近年來，大到金融、公共交通和社會(huì)保障，小到圖書館、校園和門禁等，智能卡的應(yīng)用領(lǐng)域日益多元化，相關(guān)的智能卡設(shè)計(jì)、生產(chǎn)企業(yè)越來越多。由于智能卡被完全密封，對(duì)其整體電氣參數(shù)L、C、R的測(cè)量造成了困難，而諧振頻率作為能夠反映智能卡天線端口部分電氣參數(shù)的重要指標(biāo)，被各企業(yè)及研發(fā)單位廣泛用于設(shè)計(jì)或生產(chǎn)參考，長(zhǎng)期以來被大量使用。但到目前為止，對(duì)于諧振頻率的測(cè)量方法，業(yè)界尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)各環(huán)節(jié)在提及諧振頻率值的時(shí)候，往往忽略其測(cè)量方法以及明確的誤差范圍，因此在智能卡測(cè)量領(lǐng)域，諧振頻率這一參數(shù)的真實(shí)性和可靠性長(zhǎng)期被忽視。
以符合ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)的智能卡為例，協(xié)議規(guī)定了通信用載波頻率為13.56MHz，但對(duì)智能卡本身的諧振頻率未規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值，因此，客觀上造成了目前流通的智能卡諧振頻率的多樣性。目前，按照智能卡的形態(tài)，業(yè)界常用的智能卡諧振頻率的測(cè)量方法主要有兩種：
1：LCR電橋或阻抗分析儀測(cè)量；（測(cè)量出L、C值，然后利用公式計(jì)算諧振頻率）
2：頻譜分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量。（測(cè)量密封智能卡的諧振頻率）
首先介紹一下如何測(cè)量各部分的電氣參數(shù)，然后利用公式計(jì)算諧振頻率。智能卡在物理結(jié)構(gòu)上，主要由三部分組成，1：IC芯片，2：耦合天線，3：封裝材料，如圖1所示，其中封裝材料通常為絕緣材質(zhì)，不引入電氣參數(shù)，故本文不做深入分析。
智能卡的諧振頻率fres公式如下：
，可見，fres取決于等效電路中的電感值和電容值。
，可見，fres取決于等效電路中的電感值和電容值。
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從圖1中的虛線La/Lb從左往右看，為IC芯片端口部分與諧振頻率相關(guān)的電氣參數(shù)，Rab為IC芯片端口電阻值的總和，Cic為IC芯片端口電容值的總和，Cmount其含義為IC芯片封裝成模塊時(shí)引入的電容值，如芯片不需要進(jìn)行模塊封裝，則可忽略Cmount。從圖1中的虛線La/Lb從右往左看，為耦合天線部分與諧振頻率相關(guān)的電氣參數(shù)，Lcoil為耦合天線的電感值，Rcoil為耦合天線的電阻值，Ccoil為耦合天線的電容值，Cpack其含義為耦合天線在制卡過程中引入的封裝電容值，其值與制卡過程中多種因素相關(guān)，視具體情況而定。
依據(jù)圖1的等效電路結(jié)構(gòu)，我們將智能卡fres的計(jì)算公式擴(kuò)充如下：
當(dāng)我們有了詳細(xì)的計(jì)算公式，是否就可以計(jì)算出準(zhǔn)確的fres呢？實(shí)際情況并非如此。接下來，我們介紹各L、C參數(shù)的測(cè)量方法，以及誤差來源。目前在IC芯片較為常見的模塊封裝形式有XOA2和COB兩種，而且由于Cmount會(huì)受到各模塊加工廠的技術(shù)水平、用料以及靜電防護(hù)等綜合因素的影響，所以各模塊加工廠出產(chǎn)的模塊其Cmount存在差異，且無法給出準(zhǔn)確值，至此，用智能卡的fres計(jì)算公式引入了第一個(gè)參數(shù)誤差；同時(shí)在智能卡的制卡環(huán)節(jié)，由于Cpack會(huì)受到各制卡廠的技術(shù)水平、用料以及加靜電防護(hù)等綜合因素的影響，所以各值卡廠出產(chǎn)的卡片其Cpack也存在差異，且無法給出準(zhǔn)確值，由此引入了第二個(gè)參數(shù)誤差。在實(shí)際計(jì)算中，上述兩個(gè)參數(shù)通常采用經(jīng)驗(yàn)值，由此計(jì)算得到的fres就會(huì)存在誤差。因此要求我們?cè)谑褂胒res的時(shí)候，需明確其誤差范圍。特別要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于不同的條件下加工得到的智能卡，上述兩個(gè)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值是不可以通用的。
下文將以Agilent 4285A(LCR Meter)配合測(cè)量夾具Agilent 16047E，對(duì)等效電路中的Cic、Lcoil和Ccoil進(jìn)行測(cè)量。整體測(cè)量平臺(tái)如圖2所示。
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圖2 Agilent 4285A(LCR Meter)和測(cè)量夾具Agilent 16047E
