CN102693446A - 非接触ic卡及其射频接口电路和调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触IC卡及其射频接口电路和调谐方法。非接触IC卡射频接口电路包括：天线；以及射频接口模块，包括可变电容、调谐器、开关和有源信号源，其中：所述可变电容并联连接在所述天线的两端；所述调谐器并联连接在所述天线的两端，用于调谐所述可变电容；所述开关在所述非接触IC卡的调制器输出的控制信号的控制下断开或闭合，其中，所述控制信号表示所述调制器是否工作；所述有源信号源与所述开关串联连接，所述有源信号源和所述开关形成的串联支路并联连接在所述天线的两端，所述有源信号源用于根据所述调制器输出的数据信号，生成已调信号。本发明可以在弱耦合情况下，使得读写器的解调变得容易，提高读写器的准确性。

Description

非接触IC卡及其射频接口电路和调谐方法

技术领域

本发明涉及微电子领域，尤其涉及一种非接触IC卡及其射频接口电路和调谐方法。

背景技术

集成电路（Integrated Circuit，简称：IC）卡内封装有集成电路，用以存储和处理数据。自IC卡诞生以来，经历了从存储卡到智能卡、从接触式IC 卡到非接触IC卡的发展过程。非接触IC卡又称射频卡，是世界上最近几年发展起来的一项新技术。非接触IC卡由IC芯片、天线组成，IC芯片与非接触IC卡内置的天线相连，封装在一个标准的PVC卡片内。采用非接触式IC技术，非接触IC卡在一定距离范围靠近读写器表面，通过无线电波的传递来完成数据的读写操作。当读写器对非接触IC卡进行读写操作时，读写器发出无线信号，非接触IC卡的射频（Radio Frequency，简称：RF）接口电路检测到读写器发出的无线信号，在IC芯片内部集成电路的控制下通过RF接口电路与读写器完成信号交换。

如图1所示，为现有技术中读写器与非接触IC卡进行信号交换时的等效电路原理示意图，读写器01发送无线信号的电路包括信号源U₀、电容C₁和天线11（等效为电阻R₁和电感L₁），读写器01接收非接触IC卡02发送的无线信号的电路包括滤波器、放大器和解调器。非接触IC卡02的射频接口电路包括天线12（等效为电阻R₂和电感L₂）和可调的等效负载Z₂。

如图2所示，为现有技术中读写器发送数据到非接触IC卡的电路原理示意图，当读写器01发送信号到非接触IC卡02时，读写器01调制流过天线11的电流I₁，当通过电感L₁的电流I₁改变时，会在它的周围产生变化的磁场。当非接触IC卡02的天线12进入到由电感L₁产生的变化的磁场中时，会在电感L₂上产生感生电动势U_Q2，其中，感生电动势U_Q2由两个天线之间的互感M和电流I₁决定：

$U_{Q2}=\mathrm{j\ωM}\×I_1=\mathrm{j\ωk}\sqrt{L_1\·L_2}\×I_1$

其中，互感M由两个天线之间的耦合系数k、两个天线的等效电感L₁和L₂决定：

$M=k\sqrt{L_1\·L_2}$

在非接触IC卡02的电感L₂上产生的感生电动势U_Q2会改变电流I₂，这样经过读写器01调制过的电流I₁改变电流I₂，非接触IC卡02的解调器14通过检测感生电动势U_Q2或电流I₂的变化，可以得到读写器01发送的信号。

如图3所示，为现有技术中非接触IC卡发送数据到读写器的等效射频接口电路原理示意图，当非接触IC卡02发送信号到读写器01时，非接触IC卡02根据其调制器13输出的数据信号改变等效负载Z₂从而调制流过天线12（电感L₂）的电流I₂，基于互感原理，会在天线（电感L₁）上产生感生电动势，该感生电动势以等效阻抗Z’_TAG表示，等效阻抗Z’_TAG由以下公式决定：

${Z^{\′}}_{\mathrm{TAG}}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{k}^2{L}_1{L}_2}{R_2+\mathrm{j\ω}{L}_2+Z_2}$

从上式可以看出，根据非接触IC卡的调制器输出的数据信号改变非接触IC卡02上的等效负载Z₂，可以改变读写器01上的电流I₁，读写器01的解调器通过检测电流I₁的变化，可以得到非接触IC卡02发送的信号。

