A simulation framework for contactless performance metrics and parameters of proximity coupling transponders

Abstract

Mit der fortschreitenden Miniaturisierung kontaktloser Technologien in den Bereichen Zahlung, Identifikation und Zugang steigt die Nachfrage nach kleineren und energieeffizienteren PICCs deutlich an. Für passive Geräte wie kleine Zahlungsaccessoires und Wearables wird die Optimierung der kontaktlosen Performance zunehmend anspruchsvoller, da wichtige Kenngrößen wie Resonanzfrequenz (fres), Ansprechfeldstärke (Hmin) sowie die Eingangscharakteristika des ICs (Cic und Ric) präzise bestimmt und bewertet werden müssen. Herkömmliche prototypbasierte Entwicklungsansätze sind zeit- und ressourcenintensiv, wodurch der Bedarf an simulationsbasierten Methoden entsteht, um Prototyping zu reduzieren und optimale Designs zu erzielen. Diese Arbeit stellt ein umfassendes, systembasiertes Simulationsframework zur Modellierung von fres, Hmin, und den IC-Eingangscharakteristika von PICCs vor. Die standardisierte ISO Test PCD Assembly wird ebenfalls berücksichtigt. Das Framework modelliert lineare und nichtlineare Anteile getrennt, wobei lineare Modelle die S-Parameter einer PICC-Antenne auf der ISO Test PCD Assembly oder an einem VNA als DUT abbilden, während nichtlineare Modelle das gemessene analoge Verhalten der ICs erfassen. Die Modelle werden hauptsächlich aus EM-Simulationen von CAD-Modellen und benutzerdefinierten, datenbasierten Schaltungskomponenten erzeugt und anschließend in Schaltungssimulationen kombiniert. Der Vergleich mit Messungen zeigt eine hervorragende Übereinstimmung sowohl für die PICC-Antenne als auch für die ISO Test PCD Assembly S-Parameter-Modelle. Die fres Modellierung erreicht eine Genauigkeit von unter 0.7% (unter 100 kHz) und die von Hmin unter 2.6% (0.04 A/m). Durch Kombination des linearen Modells mit Messdaten der ISO Test PCD Assembly lassen sich zudem Cic und Ric unbekannter ICs bestimmen. Diese Methode erweitert den messbaren Bereich typischer LCR-Messgeräte auf höhere H-Levels, wobei ihre Empfindlichkeit gegenüber Modellierungs- und Messungenauigkeiten die praktische Anwendung einschränkt. Dennoch wird eine Genauigkeit von unter 3% bei einem Referenzsample mit bekannten Cic- und Ric-Werten erreicht. Durch die Kombination verschiedener Modellierungstechniken bietet das Framework zuverlässige Vorhersagen der kontaktlosen Performance (fres und Hmin) und ist ein wertvolles Werkzeug zur Reduzierung von Prototyping-Zyklen sowie zur Entwicklung der nächsten Generation kompakter, leistungsfähiger PICCs.

With the ongoing miniaturization of contactless technologies in payment, identification, and access applications, the demand for smaller and more energy-efficient PICCs (Proximity Integrated Circuit Cards) has grown significantly. For passive devices such as small payment accessories and wearables, optimizing contactless performance has become increasingly challenging, requiring the accurate measurement and evaluation of important metrics and parameters such as resonance frequency (fres), minimum operating magnetic field strength (Hmin), and IC input characteristics (Cic and Ric). Traditional prototyping-based design approaches are time- and resource-intensive, which creates a need for reliable simulation-based methods to expedite prototyping and achieve optimal designs. This thesis introduces a comprehensive system-level simulation framework for modeling fres, Hmin, and IC input characteristics of PICCs. The ISO (International Organization for Standardization) test PCD (Proximity Coupling Device) assembly, the main standardized test setup for PICCs, is also incorporated. The framework separately models the linear and nonlinear parts, where linear models represent S-parameter models of a PICC antenna placed on the ISO test PCD assembly or a VNA (Vector Network Analyzer) as the DUT (Device under Test), whereas nonlinear models capture the measured analog behavior of ICs. These models are primarily generated from EM simulations of CAD (Computer-aided Design) models and custom-defined data-based circuit components, respectively, and subsequently combined in circuit simulations. Verification against measurements demonstrates excellent agreement for both PICC antenna and ISO test PCD assembly S-parameter models. Modeling fres achieves an accuracy of under 0.7% (under 100 kHz), and modeling Hmin of under 2.6% (0.04 A/m) when compared with measurements. The framework’s linear model is also combined with ISO test PCD assembly measurements to extract Cic and Ric of unknown ICs. This method extends the measurable range of typical LCR meters toward higher H-levels, although its sensitivity to modeling and measurement accuracy limits its practical use. Nevertheless, it achieves an accuracy of under 3% on a reference sample with known passive Cic and Ric values. By combining multiple modeling techniques, the simulation framework presented in this thesis allows confident predictions of contactless performance (fres and Hmin). It provides a valuable tool for reducing prototyping iterations and facilitating the design of next-generation miniaturized, high-performance PICCs.