能量测试模拟卡谐振频率校准装置的制作方法

本发明涉及仪器测试技术领域，更具体地，涉及适用于13.56MHz的能量测试模拟卡的谐振频率的计量方法研究。

背景内容

随着身份证在人们日常社会活动中的广泛应用，居民身份证阅读器的需求量增大。为了保障法定证件的正常使用，公安部发布实施了GA450-2013居民身份证阅读器通用技术要求，中国安全技术防范认证中心对社会发布实施社会公共安全产品认证实施规则(以下简称《认证实施规则》)。

就居民身份证阅读器而言，保证能够与身份证正常通讯的首要指标就是输出的能量值要符合要求，因此对输出的能量值的定量测试及溯源性研究，是产品质量一致性、使用可靠性与稳定性的关键点，是身份证件公共安全管理的重要技术支持。

能量测试模拟卡(参考PICC(Hmax、Hmin))是用于13.56MHz射频识别设备的关键参数，即射频识别设备能量值测试的专用计量标准器，能量测试模拟卡根据使用需求分为两种，一种是用于最大工作场强，即7.5A/m rms测量的称为最大场强测试模拟卡(参考PICC(Hmax)，一种是用于最小工作场强即1.5A/m rms测试的称为最小场强测试模拟卡(参考PICC(Hmin)，对此在GA450、《认证实施规则》、身份证产品标准中均有详细使用规定。

能量测试模拟卡有两个关键参数：谐振频率与磁场强度。但是到目前为止，在中国无法实现计量和量值溯源，使得能量测试模拟卡无法作为计量器具在相关产品质量控制、评价中使用。

这种智能卡关键参数计量溯源体系的不完善，会造成身份证产品由于生产中电子芯片的工作灵敏度量值的不一致，导致每批产品读写性能不一致的情况；会造成阅读器产品由于输出磁场强度量值不同，形成的阅读距离不同、读取身份证信息数据兼容性差、读取数据信息稳定性差、通信没有保障；会造成法定证件产品合格评定没有科学统一的测量标准，使得身份证件使用中出现多种麻烦，进而对整个社会公共安全形成严重威胁。

要保证参考PICC(Hmin、Hmax)关键量值的统一，建立国家量值传递体系非常重要，对此公安部相关管理部门和国家质检总局高度重视参考PICC(Hmin、Hmax)计量溯源体系的建立工作，2013年在公安部建议下，国内首套参考PICC(Hmin、Hmax)计量标准的筹建工作已列入(2013-2020)年国家计量发展规划。

目前，只提出参考PICC(Hmin，Hmax)要调谐振，但是没有方法程序，参考PICC(Hmin，Hmax)谐振频率的测量方法不统一，测试中有许多不确定因素影响到数据的重复性和稳定性，如采用什么测试系统、测试距离、测试环境的确定等，不确定的条件使得测量数据的准确性无法确定。由电磁感应定量知道，谐振频率与磁场强度密切相关，因此研究其测量方法确定其准确性是场强计量的先决条件，有非常重要的现实意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种能量测试模拟卡谐振频率校准装置，以填补国内的空白，为研制参考PICC标准装置提供测量技术支持。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

能量测试模拟卡谐振频率校准装置，包括信号发生器、测量线圈、待测能量测试模拟卡、具有显示装置的测量仪器；所述测量线圈包括等效电容C1和电感L1，所述等效电容C1和电感L1组成振荡电路一，所述信号发生器与所述振荡电路一连接；可调电容C3、待测能量测试模拟卡的线圈电感L2与电容C2构成振荡电路二，所述振荡电路二与振荡电路一构成电感耦合电路；所述测量仪器在待测能量测试模拟卡的输出端采集信号并在显示装置上进行显示。

需要说明的是，所述振荡电路一与所述振荡电路二通过一测试架正相对平行固定，相互之间间距为10mm。

需要说明的是，所述测量仪器采用高阻抗电压表，而所述信号发生器为射频信号发生器；所述射频信号发生器通过功率放大器连接于所述振荡电路一。

需要说明的是，所述测量仪器采用矢量网络分析仪，而所述信号发生器为矢网信号发生器。

需要说明的是，所述测量线圈包括接插件和导线，所述导线围成四个圆角的方形线圈，其两个端部连接于所述接插件；所述接插件为SMA射频同轴连接器；与测量线圈连接的测试线采用半柔性电缆，两端连接器为SMA/BNC，长度小于30Cm，测试线一端与测量线圈的SMA射频同轴连接器连接，另一端与信号发生器连接。

