13.56 MHz双界面卡射频特性研究

谢 云，张文安

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630）

13.56 MHz双界面卡射频特性研究

谢 云，张文安

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630）

随着3G业务和移动互联网的发展，以RFID智能卡为核心的移动支付成为各大运营商重点发展的业务。13.56 MHz双界面卡作为现阶段国内移动支付RFID智能卡主要解决方案之一，从实际使用效果来看，其刷卡灵敏度和成功率不够理想，大大制约了13.56 MHz双界面卡的规模推广，也制约了整个移动支付业务的规模应用。本文通过对现网产品射频特性的测试，深入研究和分析了影响13.56 MHz双界面卡刷卡灵敏度和成功率的关键因素，提出改进13.56 MHz双界面卡刷卡效果的建议。

13.56 MHz双界面卡；RFID；射频特性；移动支付

1 引言

从2006年开始，国内的电信运营商及金融机构持续对移动支付进行了研究、试点，到2010年，国内的移动支付业务呈现爆发性的发展。首先，中国移动高调推出其手机钱包业务，并在央视密级播放“手机钱包”业务广告，全国多个省份同步开放业务受理。中国电信紧随其后，从集团到各省公司全力推广面向公众的“翼支付”业务和面向企业学校的“翼机通”移动支付业务品牌。中国联通也在多个省进行了移动支付的业务发布。2010年国内发展的移动支付用户数超过500万户，其中中国电信一家发展的用户数约300万户。移动支付业务进入实质性的商业阶段。

13.56 MHz双界面卡是现阶段国内移动支付RFID智能卡主要解决方案之一（下面所提到的移动支付RFID智能卡主要是13.56 MHz双界面卡）,13.56 MHz双界面卡是在手机SIM/UIM卡上集成RFID处理芯片，并从SIM/UIM卡引出RFID感应线圈，以13.56 MHz为工作频率，同时实现接触式应用和非接触近距离通信的智能卡。13.56 MHz双界面卡采用行业普遍应用的13.56 MHz频率通信，可复用现有的非接智能卡受理环境；另一方面，13.56 MHz双界面卡是全卡解决方案，对手机终端要求低，业务实施方便快速，受到了运营商和金融机构的青睐，2010年，采用13.56 MHz双界面卡方案发展的用户约占目前国内移动支付用户数的一半。但是，现有的13.56 MHz双界面卡由于天线线圈小、安装到手机后受手机电磁环境干扰大，造成刷卡灵敏度和成功率不理想，大大制约了13.56 MHz双界面卡的进一步规模发展，也严重制约了国内移动支付业务的进一步规模应用。本文通过对现网产品射频特性的大量实验室测试，对影响13.56 MHz双界面卡刷卡灵敏度和成功率的关键因素进行了研究和分析，提出了改进13.56 MHz双界面卡刷卡效果的建议。

2 双界面卡射频特性理论分析

普通非接智能卡已经广泛应用于学校一卡通、企业一卡通、公交地铁等领域，技术已经非常成熟，虽然由于各种原因，校企一卡通、公交地铁等各个系统使用的POS机具在射频特性方面并不标准和统一，刷卡环境并不标准。但是由于普通非接智能卡线圈大、在空气介质中受电磁环境影响小，可以很好地适配不同射频特性的POS机具，非接智能卡与POS机具间的适配性仍然很高。

移动支付作为新兴业务，具有传统一卡通业务所不具备的优势，通过手机菜单操作，用户可以方便地进行业务的管理，实现随时随地的账号查询、充值等。移动支付手机可以同时集成公交、校企、银行等多种应用，省去用户同时带多张卡的麻烦。但是，移动支付核心技术——手机RFID智能卡，目前还是一种新兴的技术，技术的成熟还需要一段时间。笔者通过和普通非接智能卡相比并进行理论分析，发现手机RFID智能卡还有以下技术难点需要攻克。

（1）线圈尺寸问题

由于受手机尺寸的限制，13.56 MHz双界面卡的天线线圈大小和普通RFID智能卡相比要小一些，这将导致其能接收到POS机发射的功率减少。

（2）谐振频率问题

13.56 MHz双界面卡同时具有接触式和非接触式两种应用，接触式的应用需要将智能卡通过触点接入到手机的线路中。在近场刷卡应用时，手机作为外加负载，会改变双界面卡的谐振频率。每个手机的电气特性不一致，导致双界面卡在每种手机的谐振频率中的表现都不一致。

（3）手机电磁干扰问题

由于手机电池有金属元件，内部电路的电流会产生漩涡电场，对13.56 MHz双界面卡与POS机之间通过电磁感应进行的数据传输干扰，影响刷卡效果。由于手机的电池和工艺设计不同，导致手机对其射频特性产生不同的影响。

综上所述，普通非接智能卡相对于手机RFID智能卡而言，可以做得相对标准，尺寸大，手机干扰小，电气特性相对稳定，所以对其POS机具电气特性的要求不高，这也是造成目前校企公交等一卡通应用机具不标准的一个原因之一。移动支付作为新兴的业务，不但要满足支付的需要，同时还要满足校企等行业应用的需要，这就对13.56 MHz的双界面卡提出了很高的要求，如果设计不合理，将难以达到用户可接受的刷卡效果。