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由于耦合天線和IC芯片的寄生參數(shù)都會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來誤差，所以選擇合適的等效電路模型，可以有效降低寄生參數(shù)的影響。通常Lcoil為小電感，串聯(lián)寄生電阻Rs的影響明顯，因此在測(cè)量Lcoil時(shí)，采用Ls～Rs 模型；而Cic較大，并聯(lián)寄生電容Rp的影響明顯， 因此在測(cè)量Cic時(shí)，采用Cp～Rp模型。
上述測(cè)量條件確定后，按照儀器的使用步驟，開機(jī)預(yù)熱和校準(zhǔn)后，我們采用下述方法測(cè)量得到Lcoil和30 MHz下的耦合天線的電感值Lm，然后通過Lcoil和Lm計(jì)算出Ccoil。
1：選擇測(cè)量模型：Ls～Rs。
2：設(shè)置測(cè)量電壓：1Vrms。
3：設(shè)置測(cè)量頻率：1MHz。
4：紀(jì)錄測(cè)量結(jié)果Ls，此即為L(zhǎng)coil。
5：設(shè)置測(cè)量頻率：fm＝30MHz。
6：紀(jì)錄測(cè)量結(jié)果Ls，此即為L(zhǎng)m，通過如下公式計(jì)算出耦合天線的Ccoil。
我們對(duì)如圖3所示帶有模塊底座的耦合天線樣本進(jìn)行了測(cè)量，為了說明模塊底座對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，我們分別測(cè)量耦合天線帶有模塊底座與去除模塊底座后的Lcoil和Ccoil。如表1所示。（表中數(shù)據(jù)均為測(cè)量了10次以后的平均值，有效位數(shù)保留到小數(shù)點(diǎn)后2位，下同），比較表1的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，該模塊底座的存在，對(duì)該耦合天線樣本的Lcoil無影響， 但會(huì)使Ccoil增加0.16pf。
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圖3 帶有模塊底座的耦合天線樣本
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表1 耦合天線的電感值和電容值
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樣本狀態(tài) |
Lcoil/uh |
Lm/uh |
Rcoil/ohm |
Ccoil/pf |
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耦合天線+ 模塊底座 |
5.30 |
22.92 |
9.16 |
4.08 |
|
耦合天線 |
5.32 |
20.45 |
8.70 |
3.92 |
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差值 |
-0.02 |
2.47 |
0.47 |
0.16 |
接下來，我們討論如何測(cè)量IC芯片的端口電容Cic，樣本如圖4所示，選用的芯片為NXP S50，左邊為模塊底座（同圖3中的底座模塊），右邊為完成完成模塊封裝（XOA2）后的樣本外觀，所以下文中得到的電容值構(gòu)成為“Cic+ Cmount（Cmount中包含了C模塊底座）”。
電容測(cè)量方法：
2）然后設(shè)定起始頻率和截止頻率，
電容測(cè)量方法：
1：選擇測(cè)量模型Cp～Rp。
2：設(shè)置測(cè)量頻率：13.56MHz。
3：設(shè)置測(cè)量電壓：0.5Vrms。
4：記錄測(cè)量結(jié)果Cp：即Cic+Cmount。
5：增加測(cè)量電壓以0.5Vrms為一個(gè)步進(jìn)，重復(fù)3～4步驟。
6：直至測(cè)量電壓大于YVrms。
其中Y定義為：IC芯片正常工作時(shí)所需要的電壓值。Y的值視具體的IC芯片而定，其此處Y=2。如果IC芯片未進(jìn)行模塊封裝，也可以直接對(duì)Cic進(jìn)行測(cè)量。
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圖4 模塊底座和NXP S50模塊（XOA2）
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表2 IC芯片在不同頻率和電壓條件下的端口電容
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測(cè)量頻率 |
0.5Vrms |
1Vrms |
1.5Vrms |
2Vrms |
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11M |
14.43 |
14.88 |
15.45 |
15.58 |
|
12M |
14.42 |
14.86 |
15.43 |
15.56 |
|
13.56M |
14.39 |
14.84 |
15.40 |
15.54 |
|
15M |
14.37 |
14.82 |
15.37 |
15.51 |
|
16M |
14.36 |
14.80 |
15.34 |
15.50 |
