《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種UHF無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片阻抗測(cè)試方法研究
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第4期
楊躍勝1,2,,武岳山1,2,,熊立志2,田 平2,,李 曼1,,2
1.西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710127; 2.深圳市遠(yuǎn)望谷信息技術(shù)股份有限公司,,廣東 深圳 518057
摘要: 提出一種用于UHF無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片阻抗測(cè)試的新方法,。利用ADS仿真軟件對(duì)測(cè)試原理進(jìn)行了仿真并實(shí)際制作了測(cè)試板。利用設(shè)計(jì)的測(cè)試板對(duì)NXP_XM芯片和Impinj_Monza4芯片進(jìn)行了測(cè)試,,分析了誤差產(chǎn)生的原因,,最終測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期效果。
中圖分類(lèi)號(hào): TN492
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 0258-7998(2011)04-0061-03
Research of impedance measurement for UHF passive RFID tag chips
Yang Yuesheng1,,2,,Wu Yueshan1,2,,Xiong Lizhi2,,Tian Ping2,Li Man1,,2
1.School of Information Science & Technology, Northwest University, Xi′an 710127,,China; 2.Invengo Information Technology Co., Ltd,Shenzhen 518057,,China
Abstract: In this paper, we describe a novel method of impedance measurement for UHF passive RFID tag chips. The principle of test is simulated and test board is produced. The NXP_XM chip and Impinj_Monza4 chips impedance are tested by using the test board. The causes of error can be analyzed. Finally, the test results meet the expected results.
Key words : impedance;RFID,;chips of tag,;integrated circuit;ultra high frequency


    射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency Identification)系統(tǒng)由閱讀器和電子標(biāo)簽組成,,天線(xiàn)是閱讀器和電子標(biāo)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(wú)源標(biāo)簽天線(xiàn)所吸收,理論要求電子標(biāo)簽天線(xiàn)和標(biāo)簽芯片阻抗達(dá)到共軛匹配,。即UHF頻段無(wú)源RFID單芯片的阻抗值,,直接決定著電子標(biāo)簽天線(xiàn)設(shè)計(jì),進(jìn)而影響電子標(biāo)簽的性能,。
    UHF頻段無(wú)源RFID電子標(biāo)簽采用反射調(diào)制原理工作,,其原理決定了電子標(biāo)簽芯片阻抗具有UHF頻段、無(wú)源,、時(shí)變性,、非線(xiàn)性等復(fù)雜特性,尤其是對(duì)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(dǎo)致常規(guī)的測(cè)試方法很難準(zhǔn)確地對(duì)電子標(biāo)簽芯片阻抗進(jìn)行測(cè)試,。本文研究了UHF無(wú)源單芯片阻抗測(cè)試方法,,通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)芯片阻抗測(cè)試,對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行了檢驗(yàn)。
1 測(cè)試原理
    對(duì)于UHF頻段無(wú)源電子標(biāo)簽工作特征而言,,由于單芯片工作在UHF頻段,,通過(guò)標(biāo)簽芯片pad的任何引線(xiàn)都將產(chǎn)生寄生電容或者寄生電感,從而對(duì)芯片阻抗測(cè)試產(chǎn)生影響,。同時(shí),,采用常規(guī)的測(cè)試方法,引線(xiàn)的長(zhǎng)度和寬度很難把握,,測(cè)試的重復(fù)性差,,不利于標(biāo)簽芯片阻抗的準(zhǔn)確測(cè)試。本文采用傳輸線(xiàn)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)芯片阻抗進(jìn)行測(cè)試,較好地解決了實(shí)際測(cè)試中面臨的接入困難等問(wèn)題,。
    由分布參數(shù)電路理論可知,,在UHF頻段,傳輸線(xiàn)的寬度和長(zhǎng)度影響著傳輸線(xiàn)特性阻抗值,。例如本文所使用的平行雙導(dǎo)線(xiàn),,其工作頻帶很寬,可用于1 GHz以下所有頻率中,,平行雙導(dǎo)線(xiàn)的特性阻抗值[3]如式(1)所示:
    
式中,,a為平行雙導(dǎo)線(xiàn)中心的距離,b為平行雙導(dǎo)線(xiàn)單根導(dǎo)線(xiàn)的寬度,。
    利用傳輸線(xiàn)此特性,,構(gòu)建一個(gè)傳輸線(xiàn)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)模型,如圖1所示,。左端為匹配網(wǎng)絡(luò)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(gè)阻抗為50 Ω的電阻R0代替,。終端開(kāi)路的λ/4的傳輸線(xiàn)相當(dāng)于短路,,實(shí)現(xiàn)阻抗變換,在λ/4傳輸線(xiàn)末端并聯(lián)一段終端短路的短截線(xiàn),,此段短截線(xiàn)相當(dāng)于一個(gè)感抗元件,。芯片一般呈現(xiàn)容性,并聯(lián)在λ/4傳輸線(xiàn)末端,,通過(guò)改變短截線(xiàn)終端與芯片的距離Lλ,,可以改變短截線(xiàn)引入的感抗大小,進(jìn)而與芯片阻抗達(dá)到共軛匹配,。當(dāng)芯片與匹配網(wǎng)絡(luò)達(dá)到共軛匹配狀態(tài)時(shí),,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?shù)乃心芰?,并且是正常工作的最小能量,。通過(guò)觀察回波損耗S11的值,,用以確定最優(yōu)的傳輸線(xiàn)阻抗Z0以及短截線(xiàn)距離芯片的長(zhǎng)度Lλ,反推此時(shí)的阻抗網(wǎng)絡(luò),,即可獲得無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片在工作狀態(tài)時(shí)的輸入阻抗,。


