一種UHF無源RFID標簽芯片阻抗測試方法研究

楊躍勝 ，武岳山 ，熊立志 ，田 平 ，李 曼

（1.西北大學 信息科學與技術學院，陜西 西安 710127；2.深圳市遠望谷信息技術股份有限公司，廣東 深圳 518057）

射頻識別 RFID（Radio Frequency Identification）系統由閱讀器和電子標簽組成，天線是閱讀器和電子標簽通信的橋梁。為了使閱讀器發(fā)射的射頻能量最大限度地被無源標簽天線所吸收，理論要求電子標簽天線和標簽芯片阻抗達到共軛匹配。即UHF頻段無源RFID單芯片的阻抗值，直接決定著電子標簽天線設計，進而影響電子標簽的性能。

UHF頻段無源RFID電子標簽采用反射調制原理工作，其原理決定了電子標簽芯片阻抗具有UHF頻段、無源、時變性、非線性等復雜特性，尤其是對于尺寸不足1 mm2的單芯片，本身即存在著尺寸小、射頻影響等困難，導致常規(guī)的測試方法很難準確地對電子標簽芯片阻抗進行測試。本文研究了UHF無源單芯片阻抗測試方法，通過對標準芯片阻抗測試，對測試方法進行了檢驗。

1 測試原理

對于UHF頻段無源電子標簽工作特征而言，由于單芯片工作在UHF頻段，通過標簽芯片pad的任何引線都將產生寄生電容或者寄生電感，從而對芯片阻抗測試產生影響。同時，采用常規(guī)的測試方法，引線的長度和寬度很難把握，測試的重復性差，不利于標簽芯片阻抗的準確測試。本文采用傳輸線阻抗匹配網絡對芯片阻抗進行測試,較好地解決了實際測試中面臨的接入困難等問題。

由分布參數電路理論可知，在UHF頻段，傳輸線的寬度和長度影響著傳輸線特性阻抗值。例如本文所使用的平行雙導線，其工作頻帶很寬，可用于1 GHz以下所有頻率中，平行雙導線的特性阻抗值[3]如式(1)所示：

式中，a為平行雙導線中心的距離，b為平行雙導線單根導線的寬度。

利用傳輸線此特性，構建一個傳輸線阻抗匹配網絡模型，如圖1所示。左端為匹配網絡的前端電路，輸入能量為芯片正常工作狀態(tài)下的最小功耗，參考阻抗可以用一個阻抗為50 Ω的電阻R0代替。終端開路的λ/4的傳輸線相當于短路，實現阻抗變換，在 λ/4傳輸線末端并聯一段終端短路的短截線，此段短截線相當于一個感抗元件。芯片一般呈現容性，并聯在λ/4傳輸線末端，通過改變短截線終端與芯片的距離 Lλ，可以改變短截線引入的感抗大小，進而與芯片阻抗達到共軛匹配。當芯片與匹配網絡達到共軛匹配狀態(tài)時，芯片兩端的回波損耗S11最小，即芯片幾乎吸收了前端電路傳輸的所有能量，并且是正常工作的最小能量。通過觀察回波損耗S11的值，用以確定最優(yōu)的傳輸線阻抗Z0以及短截線距離芯片的長度Lλ，反推此時的阻抗網絡，即可獲得無源RFID標簽芯片在工作狀態(tài)時的輸入阻抗。

圖1 阻抗匹配網絡模型

圖2為阻抗匹配網絡的等效電路，YR0代表電阻 R0經 λ/4傳輸線變換后的輸入導納，Ys代表末端短路的短接線在芯片連接處的輸入導納，Ychip代表芯片的輸入導納。Ychip和YR0、Ys相并聯。由傳輸線相關理論[4]可得：

圖2 匹配網絡等效電路

當電路處于諧振狀態(tài)時，則有：

由式(2)～式(5)可求得：

由以上公式推導可以得出：對于任意芯片阻抗Zchip（Im（Zchip）＜0），總能找到合適的 Z0和 Lλ使匹配網絡與芯片阻抗實現共軛匹配。通常情況下，標簽芯片阻抗未知，通過測試，找到最大衰減量情況下的 Z0和 Lλ值，則標簽芯片的阻抗可表示為：