|
17M |
14.35 |
14.79 |
15.31 |
15.49 |
由表2可見，測(cè)量頻率對(duì)于Cic+ Cmount之和的影響很小，但不同的測(cè)量電壓，對(duì)于Cic+ Cmount之和的影響很大，主要是因?yàn)镃ic是各部分電容的總和，當(dāng)測(cè)量電壓從小到大增加時(shí)，Cic隨著IC芯片內(nèi)部電路的逐漸開啟而減小，當(dāng)測(cè)量電壓增加到IC芯片電路能夠正常工作時(shí)，Cic將維持穩(wěn)定。因此，以測(cè)量頻率13.56MHz為例，測(cè)量電壓從0.5Vrms增加至2Vrms的過程中，IC芯片的會(huì)處于3 種狀態(tài)，第一，IC芯片完全不工作（0.5Vrms），第二，IC芯片端口電路部分開啟（1~1.5Vrms），第三，IC芯片端口電路全部開啟（2Vrms）。
不同的測(cè)量電壓條件，反映到諧振頻率中又是如何？我們還需要對(duì)特定環(huán)境下加工的Cmount和Cpack給出經(jīng)驗(yàn)值，由于本文在IC芯片電容的測(cè)量結(jié)果中已經(jīng)包含了Cmount，所以此處僅需給出Cpack，其經(jīng)驗(yàn)值為1.5pf，然后分別將13.56MHz頻率下，將各電容值和電感值帶入公式進(jìn)行計(jì)算，可得到表3。
表3 智能卡的諧振頻率
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測(cè)量電壓/Vrms |
Ccoil/pf |
Cic+Cmount |
Cpack/pf |
Lcoil/uh |
fres/MHz |
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0.5 |
3.92 |
14.39 |
1.5 |
5.32 |
15.11 |
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1.0 |
3.92 |
14.84 |
1.5 |
5.32 |
14.77 |
|
1.5 |
3.92 |
15.4 |
1.5 |
5.32 |
14.38 |
|
2.0 |
3.92 |
15.54 |
1.5 |
5.32 |
14.28 |
可見從0.5Vrms至2.0Vrms，fres出現(xiàn)了約0.83 MHz的波動(dòng)，考慮到計(jì)算參數(shù)還中包含了經(jīng)驗(yàn)值Cpack，一方面經(jīng)驗(yàn)值的估算是否準(zhǔn)確尚存疑問；另一方面測(cè)量值Ccoil、Lcoil和Cic+Cmount，目前業(yè)界尚無統(tǒng)一的測(cè)量方法，不同測(cè)量條件下，得到的結(jié)果相去甚遠(yuǎn)；更有甚者，在fres的計(jì)算中直接忽略了Cmount和Cpack兩個(gè)參數(shù)。因此，同樣是采用計(jì)算公式，面對(duì)相同的樣本，大家得到的fres很難達(dá)到統(tǒng)一，那么我們?cè)谑褂胒res進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、生產(chǎn)時(shí)不得不小心謹(jǐn)慎，避免由于計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確產(chǎn)生對(duì)產(chǎn)品特性的誤判。
其次，當(dāng)我們的測(cè)量樣本為密封狀態(tài)的智能卡時(shí)，目前業(yè)界主要采用如下三種測(cè)量方法進(jìn)行智能卡諧振頻率的測(cè)量：
1：帶跟蹤信號(hào)發(fā)生器（RF輸出）功能的頻譜分析儀。
2：不帶跟蹤信號(hào)發(fā)生器的頻譜儀（成本較低），配合信號(hào)發(fā)生器（相當(dāng)于頻譜分析儀的跟蹤信號(hào)發(fā)生器）。
3：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量。
上述三種測(cè)量?jī)x器，原理基本相同，即在某個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)以額定的功率發(fā)射信號(hào)，無諧振時(shí)，在測(cè)量?jī)x器的屏幕上顯示的功率曲線為一條直線，當(dāng)某個(gè)頻率恰好與待測(cè)智能卡的fres相吻合時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生諧振，使得輸入端檢測(cè)到的功率值達(dá)到最大，此時(shí)觀察測(cè)量?jī)x器的屏幕會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波峰或者波谷，該波峰或者波谷對(duì)應(yīng)的頻率值即被稱為智能卡的fres。下文中會(huì)以頻譜分析儀HP8591E為例。
具體測(cè)量方法如下：
1）在HP8591E的輸出端和輸入端各接一個(gè)線圈（天線），將兩只線圈以水平方式上下疊加，制做成固定的測(cè)量夾具（如圖5所示，圖中智能卡樣本為上海公交卡）。
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圖5 HP8591E的測(cè)量環(huán)境
