文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2011)04-0061-03
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時的輸入阻抗。
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：
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，通過調節可調衰減器，減小輸入阻抗匹配網絡的能量，同時調節傳輸線阻抗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。
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data-
sheet所規定的阻抗值18.1-149*j代替時，得到最優阻抗Z0為250 Ω
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，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。
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。
參考文獻
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