CN101464962B - 非接触式ic卡的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式IC卡及其设计方法以及一种天线结构，涉及智能卡技术领域，为降低非接触式IC卡所要求的最小工作场强而发明。其中所述非接触式IC卡，包括：天线模块和与所述天线模块连接的IC卡模块，在所述天线模块的两端并联有附加电容。本发明降低了非接触式IC卡所要求的最小工作场强。

Description

非接触式IC卡的设计方法

技术领域

本发明涉及智能卡技术领域，尤其涉及一种非接触式IC卡及其设计方法，以及一种天线结构。 

背景技术

智能卡又称为IC卡，一般有两种：接触式IC卡和非接触式IC卡。其中，所述接触式IC卡是通过机械触点获取能量和进行数据交换；而非接触式IC卡又称为射频卡，是通过天线线圈感应获取能量和进行数据交换。根据ISO/IEC14443协议，标准ID-1型非接触式IC卡的面积为85.6mm*53.98mm，在1.5A/M-7.5A/M的场强下可正常工作。 

随着非接触式IC卡的应用领域不断扩展，用户对非接触式IC卡的小型化的要求增加。目前来讲，一般是通过减小非接触式IC卡的天线的面积来实现其小型化。 

为保证具有小面积天线的非接触式IC卡的正常工作，例如，可通过增加天线匝数的方法来抵消由于天线面积减小而带来的弊端。在这种方式下，通过增加天线的匝数来增加天线的电感量，从而抵消了因天线面积减小而造成的卡片谐振频率升高。但是，在这种方式下，由于天线面积的减小而不能无限的增加天线匝数，也就是说，在保证非接触式IC卡正常工作的前提下，天线面积的减小是有限的。因此，在这种方式下，小型化后的非接触式IC卡还是很难满足用户的要求。或者，还可以通过在非接触式IC卡的天线线圈中增加高磁导率磁芯的方式，来保证小面积天线的正常工作。但是，这种方式成本高，加工工艺复杂，并且非接触式IC的应用场合可能会受到限制。

另外，因为设计限制，天线匝数只能保持较少的数量，此时也难以保证正常工作所必须的天线的电感量。如何实现在天线电感量偏少的情况下，非接触式IC卡可以保证足够的工作场强，这也是急需解决的问题。 

发明内容

本发明提供一种非接触式IC卡及其设计方法，以降低非接触式IC卡正常工作所要求的最小工作场强。 

本发明实施例采用如下技术方案： 

一种非接触式IC卡，包括：天线模块和与所述天线模块连接的IC卡模块，在所述天线模块的两端并联有附加电容。 

一种非接触式IC卡的设计方法，所述非接触式IC卡包括天线模块和与所述天线模块连接的IC卡模块，包括： 

将附加电容并联连接到所述非接触式IC卡中天线模块的两端； 

调节所述附加电容的电容值，使得所述非接触式IC卡的谐振频率位于非接触式IC卡的正常的工作频率范围内。 

本发明非接触式IC卡及其设计方法，通过在所述非接触式IC卡的天线模块两端并联附加电容，使得在天线模块面积减小或者天线匝数减少等情况下而导致电感值减少，可通过调节所述附加电容的电容值来降低所述非接触式IC卡的谐振频率，从而使得所述非接触式IC卡能够工作在正常的工作频率范围内。可以根据实际应用的需要，通过这种方式确定天线模块的电感值和附加电容的电容值，使得非接触式IC卡获得的感应电动势和其谐振频率达到最佳平衡，负载调制最大，进而实现非接触式IC卡正常工作所要求的最小工作场强最小，保证其正常工作。 

一种天线结构，包括天线线圈，在所述天线线圈的两个抽头之间连接有附加电容。 

本发明天线结构通过在天线线圈的两个抽头之间连接有附加电容，可使得在天线线圈面积减小或者天线匝数减少等情况下而导致电感值减少，可通过调节所述附加电容的电容值来降低具有所述天线结构的设备的谐振频率，从而使得所述设备能够工作在正常的工作频率范围内。可以根据实际应用的需要，通过这种方式确定天线线圈的电感值和附加电容的电容值，使得具有所述天线结构的设备获得的感应电动势和其谐振频率达到最佳平衡，负载调制最大，进而实现具有所述天线结构的设备正常工作所要求的最小工作场强最小。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为本发明非接触式IC卡的等效电路图； 

