電感耦合非接觸IC卡系統的EMI問題
文章出處:http://www.nyfzw.net 作者:電子設計應用 人氣: 發表時間:2011年09月17日
引言
射頻識別(RFID)技術近年來發展迅速,并獲得了廣泛應用。但作為一種無線射頻技術,其電磁兼容(EMC)性能也越來越受到人們的關注。RFID涉及的頻率范圍甚廣,包括低于135kHz、13.56MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz、5.8GHz等多個頻段。本文僅就低于 135kHz和13.56MHz兩個頻段的電感耦合非接觸RFID卡的電磁干擾(EMI)問題結合相關國際標準進行介紹和剖析。
電子產品的電磁兼容性
電子產品的電磁兼容性EMC包含兩個方面:一是電磁干擾EMI,另一是抗電磁干擾能力EMS。EMI是指電子產品產生的任何可能降低其它裝置、設備、系統的性能,或可能對生物、物質產生不良影響的電磁效應。EMS是指電子產品在某種電磁環境下,其性能不致造成惡化的抵御能力。
對于電子產品EMI的嚴格限制,體現在很多國際標準和相關國家標準中。制定這些標準的代表性機構和組織有:國際無線電干擾特別委員會CISPR、國際標準化組織ISO、國際電工委員會IEC、美國聯邦通信委員會FCC、歐洲電信標準研究所 EISI等。一個電子產品必須符合相關的EMI標準,否則不能在該地區或國家的市場銷售和使用。
電感耦合非接觸式IC卡的工作頻率范圍和標準
通常,電感耦合非接觸式IC卡的工作頻率為低于135kHz和13.56MHz。工作在13.56MHz的非接觸式IC卡又可分為近耦合IC卡(PICC)和疏耦合卡(VICC)。其讀寫器亦被稱之為PCD和VCD。
低于135kHz的頻率主要適用于較低成本的應答標簽芯片。系統的讀寫器可以提供較高功率,該頻段對于非金屬材料和水具有較高的穿透深度,因此在生物識別、水表等領域有著廣泛的應用。由于其載波頻率較低,雖然應答器的功耗也較低,但數據傳輸速率不高。目前,ISO/IEC18000-2給出了這類系統的空中接口標準。
13.56MHz是世界范圍的工業,科學和醫療頻段(ISM)。在此頻段工作的RFID由于載波頻率較高,在應答器中可以采用微處理器,因而可以實現智能非接觸IC卡功能。此外,在此載波頻率下,應答器的天線回路可以實現片上電容和印刷電感的諧振電路,為其應用獲得了很大的便利。
13.56MHz射頻識別主要的標準有:①ISO/IEC 14443,是近耦合IC卡系統的標準,它又分為TYPE A和TYPE B兩種;②ISO/IEC 15693,是疏耦合IC卡系統的標準;③ISO/IEC18000-3標準,它有兩種模式,即MODE 1和MODE 2,MODE 1和ISO/IEC 15693標準兼容,MODE 2給出了相位抖動調制(PJM)等新方法。
低于135kHz的非接觸IC卡的EMI標準
在低于135kHz的非接觸IC卡中,采用125kHz的芯片較多。其讀寫器電路的功放為B類或D類電路,采用具有電感回路的天線發送器,屬于小功率和微功率發射。對于在此頻率范圍的射頻識別系統,有下述規范:
允許最大場強
FCC標準
FCC標準第15部分209節(FCC part15.209)規定了其載波的允許場強,是以最大電場強度E給出的,即E不大于(2400/f)µV/m@300m。其中:f為9~490kHz,@300m 表示距離為300m。因此,對于125kHz頻率,其E應不大于19.2µV/m@300m。如果將其換算為dBµV,則E=19.2mV/m為E=20log(19.2/1)=25.66dBµV/m。
其它標準
在另外一些標準中,允許最大場強是以H場給出的。例如EN300330和德國的標準17TR2100。E場和H場表示值可以用下式來相互推算,即:
H[dBµA/m ]=E[dBµV/m]-51.5dB
在17TR2100中,規定的極限值為H= 13.5dBµA/m@30m。將此值按上式轉換,可以得到E=65 dBµV/m@30m。
如果我們將FCC標準的300 m距離換算為30m,按40dB/十倍距離(自由場的衰減值)增加,則25.66dBµV/m@300m可表示為65.66dBµV/m@30m。從上面的推算看,兩種標準的極限值是差不多的。如果將此表示為10m處的場值,則可得到約為40log(30/10)+13.5=32.5 dBµA/m。
調制頻帶寬度和寄生發射
在非接觸IC卡系統的數據通信過程中,由應答器向讀寫器的通信采用負載調制。讀寫器向應答器的通信常采用間隙振幅移位鍵控(ASK)調制。這些都需用一定的調制頻帶寬度。
寄生發射指的是對載波頻率或調制邊帶不做出貢獻的發射。在非接觸IC卡系統中,讀寫器功放和調制電路是產生諧波和其它頻譜的主要部分。非接觸式IC卡系統在調制頻帶的場強以及寄生發射都不能超出EMI有關標準規定的允許極限值。
13.56MHz的EMI標準
允許最大場強
非接觸IC卡標準
在13.56MHz ISO/IEC 14443標準中規定其PCD產生的場強在1.5A/m_7.5A/m之間。其應答器(PICC)的動作場強Hmin1.5A/m。在ISO/IEC 15693標準中規定為VCD產生的場強為115mA/m~7.5A/m,應答器(VICC)的動作場強Hmin1.5m A/m。
有關EMI標準
①FCC標準
FCC part 15.225規定RFID系統載波頻率范圍為13.56MHz±7kHz,載波場強為30m處10mV/m。