图2和图3所示两个方向的信号交换都是通过天线（电感）之间的耦合进行的，无需通过有线接触，这就是非接触IC卡的工作原理。

如图4所示，为现有技术中非接触IC卡的等效负载Z₂的等效电路原理示意图，等效负载Z₂等效为并联的可变电容C₂和可变电阻R_L，在非接触IC卡02上集成电路改变Z₂的方式有两种：改变可变电容C₂以及可变电阻R_L。以改变可变电阻R_L为例，根据非接触IC卡的调制器输出的数据信号，可变电阻R_L在可以在低阻和高阻两个阻值之间进行切换。其中，当可变电阻R_L在低阻处时，可以认为可变电阻R_L的电阻为0，相当于短路，当可变电阻R_L在高阻处时，可以认为可变电阻R_L的电阻为∞，相当于开路。例如，当调制器输出数据“0”时，可变电阻R_L在低阻处，当调制器输出数据“1”时，可变电阻R_L在高阻处。

当可变电阻R_L在低阻处时，等效阻抗Z’_TAG可以表示为：

${Z^{\′}}_{\mathrm{TAG}}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{k}^2{L}_1{L}_2}{R_2+{\mathrm{j\ωL}}_2}$

当可变电阻R_L在高阻处时，等效阻抗Z’_TAG可以表示为：

${Z^{\′}}_{\mathrm{TAG}}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{k}^2{L}_1{L}_2}{R_2+{\mathrm{j\ωL}}_2+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2}}$

在非接触IC卡02工作的载波信号频率，存在如下关系：

$R_2<<{\mathrm{\&omega;L}}_2,R_2<<\frac{1}{{\mathrm{\&omega;C}}_2}$

因此，在读写器01的解调器看来，当可变电阻R_L在低阻时，等效阻抗Z’_TAG的阻抗最小；当可变电阻R_L在高阻时，等效阻抗Z’_TAG的阻抗最大。非接触IC卡02天线（电感L2）与读写器01天线（电感L1）之间的耦合系数k的范围是：0≤k≤1。其中，当k=0时，对应于两个天线之间完全没有耦合。当k=1，对应于两个天线之间完全耦合，通过两个天线的磁通量完全一致。而在实际使用中，耦合系数k远远小于1。由于受两个天线的物理尺寸、相对位置、天线之间以及周围的物理屏蔽等多种因素的影响，耦合系数k会降低到只有1%。再参见图3，读写器01的解调器需要检测等效阻抗Z’_TAG的变化。等效阻抗Z’_TAG是与耦合系数k的平方成正比的，即使当可变电阻R_L在低阻处，等效阻抗Z’_TAG的阻抗最大时，由于耦合系数k非常小，导致R_L在高阻处的等效阻抗Z’_TAG相对于R_L在低阻处的等效阻抗Z’_TAG的变化非常微弱，造成在耦合系数k非常小的时候，读写器01的解调非常困难，容易出错，从而导致读写器01的准确性较低。