图2为本发明非接触式IC卡的天线模块为线绕天线时的示意图； 

图3和图4分别为本发明非接触式IC卡的天线模块为蚀刻天线时，附加电容采用标准电容时，印制电路板的正面和背面示意图； 

图5和图6分别为本发明非接触式IC卡的天线模块为蚀刻天线时，附加电容采用平行板电容时，印制电路板的正面和背面示意图； 

图7为本发明非接触式IC卡的设计方法的流程图。 

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

需要说明的是，在本发明实施例中，非接触式IC卡指所有具有天线以非接触方式工作的集成电路卡，如：具有CPU模块的CPU卡，不含CPU模块的逻辑加密卡(如Mifare、Felick)等。 

根据现有技术，非接触式IC卡的工作原理是：在非接触式IC卡进入外部读写器产生的射频场后，其内部的天线通过耦合产生电流，LC谐振电路产生共振，该谐振电路中的电容充电。并且，在非接触式IC卡芯片内部接有一个单向导通的电荷泵，将该谐振电路储存的能量送到电荷泵的储能电容中。当所积累的电荷达到一定电压时，此储能电容可作为电源为其它电路提供工作电压。 

另外，非接触式IC卡的谐振频率计算公式为： 

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_{\mathrm{coil}}\·(C_{\mathrm{coil}}+C_{\mathrm{ext}}+C_{\mathrm{mount}}+C_{\mathrm{IC}})}}---\left(1\right)$

其中，f为非接触式IC卡的谐振频率，C_ext为所述附加电容的电容量，L_coil为所述天线模块的电感量，C_coil为所述天线模块的电容量，C_mount+C_IC为所述IC卡模块的等效电容量。并且，在实际应用中，影响非接触式IC卡和外部读写器之间的读写距离的因素主要有以下两点： 

(1)非接触式IC卡从射频场中获得的工作能量：获得的工作能量越大，非接触式IC卡的工作距离越远；(2)负载调制：负载调制越大，读写器可以读取非接触式IC卡响应数据的距离越远。 

此外，由上式(1)可以看出，在非接触式IC卡小型化的过程中，若减小其天线模块的面积或者减少天线匝数，这将会导致天线模块的电感量减小，谐振频率增加，从而影响非接触式IC卡的工作性能。 

如图1所示，为本发明的非接触式IC卡的等效电路图。在具体应用中，非接触式IC卡中的天线线圈可等效成图1中的天线模块11，实际实现中，天线模块11可以为绕线天线或者蚀刻天线。因此，考虑到上述因素，本发明的非接触式IC卡包括：天线模块11和与所述天线模块连接的IC卡模块12，并且在所述天线模块的两端并联有附加电容13。当所述天线的电感量发生变化时，通过调节该附加电容13的电容值，就可将所述非接触式IC卡的谐振频率控制在正常的工作频率下。 

在具体实现过程中，所述的附加电容可至少包括以下三种实现形式： 

方式一：当所述天线为绕线天线时，所述附加电容13可绑定在所述非接触式IC卡的IC卡模块中。也就是说，在设计所述非接触式IC卡的过程中，可将附加电容13的电容值设计到所述IC卡模块中电容的电容值中。如图2所示，绕线天线三圈时，在基材1上安装绕线天线2和已绑定附加电容的IC卡模块3。也可以在绕线天线的两个抽头之间并联一附加电容，并连接到IC卡模块。 

方式二：当所述天线为蚀刻天线时，所述附加电容13可采用标准电容，直接焊接在电路板预留焊盘上。如图3所示，在印制电路板1的正面制有两圈天线2，如图4所示，在印制电路板1的反面制有一圈天线2，印制电路板1中部的两个焊点A用来安装IC卡模块，下部的两个焊点B用来安装附加电容，天线的两个抽头分别连接附加电容的焊点B后再与IC卡模块连接。 