②EN300330(9kHz~25MHz)標準
EN300330標準規定了第一類發送器(指具有電感回路天線的發送器,天線由具有一個或幾個線圈的繞組構成)的載波功率極限值。測量在H場具有最大值的方向和在自由空間進行。EN300330規定的極限值是42dBµA/m@10m。
幾種標準的相互比較
我們對上面給出的幾種標準進行一些變換并歸一,然后再加以比較。
①ISO/IEC 14443標準
通常,近耦合IC卡系統的作用距離為小于10cm,而從前述可知此時Hmin1.5A/m,那么我們可以近似估計離天線0.1m(10cm)處的H場值為 1.5A/m。一般,在非接觸IC卡系統中,在距離λ/2π(對于13.56MHz頻率,λ/2π=3.5m)內為近場,其衰減為60dB/十倍距離;大于λ/2π的作用距離為遠場,其衰減為20dB/十倍距離。因此,可估算出1m處的H場為1.5m A/m,而3.5m處H場較1米處H場的衰減值大約為60 log (3.5m/1m)=32dB。從3.5m至10m處,可以認為進入遠場,此段衰減值為20log(10m/3.5m)=9dB。故10m處的dBµA值為20log1.5mA/m-32-9=22dBµA/m。
②ISO/IEC 15693標準
其作用距離約為50cm,設此時的 Hmin= 115m A/m,對13.56MHz,近場范圍為3.5m,則3.5m處的場強衰減為60log(3.5m/0.5m)=50.7dBmA。3.5m至10m為遠場,衰減為20log (10m/3.5m)=9dBµA。因此10米處的dBµA值為:20log115mA/m-50.7dBuA-9dBµA=41dBµA
③FCC標準
30m為10m V/m,換算為dB值是80dBµV/m,再換算至10m,增加量為40log(30m/10m)=19dB。換算成dBµA/m為:H=80+19-51=48dBµA/m@10m。
將上面結果列于表1,則從表1可知,若H場是按RFID標準來設計,就可符合EMI的有關標準。
調制帶寬及諧波發射
ISO/IEC 14443的調制方式
在TYPE A中,PCD向PICC通信采用修正密勒碼的100%ASK調制。其PICC向PCD通信采用的是曼徹斯特編碼,并且用副載波調制后進行ASK調制。在 TYPE B中,PCD向PICC通信采用NRZ碼的ASK調制方式,PICC向PCD通信采用對NRZ碼(106kbps)進行BPSK副載波調制 (847kHz),然后用ASK調制傳送至PCD。
ISO/IEC 19653
VCD向VICC通信時,遠距離采用“256中取1”編碼的10%的ASK。短距離時采用“4中取1”編碼的100%ASK調制。VICC向VCD通信采用曼徹斯特編碼,用副載波進行調制(可用ASK或移頻鍵控FSK方式),然后再用已調制副載波進行對載波的ASK調制。
從上述的通信模式可以看出,這些調制都需要調制帶寬,因此要注意控制發射頻譜。FCC規定諧波功率應限制比載波低50dB。
抑制EMI的措施
抑制EMI的措施可以從下面幾個方面來考慮:
讀寫器射頻前端電路設計
在讀寫器射頻電路設計時,應考慮器件選型、PCB層數、大小、線路布局、布線、接地及地線配置、屏蔽、濾波等眾多需要兼顧的問題。
例如,在讀寫器設計時,都需要有晶體振蕩器,多數石英晶體振蕩器(XO)并沒有提供內在的EMI抑制措施,因此設計者采用屏蔽、濾波或特殊的印刷板布局技術來使產品通過EMI考核。但是,MAXIM公司的DS108X系列硅振蕩器采用擴譜技術,可使其峰值EMI降低20dB以上,這為頻率源的選擇提供了新的思路。
在電感耦合式非接觸IC卡系統的電路設計和調整中應注意下述方面:①天線回路參數應準確調諧在載波頻率上。②對于末級功放采用D類放大器(低于135kHz)或E類放大器(13.56MHz)的系統,應仔細調整電路工作狀態,減少寄生信號的產生。此時,天線回路的Q值對流過線圈的電流大小可起調節作用,應仔細調整其電流大小和通信帶寬的關系。
新調制方式的選擇
在ISO/IEC 14443、ISO/IEC 19653及低于135kHz的非接觸IC卡系統中,讀寫器向應答器的數據傳輸都采用ASK載波調制模式,但實際上移相鍵控PSK調制在誤碼率、信號平均功率方面都具有比ASK更好的性能。在前述標準中未被采用,主要是PSK的解調只能用比較復雜的相干解調技術,而不能用簡單包絡檢波方法,而相干解調電路相對比較復雜。
ISO/IEC 18000-3標準中的MODE 2在13.56MHz系統中提出了相位抖動調制(PJM)方法。在讀寫器向應答器的通信中,利用修正頻率編碼(MEM)對載波進行PJM調制。通常PSK 的二進調制的兩個相角是0度和180度,在編碼變化時出現了載波相位的躍變。相位的較大躍變使頻譜展寬,使功率譜的旁瓣較大,衰減較慢。PJM的兩個相位角定義在2度的范圍,見圖1。因此相位的變化,即抖動減小使信號譜旁瓣較小,且衰減較快。此外,PJM的另一個好處是在讀寫器向應答器通信中,不會像 ASK調制因有停頓而使能量場出現間隙,并且可以支持全雙工通信。
因此,新的調制方式的研究和實施,也會給電感耦合的非接觸IC卡的EMI獲得很大改善。
結語
本文對電感耦合式非接觸IC卡系統的EMI問題作了闡述,應該注意,它的EMS能力顯然是很弱的,受篇幅所限,沒有給予更多的闡述。鑒于我國的RFID標準尚未正式頒布,因此本文并未涉及。