3 双界面卡射频特性实验研究

根据以上理论分析可以看到，由于受到手机各种条件的限制，导致了双界面卡射频特性的改变，从而使得其刷卡成功率不理想。对此，笔者设计了相关的实验，研究和验证手机影响双界面卡的射频特性，从而影响其刷卡成功率的相关因素，从而探讨提高刷卡成功率的方法。

本实验的研究方法主要采用理论研究、实验模拟与实测分析相结合的研究方法。首先，通过理论研究，分析最可能影响双界面卡刷卡效果的主要因素，设计实验方案；然后，通过测试仪器，分别对13.56 MHz双界面卡在空气介质环境、装入不同的手机终端以及与不同射频特性的POS机匹配等各种不同场景下的能量与刷卡数据进行较为完整的实测和数据采集；最后，通过对数据的分析和理论研究，找出影响13.56 MHz双界面卡通信的最关键参数并对其进行调整、优化。

3.1 手机对双界面卡电气特性影响实验

本实验主要研究手机的各种部件对RFID双界面卡电气特性的影响，主要包括手机外盖、手机电池、手机电路、手机加电等，测试结果主要包括在不同手机型号下双界面卡谐振频率、3 dB带宽、刷卡距离、刷卡成功率等。测试采用了频谱仪和网络分析仪，分别对双界面卡裸卡以及装入手机终端之后的双界面卡的射频特性及刷卡效果进行测试，通过对比测试结果，分析手机对双界面卡刷卡效果的影响。其中，射频特性主要测量谐振频率，刷卡效果采用重复测量50次，记录每次刷卡是否成功和最大距离，计算平均刷卡距离和刷卡成功率。

3.1.1 实验1：手机对双界面卡谐振频率的影响

本实验的主要目的是研究不同手机对双界面卡的谐振频率、刷卡距离、刷卡成功率等影响。本实验是利用辐射器件发射与接收等效的原理，通过网络分析仪测试13.56 MHz双界面卡不同情况下的谐振频率，考量13.56 MHz双界面卡受手机的影响程度。

（1）裸卡谐振频率

取2种典型的13.56 MHz双界面卡裸卡，分别测试谐振频率，测试结果见表1。

表1 裸卡谐振频率

（2）双界面卡装入手机后的谐振频率

分别将两种卡片装入10款不同的手机，记录装入手机后的谐振频率，测试结果见表2。

从以上测试结果中，可以发现双界面卡装入手机后，受手机内部的电磁环境影响，双界面卡的谐振频率一般会向上偏移。由于不同的手机电磁环境的差异，谐振频率偏移的幅度范围较大，在0.5～1.5 MHz，如图1和图2所示。

表2 装入手机后的谐振频率

图1 A卡装入手机后谐振频率对比

图2 B卡装入手机后谐振频率对比

可见，手机对13.56 MHz双界面卡谐振频率存在很大影响。

3.1.2 实验2：开关机对刷卡距离的影响

本实验的主要目的是测试手机开关机对刷卡效果的影响。本实验记录了同种13.56 MHz双界面卡在不同手机下，在开关机的状态下刷卡距离、谐振频率和刷卡成功率的数据。

从图3中可以看出，在开机状态下，双界面卡刷卡距离普遍提高了1 cm，对刷卡效果有明显的提高。

3.1.3 实验3：电池漩涡电场对刷卡效果影响

本实验主要研究手机电池的漩涡电场对13.56 MHz双界面卡刷卡效果的影响。由于手机开机时，内部有电流流动产生漩涡电场，对13.56 MHz双界面卡感应线圈有干扰。实验使用金属片遮盖电池，和没有遮盖电池进行对比，测试手机漩涡电场对RFID双界面卡识别率的影响。实验用金属片参数：金属片厚度为0.1 mm，质地为铜，大小略大于所测手机电池侧面面积。实验情况如图4所示。

图3 手机开关机状态下刷卡距离对比

图4 增加电池金属屏蔽后刷卡距离变化

实验结论：从实验数据可以看出，以金属片遮盖手机电池，将电池的漩涡电场进行了屏蔽，刷卡距离有所提高。实验表明电池的涡旋电场对13.56 MHz双界面卡的识别率有一定的影响。

3.1.4 实验4：线圈和电池的距离对刷卡效果影响

本实验主要研究13.56 MHz双界面卡线圈和电池的距离对刷卡成功率的影响。由于手机内部有大量金属电路存在，一般会对13.56 MHz双界面卡的感应线圈有影响，所以增加感应线圈与手机电池之间的距离，测试其对13.56 MHz双界面卡识别率的影响。实验使用了两种卡分别安装在不同手机，并使用厚度为0.264 mm的纸片裁剪成与电池相当的尺寸，将纸片叠放在手机电池与双界面卡线圈之间，测试其刷卡距离和刷卡成功率的情况。测试结果如图5和图6所示。