需要说明的是，能量测试模拟卡与显示装置的测试线采用双绞线或半柔性电缆。

进一步需要说明的是，所述导线围成的方形线圈为长72mm×宽42mm，四个圆角半径为5mm，导线宽度为0.5mm。

本发明的有益效果在于：提供了一种能量测试模拟卡(参考PICC(Hmin，Hmax))校准装置，为研制参考PICC标准装置提供测量技术支持，从而有助于实现在中国量值溯源和传递。为法定证件产品质量控制和管理提供计量保障，为13.56MHz射频识别相关产品的技术进步提供技术服务。

附图说明

图1为本发明实施例一的电路示意图；

图2为本发明实施例二的电路示意图；

图3为本发明实施例二的连接示意框图；

图4为测量线圈的结构示意图；

图5为能量测试模拟卡的结构示意图；

图6为能量测试模拟卡的电路示意图；

图7为能量测试模拟卡谐振频率的量值溯源与传递示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

参考PICC(Hmin，Hmax)由于用途不同分为：用于测量最小场强(1.5A/m)的能量测试模拟卡参考PICC(Hmin)和用于测量最大场强(7.5A/m)的能量测试模拟卡参考PICC(Hmax)。

参考PICC(Hmin，Hmax)的主要技术指标如下：

参考PICC(Hmin)

谐振频率：13.56MHz，最大允许误差不超过±2kHz；

直流电压：3V，最大允许误差不超过±6％；

参考PICC(Hmax)

谐振频率：19MHz，最大允许误差不超过±2kHz；

直流电压：3V，最大允许误差不超过±6％。

参考PICC(Hmin，Hmax)由PICC活动区和PICC功能模拟区组成，如图5所示。

参考PICC(Hmin，Hmax)根据电磁感应定律，采用电感耦合方式与射频读写设备进行能量的传递和工作。其中活动区部分模拟IC卡的线圈部分，功能模拟区模拟IC卡能量电路，将感应电压转换为给微型芯片提供工作需要的直流电压。

如图6所示，参考PICC(Hmin，Hmax)从电路上分包括2个模块，分别是：

(1)谐振电路模块：由电感(线圈)和电容C2C3组成的谐振电路。

功能：谐振在特定的频率点，接收高频信号的能量。

工作原理：参考PICC(Hmin，Hmax)线圈回路的分布电容C2和外接调谐振电容C3与线圈L2并联形成LC振荡回路2，其谐振频率为f，当参考PICC(Hmin，Hmax)线圈置于阅读器的交变磁场中并且谐振频率f与阅读器交变磁场的频率f₀相同时，谐振回路1，2产生谐振。谐振使的阅读器天线线圈产生非常大的电流，使得参考PICC(Hmin，Hmax)线圈上的感应电压达到最大值。

(2)电压模块：由两部分组成：

第一部分由四个二极管D1D2D3D4组成的检波电路。

功能：是把高频信号的交流变成直流信号。

第二部分是由后面的C4和R1R2R3组成的滤波输出电路。

功能：主要是平滑滤波前面检波出来的直流信号并按照要求调整为3V输出。

工作原理：将线圈上获得的感应电压经过二极管整流滤波转化为稳定的直流电压。

根据上述能量测试模拟卡的结构特点和工作原理，本发明提供一种能量测试模拟卡谐振频率校准装置。其中包括基于逐点法的能量测试模拟卡谐振频率校准装置和基于扫频法的能量测试模拟卡谐振频率校准装置。

实施例一

实施例一为基于逐点法的能量测试模拟卡谐振频率校准装置。

如图1所示，能量测试模拟卡谐振频率校准装置，包括信号发生器、测量线圈、待测能量测试模拟卡、具有显示装置的高阻抗电压表；所述测量线圈包括等效电容C1和电感L1，所述等效电容C1和电感L1组成振荡电路一，所述信号发生器与所述振荡电路一连接；可调电容C3、待测能量测试模拟卡的线圈电感L2与电容C2构成振荡电路二，所述振荡电路二与振荡电路一构成电感耦合电路；所述高阻抗电压表在待测能量测试模拟卡的输出端采集信号并在显示装置上进行显示。

进一步地，所述振荡电路一与所述振荡电路二通过所述测试架正相对平行固定，相互之间间距为10mm。

进一步地，所述射频信号发生器通过功率放大器连接于所述振荡电路一。

如图4所示，所述测量线圈包括接插件101和导线102，所述导线围成四个圆角的方形线圈，导线的两个端部连接于所述接插件。所述接插件为SMA射频同轴连接器。与测量线圈连接的测试线采用半柔性电缆，型号670-41，两端连接器为SMA/BNC，长度小于30cm，测试线一端与测量线圈的SMA射频同轴连接器连接，另一端与信号源输出端连接。目的减小由于近场磁场环境下测量产生的测量结果不确定度。

