一種UHF無(wú)源RFID標簽芯片阻抗測試方法研究

射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）系統由閱讀器和電子標簽組成，天線(xiàn)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(wú)源標簽天線(xiàn)所吸收，理論要求電子標簽天線(xiàn)和標簽芯片阻抗達到共軛匹配。即UHF頻段無(wú)源RFID單芯片的阻抗值，直接決定著(zhù)電子標簽天線(xiàn)設計，進(jìn)而影響電子標簽的性能。
UHF頻段無(wú)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(wú)源、時(shí)變性、非線(xiàn)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(zhù)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(jìn)行測試。本文研究了UHF無(wú)源單芯片阻抗測試方法，通過(guò)對標準芯片阻抗測試，對測試方法進(jìn)行了檢驗。
1 測試原理
對于UHF頻段無(wú)源電子標簽工作特征而言，由于單芯片工作在UHF頻段，通過(guò)標簽芯片pad的任何引線(xiàn)都將產(chǎn)生寄生電容或者寄生電感，從而對芯片阻抗測試產(chǎn)生影響。同時(shí)，采用常規的測試方法，引線(xiàn)的長(cháng)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(xiàn)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )對芯片阻抗進(jìn)行測試,較好地解決了實(shí)際測試中面臨的接入困難等問(wèn)題。
由分布參數電路理論可知，在UHF頻段，傳輸線(xiàn)的寬度和長(cháng)度影響著(zhù)傳輸線(xiàn)特性阻抗值。例如本文所使用的平行雙導線(xiàn)，其工作頻帶很寬，可用于1 GHz以下所有頻率中，平行雙導線(xiàn)的特性阻抗值[3]如式(1)所示：

式中，a為平行雙導線(xiàn)中心的距離，b為平行雙導線(xiàn)單根導線(xiàn)的寬度。
利用傳輸線(xiàn)此特性，構建一個(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)相當于短路，實(shí)現阻抗變換，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)相當于一個(gè)感抗元件。芯片一般呈現容性，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)而與芯片阻抗達到共軛匹配。當芯片與匹配網(wǎng)絡(luò )達到共軛匹配狀態(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的所有能量，并且是正常工作的最小能量。通過(guò)觀(guān)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(cháng)度Lλ，反推此時(shí)的阻抗網(wǎng)絡(luò )，即可獲得無(wú)源RFID標簽芯片在工作狀態(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)變換后的輸入導納，Ys代表末端短路的短接線(xiàn)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(lián)。由傳輸線(xiàn)相關(guān)理論[4]可得：

實(shí)際測試模型如圖3所示，讀寫(xiě)器和可調衰減器通過(guò)同軸線(xiàn)相連，其輸出口參考阻抗均為50 Ω。運行讀寫(xiě)器，將其頻率設置為915 MHz，通過(guò)調節可調衰減器，減小輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )的能量，同時(shí)調節傳輸線(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。