一种13.56 MHz射频标签仿真模型的设计

随着IC卡安全技术的不断进步，13.56 MHz的IC卡应用领域不断增加。近年来银行卡等金融领域已经开始试点13.56 MHz非接触IC卡的使用。13.56 MHz非接触IC卡为无源卡，卡片不但需要从读卡器的磁场中获取电源、时钟，还需要在磁场中完成较高速率的数据通信(最大848 kb/s)[1]。由于卡片电路功耗、卡片解调电路、卡片调制电路及时钟电路的信号和能量均通过天线传输，电路间串扰很难通过理论推导得出。利用传统的仿真电路模型很难将协议量化为设计指标，也很难仿真不同线圈之间的互感和串扰。本文提出了一种基于MP300读卡器中发射天线的电路仿真模型，结合场强标定线圈的电感模型。将ISO14443协议要求量化为具体的设计指标，可对芯片的调制、解调、时钟及电源获取等方面性能进行精准的仿真[2]。该仿真模型还可仿真芯片功耗变化和调制解调信号的相互干扰，在设计阶段验证芯片的读写距离等性能并保证芯片的可靠性。

1 测试平台分析

在卡片评估中采用基于MP300读卡器的13.56 MHz非接触卡片测试验证套件，套件包含阅读器MP300、发射天线和示波器。MP300主要功能是产生符合ISO14443协议的调制信号并接收卡片返回的负载调制信号;发射天线的主要功能是与卡片进行电磁交互，场强标定线圈的作用是对发射线圈发射的场强进行标定。

为使卡片设计达到协议所规定的性能指标，在设计之前需要搭建与测试平台一致的仿真验证模型，以模拟电路测试中的能量传递、时钟传递和数据传输等紧密耦合的电磁关系[3]。

1.1 信号源模型

对于MP300读卡器，模型中可以通过port源实现。用示波器抓取MP300输出信号,将其存为spectre所需格式,并将spectre中port源输出阻抗设为50 ?赘。利用vpwl功能读取上述保存波形结果即可实现与MP300功能一致的读卡器信号源。

1.2发射天线模型

发射天线是13.56 MHz射频信号发射和接收的主要部分。发射天线将信号源信号通过线圈发射到空间中，在线圈中部形成均匀的磁场;场强标定线圈耦合空间磁场产生电压，通过示波器读出电压值与标准值进行比较，确定线圈所处位置处的磁场强度;完成场强标定和校准后，将卡片放置在场强标定线圈处即可在标定场强下完成卡片在指定场强下的功能和性能测试。

1.3 场强标定线圈模型

场强标定线圈由单圈长方形线圈构成，输出端接高输入阻抗示波器探头。校准线圈放置在待测卡片将要放置的位置，输出端连接示波器。通过电压的峰值可以对测量待测卡片处的场强值进行标定，还可对读卡器发射的信号调制深度等参数进行测量。场强标定线圈如图1所示。

2 仿真平台模型

在卡片测试中,读卡器与卡片的数据通信流程是：射频发射线圈发射恒定磁场，场强标定线圈耦合电压并校准磁场;待测卡片通过卡内线圈耦合磁场中能量及调制信号;卡片内数字电路响应磁场中指令返回相应的负载调制信号、读卡器耦合卡片的负载调制信号并解析返回数据。

通过对上述通信过程的分析，为搭建符合测试套件的仿真模型,需要对射频发射线圈与场强标定线圈间的互感、射频发射线圈与待测卡片间的互感进行分析计算。使用各线圈间的耦合系数即可建立线圈间的电磁场连接关系，实现测试电路中不同电感的互联。

根据电磁场特性，平行线圈的电流流向相同磁场相互增强时耦合系数为正，电流流向相反磁场相互削弱时耦合系数为负。场强标定线圈和待测卡片的电流方向与射频发射线圈的电流方向均相反，耦合系数都为负值。将MP300测试套件中各部分的电感值、几何尺寸及磁导率等参数代入式(9)中可得到各线圈间的互感，如表1所示。

3 仿真及测试结果

在芯片测试中,从能量传输、信号传输、时钟传输及能量、信号与时钟之间的串扰等方面对仿真结果和实际测试结果进行了对比，以验证文中电路仿真模型的准确性和实用性。

图3显示了在卡片进场阶段天线电压和电源获取情况，图3(a)是仿真结果，图3(b)为测试结果。通过仿真平台在设计阶段即发现由于低压差线性稳压器输出端的大滤波电容导致天线电压下降的现象。测试结果中,芯片天线电压和整流电路的波动情况与仿真结果基本一致。

图4展示了待测卡片在场内的时钟和解调信号获取情况。在接收解调信号阶段，卡片与天线间的互感会使卡片天线端的信号下降较为缓慢，时钟输出则是天线信号降低到时钟电路翻转电压点后停止。图4(a)和图4(b)在天线电压下降较慢和时钟持续时间等方面相似。仿真模型能较为准确地预见天线端电压变化情况。

图5列出了卡片天线端电压波形随负载调制信号变化情况和调制对解调电路的干扰。在调制阶段天线电压变化较大，由于电路的环路增益有限，在调制信号翻转处天线的波形出现了一定的过冲，电路设计中经过适当的环路增益控制即可抑制电压过冲到合理的范围。利用该电路仿真平台还可以在设计阶段预测调制电路对解调电路的干扰。测试结果显示，仿真模型在调制信号变化对天线电压的干扰和解调电路的干扰情况与实测结果基本一致。仿真平台能准确仿真调制、解调及天线电压之间的串扰。

本文实现了基于MP300读卡器测试电路的13.56 MHz射频卡片射频前端仿真模型。通过对线圈几何外形和电磁特性的分析，得到了线圈的电感及互感等参数，将电磁关系较为复杂的测试电路抽象为结构简单的仿真模型。通过该仿真模型能量化及考核芯片的各项性能指标，加快了射频前端电路设计向设计指标收敛的过程。经测试验证，该仿真模型在电源获取、时钟获取、信号解调、信号调制及电源、解调、调制的相互干扰等方面的仿真结果与测试结果一致。