更进一步，所述导线102围成的方形线圈为长72mm×宽42mm，四个圆角半径为5mm，导线宽度为0.5mm。

更进一步，能量测试模拟卡与显示装置的测试线为双绞线或上述半柔性电缆线。

图1中，C1、L1为测量线圈的等效电容和电感，用于组成振荡电路一，将信号源产生的射频信号转变为交变磁场信号输出。L2、C2为能量测试模拟卡线圈电感和电容，C3为可调电容，L2C2C3组成振荡电路二。测试架的作用使振荡电路一、二能够发生电感耦合，C3为可调电容，对能量测试模拟卡的谐振频率进行调整。D1-D4组成检波电路，将交流信号转变为直流信号。C4R1R2R3组成的滤波输出电路，作用是平滑滤波前面检波出来的直流信号并按照要求调整R2使输出为3V。J1为转换开关，作用在调试与测量中进行转换。

利用基于逐点法的能量测试模拟卡谐振频率校准装置进行谐振频率的校准方法主要包括如下步骤：

S1射频信号发生器与测量线圈组合输出用于激发待测能量测试模拟卡发生振动的交变磁场信号；

S2测量线圈与待测能量测试模拟卡的线圈部分相互平行放置；

S3通过高阻抗电压表检测值的变化，确定待测能量测试模拟卡是否发生了谐振；

S4记录待测能量测试模拟卡发生谐振时步骤S1输出射频信号的频率值；

S5步骤S4中记录的输出射频信号的频率值为所述待测能量测试模拟卡的谐振频率。

进一步的，步骤S1具体包括：

1.1)设置射频信号发生器输出信号的参数；

1.2)连续调节输出射频信号的电压幅度，至输出高阻抗电压表直流电压值为3V；

1.3)保持所述输出射频信号的电压幅度不变，改变输出射频信号的频率。

进一步地，步骤1.1)中所述参数的波形为正弦波，频率为13.56MHz，幅度为(0～12)V_p-p，且连续可调。

进一步地，步骤S2中，无谐振时，高阻抗电压表显示为某个常数，当某个频率恰好与能量测试模拟卡的谐振频率相同时，待测能量测试模拟卡发生谐振，能量测试模拟卡输出端连接的高阻抗电压表检测到的功率值达到最大，并从高阻抗电压表中能看到某个值为最大(逐点法)。

进一步地，步骤1.3)中，改变输出射频信号的频率具体为在频率区间以标称值为中心按照1kHz的间隔改变输出信号频率。

进一步，当所述待测能量测试模拟卡为测量最小场强1.5A/m rms的能量测试模拟卡时，所述标称值为13.56MHz；当所述待测能量测试模拟卡为用于测量最大场强7.5A/m rms的能量测试模拟卡时，所述标称值为19MHz。

更进一步地，当所述待测能量测试模拟卡为测量最小场强1.5A/m rms的能量测试模拟卡时，所述频率区间为13.56MHz±2kHz；当所述待测能量测试模拟卡为用于测量最大场强7.5A/m rms的能量测试模拟卡时，所述频率区间为19MHz±2kHz。

谐振频率可根据汤姆逊公式(1)计算得到：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{lc}}---\left(1\right)$

由公式(1)可知，谐振频率f是根据参考PICC(Hmin，Hmax)振荡电路的电容C2C3和电感L2决定的。

本实施例中，各设备参数如表1所示：

表1

实施例二

实施例二为基于扫频法的能量测试模拟卡谐振频率校准装置。如图2和图3所示，包括矢网信号发生器、测量线圈、待测能量测试模拟卡、具有显示装置的矢量网络分析仪；所述测量线圈包括等效电容C1和电感L1，所述等效电容C1和电感L1组成振荡电路一，所述信号发生器与所述振荡电路一连接；可调电容C3、待测能量测试模拟卡的线圈电感L2与电容C2构成振荡电路二，所述振荡电路二与振荡电路一构成电感耦合电路；所述矢量网络分析仪在待测能量测试模拟卡的输出端采集信号并在显示装置上进行显示。在本实施例中，所述矢量网络分析仪同时也作为所述矢网信号发生器使用。