发明内容

本发明提供一种非接触IC卡及其射频接口电路和调谐方法，用以实现在弱耦合情况下，使得读写器的解调变得容易，提高读写器的准确性。

本发明提供一种非接触IC卡射频接口电路，包括：

天线，用于与读写器进行耦合；以及

射频接口模块，包括可变电容、调谐器、开关和有源信号源，其中：

所述可变电容并联连接在所述天线的两端；

所述调谐器并联连接在所述天线的两端，用于调谐所述可变电容；

所述开关在所述非接触IC卡的调制器输出的控制信号的控制下断开或闭合，其中，所述控制信号表示所述调制器是否工作；

所述有源信号源与所述开关串联连接，所述有源信号源和所述开关形成的串联支路并联连接在所述天线的两端，所述有源信号源用于根据所述调制器输出的数据信号，生成已调信号。

本发明还提供一种非接触IC卡，包括射频接口电路和逻辑处理电路，所述射频接口电路包括：

天线，用于与读写器进行耦合；以及

射频接口模块，包括可变电容、调谐器、开关和有源信号源，其中：

所述可变电容并联连接在所述天线的两端；

所述调谐器并联连接在所述天线的两端，用于调谐所述可变电容；

所述开关在所述非接触IC卡的调制器输出的控制信号的控制下断开或闭合，其中，所述控制信号表示所述调制器是否工作；

所述有源信号源与所述开关串联连接，所述有源信号源和所述开关形成的串联支路并联连接在所述天线的两端，所述有源信号源用于根据所述调制器输出的数据信号，生成已调信号。

本发明还提供一种非接触近场通信系统，包括读写器和非接触集成电路IC卡，所述非接触集成电路IC卡包括射频接口电路和逻辑处理电路，所述射频接口电路包括：

天线，用于与读写器进行耦合；以及

射频接口模块，包括可变电容、调谐器、开关和有源信号源，其中：

所述可变电容并联连接在所述天线的两端；

所述调谐器并联连接在所述天线的两端，用于调谐所述可变电容；

所述开关在所述非接触IC卡的调制器输出的控制信号的控制下断开或闭合，其中，所述控制信号表示所述调制器是否工作；

所述有源信号源与所述开关串联连接，所述有源信号源和所述开关形成的串联支路并联连接在所述天线的两端，所述有源信号源用于根据所述调制器输出的数据信号，生成已调信号。

本发明还提供一种非接触IC卡射频接口电路的调谐方法，所述射频接口电路包括天线和射频接口模块，所述射频接口模块包括可变电容、调谐器、开关和有源信号源，所述可变电容并联连接在所述天线的两端，所述调谐器并联连接在所述天线的两端，所述有源信号源与所述开关串联连接，所述有源信号源和所述开关形成的串联支路并联连接在所述天线的两端；

所述方法包括：

采用所述调谐器，调谐所述可变电容；

采用所述非接触IC卡的调制器输出的控制信号，控制所述开关断开或闭合，其中，所述控制信号表示所述调制器是否工作；

采用所述有源信号源，根据所述调制器输出的数据信号，生成已调信号。

在本发明实施例中，当非接触IC卡向读写器发送信号时，读写器端的感生电动势与耦合系数k成正比，相对于现有技术中等效阻抗Z’_TAG与耦合系数k的平方成正比，即使耦合系数k非常小，读写器的解调器仍然可以看到足够大的电流I₁的变化，从而使得读写器的解调变得容易，提高了读写器的准确性。

附图说明

图1为现有技术中读写器与非接触IC卡进行信息交换时的等效电路原理示意图；

图2为现有技术中读写器发送数据到非接触IC卡的等效射频接口电路原理示意图；

图3为现有技术中非接触IC卡发送数据到读写器的等效射频接口电路原理示意图；

图4为现有技术中非接触IC卡的等效负载Z₂的等效电路原理示意图；

图5为本发明非接触近场通信系统第一实施例的电路示意图；

图6为本发明非接触近场通信系统第一实施例中读写器向非接触IC卡发送信号的等效射频接口电路工作原理示意图；

图7为本发明非接触近场通信系统第一实施例中非接触IC卡向读写器发送信号的等效射频接口电路工作原理示意图；

图8为本发明非接触近场通信系统第二实施例的电路示意图；

图9为本发明非接触IC卡射频接口电路的调谐方法第一实施例的流程示意图；

图10为本发明非接触IC卡射频接口电路的调谐方法第二实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

如图5所示，为本发明非接触近场通信系统第一实施例的电路示意图，该非接触近场通信系统可以包括读写器01和非接触IC卡02，其中，非接触IC卡02可以包括射频接口电路51和逻辑处理电路53。其中，射频接口电路51可以包括天线12和射频接口模块52，射频接口模块52可以包括可变电容C₂、调谐器521、开关K和有源信号源U_TAG。可变电容C₂并联连接在天线12的两端；调谐器521并联连接在天线12的两端。有源信号源522与开关K串联连接，有源信号源U_TAG和开关K形成的串联支路并联连接在天线12的两端。

天线12用于与读写器01进行耦合。调谐器521用于调谐可变电容，将射频接口电路51调谐到需要的谐振频率上。开关K在非接触IC卡02的调制器13输出的控制信号的控制下断开或闭合，其中，控制信号表示调制器13是否工作；具体地，当调制器13工作时，开关K在调制器13输出的控制信号的控制下闭合；当调制器13不工作时，开关K在调制器13输出的控制信号的控制下断开。有源信号源U_TAG用于根据非接触IC卡02的调制器13输出的数据信号，生成已调信号。该已调信号可以是电压信号或电流信号，其大小随着调制器13输出的数据信号而变化。

如图6所示，为本发明非接触近场通信系统第一实施例中读写器向非接触IC卡发送信号的等效射频接口电路工作原理示意图，当非接触IC卡02接收读写器01发送的信号时，调制器13不工作，调制器13向开关K发送控制信号控制开关K断开，从而将有源信号源U_TAG从接收环路中断开。读写器01调制流过天线11的电流I₁，当通过电感L₁的电流I₁改变时，会在电感L₁的周围产生变化的磁场，当非接触IC卡02的天线12进入到由电感L₁产生的变化的磁场中，会在电感L₂上产生感生电动势U_Q2，感生电动势U_Q2由两个天线之间的互感M和电流I₁决定：