    圖2為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的等效電路,YR0代表電阻R0經(jīng)λ/4傳輸線(xiàn)變換后的輸入導(dǎo)納,,Ys代表末端短路的短接線(xiàn)在芯片連接處的輸入導(dǎo)納,,Ychip代表芯片的輸入導(dǎo)納。Ychip和YR0,、Ys相并聯(lián),。由傳輸線(xiàn)相關(guān)理論[4]可得:
  


    實(shí)際測(cè)試模型如圖3所示,讀寫(xiě)器和可調(diào)衰減器通過(guò)同軸線(xiàn)相連,,其輸出口參考阻抗均為50 Ω,。運(yùn)行讀寫(xiě)器,將其頻率設(shè)置為915 MHz,,通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器,,減小輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的能量,同時(shí)調(diào)節(jié)傳輸線(xiàn)阻抗Z0以及短截線(xiàn)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(shí),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(duì)阻抗測(cè)試模型進(jìn)行仿真,,標(biāo)簽芯片接口用Term1表示,輸出阻抗可以按照芯片的標(biāo)準(zhǔn)阻抗設(shè)定,;閱讀器與衰減器串聯(lián)之后的輸出接口用Term2表示,輸出阻抗為50 Ω,;物理長(zhǎng)度為λ/4的傳輸線(xiàn)模型用TL1表示,,其角度為90 deg,特性阻抗為Z0,。在915 MHz頻點(diǎn),,將Term1的阻抗值用NXP_XM芯片data-
sheet所規(guī)定的阻抗值18.1-149*j代替時(shí),得到最優(yōu)阻抗Z0為250 Ω
    從圖4所示標(biāo)準(zhǔn)芯片的回波損耗仿真圖形可以看出,,標(biāo)準(zhǔn)芯片與阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)達(dá)到比較好的匹配狀態(tài),,證明測(cè)試原理有效。

3 實(shí)際測(cè)試及誤差分析
    基于以上仿真制作測(cè)試板,。結(jié)合芯片封裝形式以及SMA頭的寬度,,選擇平行雙線(xiàn)的中心距為4.15 mm,利用式(1),,計(jì)算平行雙線(xiàn)寬度b值及對(duì)應(yīng)的Z0值如表1所示,,依據(jù)表1所示的計(jì)算值可以制作出測(cè)試板,。為了提高測(cè)試板的抗干擾能力,SMA頭接入信號(hào)后首先通過(guò)一個(gè)巴倫,,將非平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換成平衡信號(hào),,然后再接到后端的平行雙導(dǎo)線(xiàn)。

    測(cè)試板材料將對(duì)傳輸線(xiàn)上的波長(zhǎng)產(chǎn)生影響,,結(jié)合傳輸線(xiàn)理論,,對(duì)于終端開(kāi)路的傳輸線(xiàn)而言,當(dāng)0<z<&lambda;/4時(shí),,輸入阻抗呈現(xiàn)容性,;當(dāng)z=&lambda;/4時(shí),輸入阻抗為0,,相當(dāng)于短路,;當(dāng)&lambda;/4<z<&lambda;/2時(shí),輸入阻抗呈現(xiàn)感性,;其中z為傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度,。利用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行實(shí)際測(cè)試得知,該傳輸線(xiàn)上的波長(zhǎng)為252 mm,,芯片應(yīng)該放在&lambda;/4處,,即距離輸出端口63 mm處。
    利用此測(cè)試板對(duì)工作在915 MHz的標(biāo)準(zhǔn)芯片進(jìn)行測(cè)試,,獲得最優(yōu)的Z0和L&lambda;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 &Omega;,。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 &Omega;。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)芯片所得阻抗值與芯片的datasheet相比略有偏差,。
    誤差產(chǎn)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(zhì)量所決定的,所作的測(cè)試僅僅是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)芯片的個(gè)別測(cè)試,,而datasheet所給出的結(jié)果是一定數(shù)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(xiàn)與芯片距離的微小偏差便會(huì)對(duì)芯片的阻抗產(chǎn)生影響,,可以利用多次讀數(shù)取平均值減小誤差,。(3)作為通用測(cè)試板,傳輸線(xiàn)阻抗值與芯片測(cè)試所需要的值會(huì)有偏差,,但是通過(guò)計(jì)算之后發(fā)現(xiàn)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(wú)源RFID標(biāo)簽芯片在最低功耗工作狀態(tài)下的阻抗測(cè)試方法,,其測(cè)試方法簡(jiǎn)單,、準(zhǔn)確性高,、實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)。利用該測(cè)試方法對(duì)工作在單個(gè)頻點(diǎn)的芯片阻抗進(jìn)行測(cè)試,,同時(shí)通過(guò)多頻點(diǎn)測(cè)試,,可以測(cè)得一個(gè)頻段內(nèi)芯片的阻抗值變化情況。另外,,該測(cè)試方法在測(cè)試板中引入了巴倫,,提高了測(cè)試板抗干擾能力。此UHF無(wú)源單芯片阻抗測(cè)試的新方法改善了傳統(tǒng)測(cè)試方法的不足,,提高了測(cè)試的精準(zhǔn)度,,為下一步頻段內(nèi)阻抗測(cè)試奠定了基礎(chǔ)。
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