进一步地，所述振荡电路一与所述振荡电路二通过所述测试架正相对平行固定，相互之间间距为10mm。

进一步地，如图4所示，所述测量线圈包括接插件101和导线102，所述导线围成四个圆角的方形线圈，导线的两个端部连接于所述接插件。

更进一步地，所述导线围成的方形线圈为长72mm×宽42mm，四个圆角半径为5mm，导线宽度为0.5mm。

图2中，C1、L1为测量线圈的等效电容和电感，用于组成振荡电路一，将矢网信号发生器发出的矢网信号转变为交变磁场信号输出。L2、C2为能量测试模拟卡线圈电感和电容，C3为可调电容，L2C2C3组成振荡电路二。测试架的作用使振荡电路一、二能够发生电感耦合，C3为可调电容，对能量测试模拟卡的谐振频率进行调整。D1-D4组成检波电路，将交流信号转变为直流信号。C4R1R2R3组成的滤波输出电路，作用是平滑滤波前面检波出来的直流信号并按照要求调整R2使输出为3V。J1为转换开关，作用在调试与测量中进行转换。

利用上述基于扫频法的能量测试模拟卡谐振频率校准装置进行能量测试模拟卡谐振频率计量的方法主要包括如下步骤：

S1矢网信号发生器与测量线圈组合输出用于激发待测能量测试模拟卡发生振动的交变磁场信号；

S2测量线圈与待测能量测试模拟卡的线圈部分相互平行进行放置；

S3通过矢量网络分析仪显示波形的变化，确定待测能量测试模拟卡是否发生了谐振；

S4记录能量测试模拟卡发生谐振时波形峰值的频率值为谐振频率值。

进一步的，步骤S1具体包括：

1.1)设置矢网分析仪工作状态为S21，即信号从矢网分析仪的1口发出，2口接收；

1.2)设置矢网分析仪的显示频率范围，分辨率带宽、输出功率；

1.3)设置标记MARKER，MARKER1标识值为13.56MHz，将MARKER2放置在波形峰值位置。

进一步地，步骤S1中，交变磁场信号为正弦波，中心频率为13.56MHz或19MHz，功率为5dBm或0dBm。

进一步地，步骤S2中，无谐振时，矢量网络分析仪的显示装置显示为某个常数，当某个频率恰好与能量测试模拟卡的谐振频率相同时，待测能量测试模拟卡发生谐振，能量测试模拟卡输出端连接的矢量网络分析仪检测到的功率值达到最大，并从矢量网络分析仪的显示装置中能看到出现波峰或波谷(扫频法)。

进一步地，步骤S3中，通过MKr2测试值与MKr1标识值比较，对电位器C3进行调整，观测波形变化，使谐振频率值符合要求。

谐振频率可根据汤姆逊公式(1)计算得到：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{lc}}---\left(1\right)$

由公式(1)可知，谐振频率f是根据能量测试模拟卡振荡电路的电容C2C3和电感L2决定的。

所述基于扫频法的能量测试模拟卡谐振频率校准装置中各设备技术要求如表2所示。

表2

上述能量测试模拟卡谐振频率校准装置(包括逐点法和扫频法)性能指标如下：

信号输出：正弦波

频率范围：10kHz～250MHz，最大允许误差：≤±5×10^-7

幅度范围：0～50W

输出阻抗：50Ω。

以下将进一步验证上述能量测试模拟卡谐振频率校准装置的有效性：

为了证明谐振频率校准装置性能的有效性，采用逐点法和扫频法对同一样品在相同测量环境下测试。

1、试验方法及数据

(1)实验分类与装置：

1#试验：逐点法，装置见表1。

2#试验：扫频法，装置见表2。

(2)样品：参考PICC(Hmin)

(3)环境条件：

温度：(20±5)℃；

相对湿度：≤80％；

测试装置周围无振动、无电磁场干扰影响；

试验地点：公安部第一研究所神盾计量校准中心418室

(4)依据：JJG(公安)1-2014相应条款

(5)特殊要求：

1#，2#试验采用的测试线圈、测试架、测试线及适配器均相同。

参考PICC(Hmin)谐振频率测量结果见表3

表3

表3测量数据结果显示：同一样品在同样测量环境下1#、2#试验结果的测量误差为0.001MHz，说明两套校准装置具有可比性，测量数据有效。

2、测量结果的不确定度分析

2.1能量测试模拟卡谐振频率测量结果的不确定度分析

2.1.1数学模型

Δf＝Δf_c+Δf_m (2)

式中：Δf为谐振频率测量误差；

Δf_c为谐振频率测量值重复性引入误差；

Δf_m为信号发生器频率最大允许误差。

2.1.2方差和灵敏系数

由(2)式得方差为：

u_c²(Δf)＝c²(Δf_c)u²(Δf_c)+c²(Δf_m)u²(Δf_m) (3)