$U_{Q2}={\mathrm{j\&omega;M}\&times;I}_1=\mathrm{j\&omega;k}\sqrt{L_1\&CenterDot;L_2}\&times;I_1$

其中互感M由两个天线之间的耦合系数k、两个天线的等效电感L₁、L₂决定：

$M=k\sqrt{L_1\&CenterDot;L_2}$

当通过电感L₁的电流I₁改变时，在非接触IC卡02的电感L₂上产生的感生电动势U_Q2会改变，进而改变电流I₂。这样通过读写器01调制过的电流I₁改变电流I₂。非接触IC卡02上的解调器14通过检测感生电动势U_Q2或电流I₂的变化，可以得到读写器01发送的信息。

如图7所示，为本发明非接触近场通信系统第一实施例中非接触IC卡向读写器发送信号的等效射频接口电路工作原理示意图，当非接触IC卡02发送信号到读写器01时，调制器13工作。调制器13向开关K发送控制信号下，控制开关K闭合，从而将有源信号源U_TAG接入到接收环路中，有源信号源U_TAG根据调制器13发送的数据信号，生成已调信号。在本实施例中，该已调信号是电压信号，由于该已调信号的电压U_TAG随着调制器13发送的数据信号的不同而变化，因此改变了流过天线12的电流I’₂。当通过电感L₂的电流I’₂改变时，会在电感L₂的周围产生变化的磁场。当非接触IC卡02的天线12到达读写器01的天线11附近时，会在读写器01的电感L₁上产生感生电动势U_TAG’。 感生电动势U_TAG’由两个天线之间的互感M和通过电感L₂的电流I’₂决定：

$U_{{\mathrm{TAG}}^{\&prime;}}=\mathrm{j\&omega;M}\&times;{I^{\&prime;}}_2=\mathrm{j\&omega;k}\sqrt{L_1\&CenterDot;L_2}\&times;{I^{\&prime;}}_2$

因为有源信号源U_TAG输出的电压的变化而改变的通过电感L₂的电流I’₂按照下式计算：

${I^{\&prime;}}_2\&ap;\frac{U_{\mathrm{TAG}}}{{\mathrm{j\&omega;L}}_2}$

因此，在读写器01的天线11（电感L₁）上产生感生电动势U_TAG’可以表示为：

$U_{{\mathrm{TAG}}^{\&prime;}}=\mathrm{j\&omega;M}\&times;{I^{\&prime;}}_2=\mathrm{j\&omega;k}\sqrt{L_1\&CenterDot;L_2}\&times;\frac{U_{\mathrm{TAG}}}{{\mathrm{j\&omega;L}}_2}=\frac{k\sqrt{L_1}}{\sqrt{L_2}}\&times;U_{\mathrm{TAG}}$

感生电动势U_TAG’的变化会导致读写器01的电流I₁的变化，读写器01的解调器通过检测电流I₁的变化，可以得到非接触IC卡02发送的信号。因为感生电动势U_TAG’与耦合系数k和有源信号源U_TAG输出的电压U_TAG成正比，相对于现有技术中等效阻抗Z’_TAG与耦合系数k的平方成正比，即使耦合系数k非常小，读写器01的解调器仍然可以看到足够大的电流I₁的变化，从而使得读写器01的解调变得容易，提高了读写器01的准确性。

如图8所示，为本发明非接触近场通信系统第二实施例的电路示意图，与图5所示示意图的不同之处在于，射频接口模块52还可以包括载波和时钟提取电路523，与天线12的一端连接。

在本实施例中，载波和时钟提取电路523用于提取读写器01发出的载波和时钟信息，将载波和时钟信息发送给调制器13和非接触IC卡02的解调器14。这样，调制器13采用该载波和时钟信息进行调制，使得读写器01可以对非接触IC卡02发送的信号进行更准确的解调。解调器14采用该载波和时钟信息可以对读写器01发送的信号进行更准确的解调。

如图9所示，为本发明非接触IC卡射频接口电路的调谐方法第一实施例的流程示意图，本实施例可以应用于图5所示非接触IC卡02的射频接口电路51，可以包括如下步骤：

步骤91、采用调谐器521，调谐可变电容C₂；

本步骤可以将射频接口电路51调谐到需要的谐振频率上。

步骤92、采用非接触IC卡02的调制器13输出的控制信号，控制开关K断开或闭合；

其中，控制信号表示调制器13是否工作；当调制器13工作时，采用调制器13输出的控制信号，控制开关K闭合；当调制器13不工作时，采用调制器13输出的控制信号，控制开关K断开。