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3）設(shè)定發(fā)射功率，RF端有功率輸出；
4）然后將待測(cè)智能卡放置在夾具上方。（智能卡與天線的間距小于1cm）
5）按PK SEARCH鍵，頻譜儀界面就會(huì)將MARKER點(diǎn)標(biāo)記到頻譜中功率的最高點(diǎn)，如圖6所示。此波峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率即為智能卡的fres。
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圖6 HP8591E測(cè)試得到的非接觸式智能IC卡的fres
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在了解了測(cè)量方法后，我們選取了部分目前上海市場(chǎng)中較常見的智能卡作為測(cè)量樣本，如圖7所示（包括上海市民卡1張、上海公交卡2張、上海地鐵單程票2張、世博海寶交通卡1張、杉德萬通卡1張和華虹餐廳就餐卡1張）。
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圖7常見的非接觸式IC卡
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在測(cè)量前，我們需要設(shè)定發(fā)射天線的功率值，為保證測(cè)量到的fres能夠真實(shí)反映各種智能卡的電氣特性，我們?cè)O(shè)置的起始頻率和截止頻率范圍是10 MHz 至20MHz，設(shè)置的發(fā)射天線功率值通常在10dbm以下，或者是控制輸出電流小于等于20mA。在上述測(cè)量條件確定以后，我們得到了每張智能卡的fres。
表4 智能卡的諧振頻率
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樣本種類 |
fres/MHz |
樣本種類 |
fres/MHz |
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上海公交卡 1 |
15.80 |
上海市民卡 |
19.25 |
|
上海公交卡2 |
16.80 |
上海地鐵單程票1 |
17.55 |
|
杉德萬通卡 |
17.10 |
上海地鐵單程票2 |
18.45 |
|
世博海寶交通卡 |
14.00 |
華虹餐廳就餐卡 |
14.65 |
表4中諧振頻率的測(cè)量結(jié)果，驗(yàn)證了前文中提到的，目前流通的智能卡諧振頻率的多樣性。但本文強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)在于，我們采用上述方法，測(cè)量fres得到了表4中的結(jié)果，那么同樣的樣本，不同的測(cè)量?jī)x器，諧振頻率的測(cè)量結(jié)果會(huì)相同嗎？對(duì)此，我們以上海公交卡為樣本，在如圖8所示的測(cè)量?jī)x器及配套的測(cè)量夾具上進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量原理同前，讀取儀器屏幕中波峰值對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)即為智能卡的fres（如表5所示）。但因?yàn)槟壳皹I(yè)界對(duì)測(cè)量夾具中天線的線徑、匝數(shù)、面積、間距、材料和相對(duì)位置等參數(shù)尚無統(tǒng)一的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，因此使用圖8中的測(cè)量夾具時(shí)，智能卡需要放置于兩個(gè)天線之間。我們稱該測(cè)量?jī)x器稱為：方法4
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圖8 方法4的測(cè)量環(huán)境
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表5 方法1與方法4的測(cè)量結(jié)果比較
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測(cè)量方法 |
樣本種類 |
fres/MHz |
樣本種類 |
fres/MHz |
|
方法1 |
上海公交卡 1 |
15.80 |
上海公交卡2 |
16.80 |
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方法4 |
上海公交卡 1 |
17.83 |
上海公交卡2 |
18.3 |
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差值/MHz |
/ |
2.02 |
/ |
1.7 |