實際測試模型如圖3所示，讀寫器和可調衰減器通過同軸線相連，其輸出口參考阻抗均為50 Ω。運行讀寫器，將其頻率設置為 915 MHz，通過調節(jié)可調衰減器，減小輸入阻抗匹配網絡的能量，同時調節(jié)傳輸線阻抗Z0以及短截線終端距離芯片的距離Lλ，使芯片能夠獲得正常工作的最小能量。此時，將 Z0和 Lλ的值代入式（8）即可得到芯片在最低功耗下的阻抗值。

圖3 阻抗測試模型圖

2 仿真分析

利用ADS仿真軟件對阻抗測試模型進行仿真，標簽芯片接口用Term1表示，輸出阻抗可以按照芯片的標準阻抗設定；閱讀器與衰減器串聯之后的輸出接口用Term2表示，輸出阻抗為 50 Ω；物理長度為 λ/4的傳輸線模型用 TL1表示，其角度為 90 deg，特性阻抗為 Z0。在915 MHz頻點，將Term1的阻抗值用NXP_XM芯片datasheet所規(guī)定的阻抗值18.1-149*j代替時，得到最優(yōu)阻抗 Z0為 250 Ω，短截線距離芯片的距離 Lλ為 31.15 deg；將Term1的阻抗值用Impinj_Monza4芯片datasheet所規(guī)定的阻抗值11-143*j代替時，得到仿真后傳輸線的最優(yōu)阻抗 Z0為 305.7 Ω，以及 Lλ為 25.15 deg。 在此最優(yōu)值的條件下，標準芯片的回波損耗曲線如圖4所示。

圖4 標準芯片回波損耗

從圖4所示標準芯片的回波損耗仿真圖形可以看出，標準芯片與阻抗匹配網絡已經達到比較好的匹配狀態(tài)，證明測試原理有效。

3 實際測試及誤差分析

基于以上仿真制作測試板。結合芯片封裝形式以及SMA頭的寬度，選擇平行雙線的中心距為4.15 mm，利用式(1)，計算平行雙線寬度 b值及對應的 Z0值如表1所示，依據表1所示的計算值可以制作出測試板。為了提高測試板的抗干擾能力，SMA頭接入信號后首先通過一個巴倫，將非平衡信號轉換成平衡信號，然后再接到后端的平行雙導線。

表1 平行雙導線的線寬和特性阻抗值

測試板材料將對傳輸線上的波長產生影響，結合傳輸線理論，對于終端開路的傳輸線而言，當 0＜z＜λ/4時，輸入阻抗呈現容性；當 z=λ/4時，輸入阻抗為 0，相當于短路；當 λ/4＜z＜λ/2時，輸入阻抗呈現感性；其中 z為傳輸線的長度。利用網絡分析儀進行實際測試得知，該傳輸線上的波長為252 mm，芯片應該放在λ/4處，即距離輸出端口63 mm處。

利用此測試板對工作在915 MHz的標準芯片進行測試，獲得最優(yōu)的 Z0和 Lλ值，代入公式（8）即可得到NXP_XM芯片阻抗為：17.1-j145；Impinj_Monza4芯片阻抗為：10.2-j142 Ω。而 datasheet所給出的 NXP_XM芯片阻抗為：18.1-j149；Impinj_Monza4單端口連接芯片阻抗為：11-j143 Ω。測試標準芯片所得阻抗值與芯片的datasheet相比略有偏差。

誤差產生的原因如下：(1)任何芯片阻抗值均具有離散性，這是由芯片本身的質量所決定的，所作的測試僅僅是對標準芯片的個別測試，而datasheet所給出的結果是一定數量的芯片阻抗取其平均值所得。(2)從仿真中可以看出，短截線與芯片距離的微小偏差便會對芯片的阻抗產生影響，可以利用多次讀數取平均值減小誤差。(3)作為通用測試板，傳輸線阻抗值與芯片測試所需要的值會有偏差，但是通過計算之后發(fā)現影響不大，依然能夠保證較低的回波損耗值。

本文提出一種UHF頻段無源RFID標簽芯片在最低功耗工作狀態(tài)下的阻抗測試方法，其測試方法簡單、準確性高、實際應用性強。利用該測試方法對工作在單個頻點的芯片阻抗進行測試，同時通過多頻點測試，可以測得一個頻段內芯片的阻抗值變化情況。另外，該測試方法在測試板中引入了巴倫，提高了測試板抗干擾能力。此UHF無源單芯片阻抗測試的新方法改善了傳統測試方法的不足，提高了測試的精準度，為下一步頻段內阻抗測試奠定了基礎。

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