图5 增加线圈与电池距离后A卡刷卡距离变化

图6 增加线圈与电池距离后B卡刷卡距离变化

从图5和图6可以看出，线圈和电池隔开比不隔开刷卡距离有所提高，从而可见线圈和电池的距离对刷卡距离的影响较大，从而也说明了手机的电池对双界面卡电气特性的影响较大。

3.2 POS机和双界面卡电气特性影响的实验

本实验主要是验证13.56 MHz双界面卡在和POS一起完成刷卡功能时，两者电气特性的相互影响情况，主要包括双界面卡作为负载接入POS机发射电路，对POS机发射电路的工作频率变化的影响，POS机发射功率变化对双界面刷卡成功率的影响等。

3.2.1 实验1:研究POS机发射功率对刷卡效果的影响

使用1台可调整发射功率的POS机，将其在13.56 MHz频点的发射功率分别调整为9.6 dBm、12.13 dBm、15.16 dBm和18 dBm，在不同的发射功率情况下，分别对A卡和B卡重复刷卡50次，测量最大刷卡距离，测试结果见表3。

从不同POS发射功率下A卡和B卡的刷卡效果测试结果看，13.56 MHz双界面卡的刷卡效果与POS机的发射功率正相关，如图7所示。

表3 POS机发射功率与刷卡距离对照

图7 POS机发射功率与刷卡距离对照

可见，较大的POS机发射功率能获得较好的刷卡效果。

3.2.2 实验2:谐振频率的吻合度对刷卡成功率的影响

本实验首先记录A、B两张裸卡的谐振频率及刷卡成功率，记录POS机的谐振频率，然后，将A、B两张卡插入不同的手机，分别测试谐振频率及刷卡效果。

（1）裸卡谐振频率及刷卡效果测试

首先测试裸卡的谐振频率和刷卡效果，测试结果见表4。

（2）POS机的谐振频率测试

表4 裸卡谐振频率及刷卡效果

实验测得POS机的谐振频率为13.7 MHz。

（3）装入手机后的谐振频率和刷卡效果测试

A卡装入手机后的谐振频率和刷卡效果测试结果见表5。B卡装入手机后的谐振频率和刷卡效果测试结果见表6。

对照表4、表5、表6的测试结果，可以看到：当A卡装入手机后，谐振频率更接近POS机的工作频率和谐振频率，刷卡效果改善；B卡装入手机后，谐振频率更偏离POS机的工作频率和谐振频率，刷卡效果明显降低。因此，笔者认为双界面卡谐振频率与POS机工作频率及谐振频率的吻合度，是影响双界面卡刷卡效果的重要因素。

3.3 实验结论

13.56 MHz双界面卡谐振频率会受到手机影响，一般会升高。双界面卡谐振频率的变化对刷卡成功率影响较大，当POS机和双界面卡的谐振频率匹配较好时，刷卡成功率将提高。

13.56 MHz双界面卡会受到电池涡流电场和手机内部电池环境的影响，从而会影响刷卡距离和刷卡成功率。

手机开机将会增加刷卡距离，这通常与开机后13.56 MHz双界面卡会通过接触界面取电，增加非接刷卡时的发射能量有关。

表5 A卡装入手机的谐振频率和刷卡效果

表6 A卡装入手机的谐振频率和刷卡效果

4 13.56 MHz双界面卡优化方案

以上的实验结果表明，由于受到手机各种情况的影响，13.56 MHz双界面卡和普通非接智能卡相比，射频特性在工作时的情况复杂得多。因此，在制定相关规范的时候，需要充分考虑手机电气特性、型号、尺寸等的影响，并根据13.56 MHz双界面卡的特点，对卡片、POS机以及手机的相关技术指标作严格的规范和标准。根据实验研究的结果，建议从卡片、POS机、手机等多方面进行优化，以改善13.56 MHz双界面卡的刷卡效果。

4.1 POS机优化方案

POS机的射频参数对13.56 MHz双界面卡的刷卡效果有很大影响，由于目前行业应用中POS机的谐振频率标准比较混乱，造成双界面卡刷卡成功率不高。因此，建议POS机严格参照现行国际标准制定，谐振频率尽量在13.56 MHz附近。考虑到双界面卡尺寸比普通非接智能卡小以及频带较普通卡窄等特点，POS机的发射功率应在合理范围内尽量增大。

4.2 双界面卡优化方案

从实验结果看出，13.56 MHz双界面卡装入手机后，谐振频率会向上偏移0.5～1.5 MHz，并且双界面卡的谐振频率与POS机的谐振频率的匹配性对刷卡效果有很大的影响，建议13.56 MHz双界面卡裸卡的谐振频率应该在13 MHz左右。

4.3 手机优化方案

由于不同的手机内部电磁环境差异，谐振频率偏移较大，为装入手机后的双界面卡的刷卡效果带来不确定性，为尽量屏蔽手机电磁环境的差异性，建议大力推广使用双界面定制终端，将天线定制在手机的后盖中，一方面增加天线的尺寸，另一方面拉大和电池的距离，并通过后盖的屏蔽涂层，增强对手机电磁干扰的屏蔽。在双界面卡安装在定制手机后，整体谐振频率应调整到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）