一种UHF无源RFID标签芯片阻抗测试方法研究

射频识别RFID（Radio Frequency Identification）系统由阅读器和电子标签组成，天线是阅读器和电子标签通信的桥梁。为了使阅读器发射的射频能量最大限度地被无源标签天线所吸收，理论要求电子标签天线和标签芯片阻抗达到共轭匹配。即UHF频段无源RFID单芯片的阻抗值，直接决定着电子标签天线设计，进而影响电子标签的性能。
    UHF频段无源RFID电子标签采用反射调制原理工作，其原理决定了电子标签芯片阻抗具有UHF频段、无源、时变性、非线性等复杂特性，尤其是对于尺寸不足1 mm²的单芯片，本身即存在着尺寸小、射频影响等困难，导致常规的测试方法很难准确地对电子标签芯片阻抗进行测试。本文研究了UHF无源单芯片阻抗测试方法，通过对标准芯片阻抗测试，对测试方法进行了检验。
1 测试原理
    对于UHF频段无源电子标签工作特征而言，由于单芯片工作在UHF频段，通过标签芯片pad的任何引线都将产生寄生电容或者寄生电感，从而对芯片阻抗测试产生影响。同时，采用常规的测试方法，引线的长度和宽度很难把握，测试的重复性差，不利于标签芯片阻抗的准确测试。本文采用传输线阻抗匹配网络对芯片阻抗进行测试,较好地解决了实际测试中面临的接入困难等问题。
    由分布参数电路理论可知，在UHF频段，传输线的宽度和长度影响着传输线特性阻抗值。例如本文所使用的平行双导线，其工作频带很宽，可用于1 GHz以下所有频率中，平行双导线的特性阻抗值[3]如式(1)所示：
    
式中，a为平行双导线中心的距离，b为平行双导线单根导线的宽度。
    利用传输线此特性，构建一个传输线阻抗匹配网络模型，如图1所示。左端为匹配网络的前端电路，输入能量为芯片正常工作状态下的最小功耗，参考阻抗可以用一个阻抗为50 Ω的电阻R0代替。终端开路的λ/4的传输线相当于短路，实现阻抗变换，在λ/4传输线末端并联一段终端短路的短截线，此段短截线相当于一个感抗元件。芯片一般呈现容性，并联在λ/4传输线末端，通过改变短截线终端与芯片的距离Lλ，可以改变短截线引入的感抗大小，进而与芯片阻抗达到共轭匹配。当芯片与匹配网络达到共轭匹配状态时，芯片两端的回波损耗S11最小，即芯片几乎吸收了前端电路传输的所有能量，并且是正常工作的最小能量。通过观察回波损耗S11的值，用以确定最优的传输线阻抗Z0以及短截线距离芯片的长度Lλ，反推此时的阻抗网络，即可获得无源RFID标签芯片在工作状态时的输入阻抗。

    图2为阻抗匹配网络的等效电路，YR0代表电阻R0经λ/4传输线变换后的输入导纳，Ys代表末端短路的短接线在芯片连接处的输入导纳，Ychip代表芯片的输入导纳。Ychip和YR0、Ys相并联。由传输线相关理论[4]可得：
  

    实际测试模型如图3所示，读写器和可调衰减器通过同轴线相连，其输出口参考阻抗均为50 Ω。运行读写器，将其频率设置为915 MHz，通过调节可调衰减器，减小输入阻抗匹配网络的能量，同时调节传输线阻抗Z0以及短截线终端距离芯片的距离Lλ，使芯片能够获得正常工作的最小能量。此时，将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仿真软件对阻抗测试模型进行仿真，标签芯片接口用Term1表示，输出阻抗可以按照芯片的标准阻抗设定；阅读器与衰减器串联之后的输出接口用Term2表示，输出阻抗为50 Ω；物理长度为λ/4的传输线模型用TL1表示，其角度为90 deg，特性阻抗为Z0。在915 MHz频点，将Term1的阻抗值用NXP_XM芯片data-
sheet所规定的阻抗值18.1-149*j代替时，得到最优阻抗Z0为250 Ω
    从图4所示标准芯片的回波损耗仿真图形可以看出，标准芯片与阻抗匹配网络已经达到比较好的匹配状态，证明测试原理有效。

