POS機，將其在13.56 MHz頻點的發(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A卡和B卡重復刷卡50次，測量最大刷卡距離，測試結(jié)果見表3。

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

表3 POS機發(fā)射功率與刷卡距離對照

圖7 POS機發(fā)射功率與刷卡距離對照

可見，較大的POS機發(fā)射功率能獲得較好的刷卡效果。

3.2.2 實驗2:諧振頻率的吻合度對刷卡成功率的影響

本實驗首先記錄A、B兩張裸卡的諧振頻率及刷卡成功率，記錄POS機的諧振頻率，然后，將A、B兩張卡插入不同的手機，分別測試諧振頻率及刷卡效果。

（1）裸卡諧振頻率及刷卡效果測試

首先測試裸卡的諧振頻率和刷卡效果，測試結(jié)果見表4。

（2）POS機的諧振頻率測試

表4 裸卡諧振頻率及刷卡效果

實驗測得POS機的諧振頻率為13.7 MHz。

（3）裝入手機后的諧振頻率和刷卡效果測試

A卡裝入手機后的諧振頻率和刷卡效果測試結(jié)果見表5。B卡裝入手機后的諧振頻率和刷卡效果測試結(jié)果見表6。

對照表4、表5、表6的測試結(jié)果，可以看到：當A卡裝入手機后，諧振頻率更接近POS機的工作頻率和諧振頻率，刷卡效果改善；B卡裝入手機后，諧振頻率更偏離POS機的工作頻率和諧振頻率，刷卡效果明顯降低。因此，筆者認為雙界面卡諧振頻率與POS機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 實驗結(jié)論

13.56 MHz雙界面卡諧振頻率會受到手機影響，一般會升高。雙界面卡諧振頻率的變化對刷卡成功率影響較大，當POS機和雙界面卡的諧振頻率匹配較好時，刷卡成功率將提高。

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

手機開機將會增加刷卡距離，這通常與開機后13.56 MHz雙界面卡會通過接觸界面取電，增加非接刷卡時的發(fā)射能量有關。

表5 A卡裝入手機的諧振頻率和刷卡效果

表6 A卡裝入手機的諧振頻率和刷卡效果

4 13.56 MHz雙界面卡優(yōu)化方案

以上的實驗結(jié)果表明，由于受到手機各種情況的影響，13.56 MHz雙界面卡和普通非接智能卡相比，射頻特性在工作時的情況復雜得多。因此，在制定相關規(guī)范的時候，需要充分考慮手機電氣特性、型號、尺寸等的影響，并根據(jù)13.56 MHz雙界面卡的特點，對卡片、POS機以及手機的相關技術指標作嚴格的規(guī)范和標準。根據(jù)實驗研究的結(jié)果，建議從卡片、POS機、手機等多方面進行優(yōu)化，以改善13.56 MHz雙界面卡的刷卡效果。

4.1 POS機優(yōu)化方案

POS機的射頻參數(shù)對13.56 MHz雙界面卡的刷卡效果有很大影響，由于目前行業(yè)應用中POS機的諧振頻率標準比較混亂，造成雙界面卡刷卡成功率不高。因此，建議POS機嚴格參照現(xiàn)行國際標準制定，諧振頻率盡量在13.56 MHz附近。考慮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，POS機的發(fā)射功率應在合理范圍內(nèi)盡量增大。

4.2 雙界面卡優(yōu)化方案

從實驗結(jié)果看出，13.56 MHz雙界面卡裝入手機后，諧振頻率會向上偏移0.5～1.5 MHz，并且雙界面卡的諧振頻率與POS機的諧振頻率的匹配性對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該在13 MHz左右。

4.3 手機優(yōu)化方案

由于不同的手機內(nèi)部電磁環(huán)境差異，諧振頻率偏移較大，為裝入手機后的雙界面卡的刷卡效果帶來不確定性，為盡量屏蔽手機電磁環(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，并通過后蓋的屏蔽涂層，增強對手機電磁干擾的屏蔽。在雙界面卡安裝在定制手機后，整體諧振頻率應調(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.

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2011-05-21）