步骤93、采用有源信号源U_TAG，根据调制器13输出的数据信号，生成已调信号；

通过本步骤，有源信号源U_TAG输出已调信号，并且该已调信号的大小随着调制器13输出的数据信号而变化，该已调信号可以为电压信号或电流信号。

参见图7所示示意图，当调制器13工作时，开关K闭合，有源信号源U_TAG输出已调信号，由于该已调信号的电压U_TAG是变化的，导致在读写器01的天线11（电感L₁）上产生感生电动势U_TAG’ 与耦合系数k和有源信号源U_TAG输出的电压U_TAG成正比，相对于现有技术中等效阻抗Z’_TAG与耦合系数k的平方成正比，即使耦合系数k非常小，读写器01的解调器仍然可以看到足够大的电流I₁的变化，从而使得读写器01的解调变得容易，提高了读写器01的准确性。

如图10所示，为本发明非接触IC卡射频接口电路的调谐方法第二实施例的流程示意图，本实施例可以应用于图8所示非接触IC卡02的射频接口电路51，与图9所示示意图的不同之处在于，步骤91之后还可以包括如下步骤：

步骤101、采用载波和时钟提取电路523，提取读写器01发出的载波和时钟信息，将载波和时钟信息发送给调制器13和非接触IC卡02的解调器14。

载波和时钟提取电路523提取读写器01发出的载波和时钟信息，将载波和时钟信息发送给调制器13和非接触IC卡02的解调器14，调制器13和解调器14采用该载波和时钟信息进行调制和解调，可以使得读写器01对非接触IC卡02发送的信号进行更准确的解调，解调器14对读写器01发送的信号进行更准确的解调。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种非接触IC卡射频接口电路，其特征在于，包括：

天线，用于与读写器进行耦合；以及

射频接口模块，包括可变电容、调谐器、开关和有源信号源，其中：

所述可变电容并联连接在所述天线的两端；

所述调谐器并联连接在所述天线的两端，用于调谐所述可变电容；

所述开关在所述非接触IC卡的调制器输出的控制信号的控制下断开或闭合，其中，所述控制信号表示所述调制器是否工作；

所述有源信号源与所述开关串联连接，所述有源信号源和所述开关形成的串联支路并联连接在所述天线的两端，所述有源信号源用于根据所述调制器输出的数据信号，生成已调信号。

2.根据权利要求1所述的非接触IC卡射频接口电路，其特征在于，所述开关在所述调制器输出的控制信号的控制下断开或闭合包括：

当所述调制器工作时，所述开关在所述调制器输出的控制信号的控制下闭合；

当所述调制器不工作时，所述开关在所述调制器输出的控制信号的控制下断开。

3.根据权利要求1所述的非接触IC卡射频接口电路，其特征在于，所述射频接口模块还包括：

载波和时钟提取电路，与所述天线的一端连接，用于提取所述读写器发出的载波和时钟信息，将所述载波和时钟信息发送给所述调制器和所述非接触IC卡的解调器。

4.一种非接触IC卡，包括射频接口电路和逻辑处理电路，其特征在于，所述射频接口电路包括权利要求1-3任一所述的非接触IC卡射频接口电路。

5.一种非接触近场通信系统，包括读写器和非接触集成电路IC卡，所述非接触集成电路IC卡包括射频接口电路和逻辑处理电路，其特征在于，所述射频接口电路包括权利要求1-3任一所述的非接触IC卡射频电路。

6.一种非接触IC卡射频接口电路的调谐方法，其特征在于，所述射频接口电路包括天线和射频接口模块，所述射频接口模块包括可变电容、调谐器、开关和有源信号源，所述可变电容并联连接在所述天线的两端，所述调谐器并联连接在所述天线的两端，所述有源信号源与所述开关串联连接，所述有源信号源和所述开关形成的串联支路并联连接在所述天线的两端；

所述方法包括：

采用所述调谐器，调谐所述可变电容；

采用所述非接触IC卡的调制器输出的控制信号，控制所述开关断开或闭合，其中，所述控制信号表示所述调制器是否工作；

采用所述有源信号源，根据所述调制器输出的数据信号，生成已调信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述采用所述非接触IC卡的调制器输出的控制信号，控制所述开关断开或闭合包括：

当所述调制器工作时，采用所述调制器输出的控制信号，控制所述开关闭合；

当所述调制器不工作时，采用所述调制器输出的控制信号，控制所述开关断开。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述射频接口模块还包括载波和时钟提取电路，与所述天线的一端连接；

所述方法还包括：

采用所述载波和时钟提取电路，提取所述读写器发出的载波和时钟信息，将所述载波和时钟信息发送给所述调制器和所述非接触IC卡的解调器。

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