方式三：当所述天线为蚀刻天线时，所述附加电容13可采用平行板电容。如图5和图6所示，分别为设置有附加电容13的印制电路板的正面和背面示意图。实现时，可以在蚀刻天线时，利用印制电路板的正面和背面的相对位置走线，如图5和图6所示的较宽大走线部分13，形成平行板电容，再将天线的两个抽头引出与IC模块连接；还可以分别在印制电路板的正面和背面相对位置粘贴一金属片，两金属片形成平行板电容，天线的两抽头分别连接金属片，再与IC卡模块连接。在这种情况下，所述附加电容13的计算公式如下： 

$A_{\mathrm{eff}}=\frac{C\×h}{{\mathrm{\ϵ}}_0\×{\mathrm{\ϵ}}_r};$

$A={\{{[{\mathrm{Ae}}_{\mathrm{ff}}+\frac{({\mathrm{\β}}^2-4)\·h^2}{4}]}^{\frac{1}{2}}-\frac{\mathrm{\β}\·h}{2}\}}^2=a\·b;$

上式中，A_eff为电容的有效面积；h为印制板介质厚度；C为电容值；ε₀为绝对介电常数，为8.85x10^-12C²/N*m²；ε_r为介质的相对介电常数；A＝a×b为电容的实际面积； $\mathrm{\β}=\sqrt{a/b+b/a}.$

本发明非接触式IC卡，通过在所述非接触式IC卡的天线模块两端并联附加电容，使得在天线模块面积减小或者天线匝数减少等情况下而导致电感值减少，可通过调节所述附加电容的电容值来降低所述非接触式IC卡的谐振频率，从而使得所述非接触式IC卡能够工作在正常的工作频率范围内。可以根据实际应用的需要，通过这种方式确定天线模块的电感值和附加电容的电容值，使得非接触式IC卡获得的感应电动势和其谐振频率达到最佳平衡，负载调制最大，进而实现非接触式IC卡正常工作所要求的最小工作场强最小。 

本发明还提供了一种非接触式IC卡的设计方法，如图7所示，包括如下步骤： 

步骤71、将附加电容按照图1所示的方式并联连接到所述非接触式IC卡中天线模块的两端。 

步骤72、调节所述附加电容的电容值，使得所述非接触式IC卡的谐振频率位于非接触式IC卡的正常的工作频率范围内。 

在此步骤中，可首先获取所述天线模块的电感量和电容量以及所述IC卡模块的等效电容量。然后，在非接触式IC卡的正常工作频率下，利用所述天线模块的电感量和电容量和所述IC卡模块的等效电容量，调节所述附加电容的电容值。 

对式(1)进行变形，可得：所述附加电容的电容值的计算方式为： 

$C_{\mathrm{ext}}=\frac{1}{4\×{\mathrm{\π}}^2\×f^2\×L_{\mathrm{coil}}}-(C_{\mathrm{coil}}+C_{\mathrm{mount}}+C_{\mathrm{IC}})---\left(2\right);$

其中，C_ext为所述附加电容的电容量；f为非接触式IC卡的正常工作频率；L_coil：为所述天线模块的电感量；C_coil为所述天线模块的电容量；C_mount+C_IC为所述IC卡模块的等效电容量，包括：所述IC卡模块的封装电容量和IC卡模块本身的电容量。 

并且，所述天线模块可为绕线天线或蚀刻天线，所述附加电容可为标准电容或平行板电容。 

下面结合实施例对上述方法作进一步地说明。 

以符合ISO/IEC14443标准的13.56MHz非接触式IC卡的设计为例，其他的频率同样适用，天线模块采用蚀刻天线，附加电容为标准电容。其中，天线直径：D＝2.1cm；IC卡模块本身电容：C_IC＝27pf；IC卡模块的封装电容：C_mount＝3pf；线圈电容C_coil忽略。根据公式(2)可得出： 

1、当天线线圈数N＝8时，经测量L_coil＝4592nH，根据谐振频率f＝13.56MHz，计算得C_ext≈0pF。此时，非接触式IC卡正常工作所要求的最小工作场强为2.9A/m。 

2、当天线线圈数N＝5时，经测量L_coil＝1378nH，根据谐振频率f＝13.56MHz，计算得C_ext≈70pF。此时，非接触式IC卡正常工作所要求的最小工作场强为2.1A/m。 