式中：u(Δf_c)为谐振频率测量值重复性带来的不确定度分量。

u(Δf_m)为信号发生器频率最大允许误差带来的不确定度分量。

灵敏度系数为：

故：

u_c²(Δf)＝u²(Δf_c)+u²(Δf_m) (4)

2.1.3测量不确定度评定

对于标称值为13.56MHz的能量测试模拟卡谐振频率测试结果进行测量不确定度评定。

2.1.3.1标准不确定度A类评定

设能量测试模拟卡谐振频率测量值重复性实验标准差为s(f_c)，则u(Δf_c)＝s(f_c)。重复性试验数据如表4所示

表4

单位：MHz

读取10次测量结果见表2，按正态分布评定，计算实验标准差s(f_c)，自由度v₁＝9，故：

$u\left({\mathrm{\Δf}}_c\right)=s\left(f_c\right)=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(f_{ci}-{\stackrel{\‾}{f}}_c)}^2}{n-1}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{10}{\Σ}}{(f_{ci}-{\stackrel{\‾}{f}}_c)}^2}{9}}=0.000169\left(MHz\right)$

2.1.3.2标准不确定度B类评定

设信号发生器频率准确度引起的标准不确定度分量为u(Δf_m)。

信号发生器在频率测量点13.56MHz处频率准确度引入的频率误差Δf_m为：

Δf_m＝(±1×10^-5×13.56)＝±0.0001356(MHz)，由于频率测量误差服从矩形分布，故：

$u\left({\mathrm{\Δf}}_m\right)=\frac{0.0001356}{\sqrt{3}}=0.000078\left(MHz\right)$

估计自由度v₂→∞

2.1.3.3标准不确定度分量如表5所示：

表5

2.1.3.4合成标准不确定度

以上两个分量相互独立，计算合成标准不确定度u_c(Δf)

$u_c\left(\mathrm{\Δ}f\right)=\sqrt{u^2\left({\mathrm{\Δf}}_c\right)+u^2\left({\mathrm{\Δf}}_m\right)}=\sqrt{{0.000169}^2+{0.000078}^2}=0.00019\left(MHz\right)$

2.1.3.5合成标准不确定度的有效自由度v_eff(f)

$v_{eff}\left(f\right)=\frac{u_c^4\left(\mathrm{\Δ}f\right)}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{u_i^4\left(\mathrm{\Δ}f\right)}{v_i}}=\frac{{0.00019}^4}{\frac{{0.000169}^4}{9}+\frac{{0.000078}^4}{\mathrm{\∞}}}\≈14$

2.1.3.6扩展不确定评定

根据能量测试模拟卡谐振频率检定方法，本测量共有两项不确定度分量，分别服从正态分布和均匀分布，可以估计被测量f为服从正态分布。

取置信概率p＝0.95，v_eff(f)＝14，查t分布表得到：

k₉₅＝t₉₅(v_eff(f))＝t₉₅(14)＝2.14

故U₉₅＝k₉₅×uc(Δf)＝2.14×0.00019≈0.00041(MHz)。

2.1.3.7结论

根据JJG(公安)1-2014要求能量测试模拟卡在谐振频率为13.56MHz的最大允许误差±2kHz，从上述分析得到U₉₅＝0.41kHz，因此可以判断能够满足《规程》要求。

2.2对于能量测试模拟卡在谐振频率为19MHz的测量不确定度分析

2.2.1能量测试模拟卡在19MHz谐振频率测量结果的不确定度分析方法同13.56MHz。评定后其扩展不确定度为：

U₉₅＝k₉₅×u_c(Δf)＝2.10×0.00021≈0.00045(MHz)

2.2.2结论

根据JJG(公安)1-2014要求，能量测试模拟卡谐振频率为19MHz点的最大允许误差±2kHz，从上述分析得到U₉₅＝0.45kHz，因此可以判断能够满足《规程》要求。

3、结论

实验数据及测量结果的不确定度分析表明：本发明的能量测试模拟卡(参考PICC(Hmin，Hmax))谐振频率校准装置性能符合JJG(公安)1-2014的要求，满足计量的需要。

参考PICC(Hmin，Hmax)谐振频率的量值溯源与传递

参考PICC(Hmin，Hmax)谐振频率的量值溯源与传递如图7所示。

如图7所示，本发明的能量测试模拟卡谐振频率校准装置的各项参数能够在国内实现有效溯源，满足能量测试模拟卡按照JJG(公安)1-2014进行校准的需要，是规程能够实施的硬件设备能力支撑。解决了国内外装置不能在国内溯源、能量测试模拟卡不能在国内溯源的难题。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。