3 实际测试及误差分析
    基于以上仿真制作测试板。结合芯片封装形式以及SMA头的宽度，选择平行双线的中心距为4.15 mm，利用式(1)，计算平行双线宽度b值及对应的Z0值如表1所示，依据表1所示的计算值可以制作出测试板。为了提高测试板的抗干扰能力，SMA头接入信号后首先通过一个巴伦，将非平衡信号转换成平衡信号，然后再接到后端的平行双导线。

    测试板材料将对传输线上的波长产生影响，结合传输线理论，对于终端开路的传输线而言，当0<z<λ/4时，输入阻抗呈现容性；当z=λ/4时，输入阻抗为0，相当于短路；当λ/4<z<λ/2时，输入阻抗呈现感性；其中z为传输线的长度。利用网络分析仪进行实际测试得知，该传输线上的波长为252 mm，芯片应该放在λ/4处，即距离输出端口63 mm处。
    利用此测试板对工作在915 MHz的标准芯片进行测试，获得最优的Z0和Lλ值，代入公式（8）即可得到NXP_XM芯片阻抗为：17.1-j145；Impinj_Monza4芯片阻抗为：10.2-j142 Ω。而datasheet所给出的NXP_XM芯片阻抗为：18.1-j149；Impinj_Monza4单端口连接芯片阻抗为：11-j143 Ω。测试标准芯片所得阻抗值与芯片的datasheet相比略有偏差。
    误差产生的原因如下：(1)任何芯片阻抗值均具有离散性，这是由芯片本身的质量所决定的，所作的测试仅仅是对标准芯片的个别测试，而datasheet所给出的结果是一定数量的芯片阻抗取其平均值所得。(2)从仿真中可以看出，短截线与芯片距离的微小偏差便会对芯片的阻抗产生影响，可以利用多次读数取平均值减小误差。(3)作为通用测试板，传输线阻抗值与芯片测试所需要的值会有偏差，但是通过计算之后发现影响不大，依然能够保证较低的回波损耗值。
    本文提出一种UHF频段无源RFID标签芯片在最低功耗工作状态下的阻抗测试方法，其测试方法简单、准确性高、实际应用性强。利用该测试方法对工作在单个频点的芯片阻抗进行测试，同时通过多频点测试，可以测得一个频段内芯片的阻抗值变化情况。另外，该测试方法在测试板中引入了巴伦，提高了测试板抗干扰能力。此UHF无源单芯片阻抗测试的新方法改善了传统测试方法的不足，提高了测试的精准度，为下一步频段内阻抗测试奠定了基础。
参考文献
[1] KLAUS F.射频识别（RFID）技术[M].陈大才，译.北京：电子工业出版社，2001.
[2] MURFETT D.The challenge of testing RFID integrated circuits[J].In IEEE Int.Electron.Design，Test，Appl.Workshop，2004(6)：410-412.
[3] 黄玉兰.射频电路理论与设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.
[4] DEVENDRA K M.Radio-frequency and microwave communication circuits analysis and design，Second Edition[M].张肇义，译.北京：电子工业出版社，2005.
[5] 李云华，刘弈昌.标签芯片阻抗的在线测量[J].射频识别，2010(2).
[6] MATS L，HAWRYLAK P，MICKLE M.In-situ characterization of passive RFID tag performance at absolute minimum power levels[J].In IEEE AP-S Int.Symp.，2007(7)：2741-2744.
[7] PURSULA P，SANDSTROM D，JAAKKOLA K.Backscattering-based measurement of reactive antenna input impedance[J].IEEE Trans.Antennas Prapag.，2008，56(2)：469-474.