3、当天线线圈数N＝3时，经测量L_coil＝365nH，根据谐振频率f＝13.56MHz，计算C_ext≈347pF。此时，非接触式IC卡正常工作所要求的最小工作场强为1.9A/m。 

综上，可得到如下实验数据： 

圈数N	Lcoil(nH)	Cext(pF)	最小工作场强要求(A/m)
				8	4592	0	2.9
5	1378	70	2.1
				3	365	347	1.9

通过以上数据，可知当天线线圈数N＝3时，增加附加电容的电容值，使谐振频率接近13.56MHz的载波频率，非接触式IC卡获得的感应电动势和其谐振频率达到最佳平衡，负载调制最大，非接触式IC卡正常工作所要求的最小工作场强较天线线圈数为五圈和八圈时小。所以，当天线面积减小时，通过增加附加电容的电容值的方法，可以有效减小非接触IC卡正常工作所要求的最小工作场强。 

综上所述，本发明非接触式IC卡及其设计方法，通过在所述非接触式IC卡的天线模块两端并联附加电容，使得在天线模块面积减小或者天线匝数减少等情况下而导致电感值减少，可通过调节所述附加电容的电容值来降低所述非接触式IC卡的谐振频率，从而使得所述非接触式IC卡能够工作在正常的工作频率范围内。可以根据实际应用的需要，通过这种方式确定天线的电感值和附加电容的电容值，使得非接触式IC卡获得的感应电动势和其谐振频率达到最佳平衡，负载调制最大，进而实现非接触式IC卡正常工作所要求的最小工作场强最小。 

本发明还提供了一种天线结构，包括天线线圈，在所述天线线圈的两个抽头之间连接有附加电容。 

本发明所述的天线结构可应用在非接触式IC卡，电子标签以及一些其他应用到此种天线结构的非接触式设备中。 

因此，本发明天线结构通过在天线线圈的两个抽头之间连接有附加电容，可使得在天线线圈面积减小或者天线匝数减少等情况下而导致电感值减少，可通过调节所述附加电容的电容值来降低具有所述天线结构的设备的谐振频率，从而使得所述设备能够工作在正常的工作频率范围内。可以根据实际应用的需要，通过这种方式确定天线线圈的电感值和附加电容的电容值，使得具有所述天线结构的设备获得的感应电动势和其谐振频率达到最佳平衡，负载调制最大，进而实现具有所述天线结构的设备正常工作所要求的最小工作场强最小。 

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种非接触式IC卡的设计方法，所述非接触式IC卡包括天线模块和与所述天线模块连接的IC卡模块，其特征在于，包括：

将附加电容并联连接到所述非接触式IC卡中天线模块的两端；

调节所述附加电容的电容值，使得所述非接触式IC卡的谐振频率位于非接触式IC卡的正常的工作频率范围内；

所述IC卡模块的等效电容量包括：所述IC卡模块的封装电容量和IC卡模块本身的电容量；

其中，所述调节所述附加电容的电容值的步骤包括：

获取所述天线模块的电感量和电容量；

获取所述IC卡模块的等效电容量；

在非接触式IC卡的正常工作频率下，利用所述天线模块的电感量和电容量和所述IC卡模块的等效电容量，调节所述附加电容的电容值；其中，所述附加电容的电容值的计算方式为：

$C_{\mathrm{ext}}=\frac{1}{4\×{\mathrm{\π}}^2\×f^2\×L_{\mathrm{coil}}}-(C_{\mathrm{coil}}+C_{\mathrm{mount}}+C_{\mathrm{IC}});$

其中，C_ext为所述附加电容的电容量；f为非接触式IC卡的正常工作频率;L_coil为所述天线模块的电感量；C_coil为所述天线模块的电容量；C_mount+C_IC为所述IC卡模块的等效电容量。

2.根据权利要求1所述的非接触式IC卡的设计方法，其特征在于，所述天线模块为绕线天线或蚀刻天线。

3.根据权利要求1所述的非接触式IC卡的设计方法，其特征在于，所述附加电容为标准电容或平行板电容。

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