通過對(duì)表5的測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于上海公交卡1，使用方法1和方法4測(cè)量到的fres差值達(dá)到了2.02 MHz，波動(dòng)比例分別達(dá)到12%和11%，，而對(duì)于上海公交卡2，fres差值達(dá)到了1.7 MHz，波動(dòng)比例分別達(dá)到10%和9%。至此，回答了前文中提出的疑問，同樣的智能卡在不同的測(cè)量方法下，fres測(cè)量結(jié)果相差極大，面對(duì)這樣的測(cè)量結(jié)果，顯然缺乏進(jìn)行比較的基礎(chǔ)。此時(shí)，即使我們加入了測(cè)量方法的描述，但是由于測(cè)量?jī)x器的不同，測(cè)量夾具不規(guī)范，很顯然，單純的討論fres是沒有意義的。
那么同樣的樣本，采用同樣的測(cè)量?jī)x器，但是不同的測(cè)量方法，fres的測(cè)量結(jié)果會(huì)相同嗎？我們?nèi)砸陨虾９豢闃颖荆捎梅椒ㄒ患捌渑涮诇y(cè)量夾具，僅改變測(cè)量方法中的第4點(diǎn)，即待測(cè)智能卡與測(cè)量夾具的間距，然后測(cè)量fres。如表6所示，以樣本與測(cè)量夾具的間距作為變量，隨著樣本遠(yuǎn)離測(cè)量夾具，得到的fres呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢(shì)。盡管在表6中fres從0mm至20mm僅降低了0.35 MHz，該差值的絕對(duì)值并不算大，但是亟待確認(rèn)的是，在什么樣的測(cè)量間距下，得到的fres才最接近真實(shí)值？另外，測(cè)量環(huán)境的射頻噪聲對(duì)fres的影響也不容忽視，如果測(cè)量環(huán)境附近有高頻信號(hào)發(fā)射裝置，或者有大的金屬物體，都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，作為實(shí)驗(yàn)室測(cè)量環(huán)境應(yīng)該避免射頻噪聲的影響，本文對(duì)此不再展開。
表6智能卡與測(cè)量夾具的間距與諧振頻率的關(guān)系
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上海公交卡1與測(cè)量夾具的間距 /mm |
fres/MHz |
上海公交卡2與測(cè)量夾具的間距 /mm |
fres/MHz |
|
0 |
15.80 |
0 |
16.80 |
|
10 |
15.7 |
10 |
16.65 |
|
15 |
15.6 |
15 |
16.55 |
|
20 |
15.5 |
20 |
16.45 |
綜上所述，諧振頻率作為智能卡重要的特征參數(shù)，因?yàn)闇y(cè)量方便，操作簡(jiǎn)單，而且能夠?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與質(zhì)量控制等方面提供較多的參考信息，因而在業(yè)界越來越受到重視，隨著各企業(yè)和單位對(duì)諧振頻率檢測(cè)能力的提高，fres逐漸被寫進(jìn)設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)規(guī)范中，但由于沒有統(tǒng)一的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，客觀上造成了測(cè)量結(jié)果的差異，同樣的智能卡，不同企業(yè)和單位給出的諧振頻率測(cè)量結(jié)果往往大項(xiàng)徑庭，而且其測(cè)量結(jié)果的誤差范圍未知。如果各單位均按照自己的理解建立一套檢測(cè)規(guī)范和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，不但增加了生產(chǎn)成本，而且在對(duì)外溝通中無法有效輸出，反而會(huì)使得業(yè)界對(duì)于智能卡諧振頻率值的定義更加混亂。在華虹設(shè)計(jì)對(duì)于智能卡的諧振頻率測(cè)量中，我們深刻的體會(huì)到，剝離測(cè)量條件、方法去討論諧振頻率的值是不科學(xué)的。所以我們僅把諧振頻率這一測(cè)量結(jié)果作為公司內(nèi)部設(shè)計(jì)的參考標(biāo)準(zhǔn)，以及量產(chǎn)階段產(chǎn)品一致性的考核指標(biāo)，不作為對(duì)外輸出和業(yè)界交流的標(biāo)桿。因此，我們建議并期待相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化部門或行業(yè)協(xié)會(huì)能夠盡快制定出諧振頻率的相關(guān)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，將測(cè)量方法和測(cè)量條件加以統(tǒng)一，使諧振頻率這一重要參數(shù)成為業(yè)界認(rèn)可的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以參與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)討論，能夠在智能卡領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推進(jìn)智能卡行業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用。
