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源標(biāo)簽天線所吸收,，理論要求電子標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片阻抗達(dá)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(biāo)簽天線設(shè)計(jì),，進(jìn)而影響電子標(biāo)簽的性能。
    UHF頻段無源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,、無源、時(shí)變性,、非線性等復(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無源單芯片阻抗測(cè)試方法，通過對(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,，通過標(biāo)簽芯片pad的任何引線都將產(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題。
    由分布參數(shù)電路理論可知,，在UHF頻段,，傳輸線的寬度和長(zhǎng)度影響著傳輸線特性阻抗值。例如本文所使用的平行雙導(dǎo)線,，其工作頻帶很寬,，可用于1 GHz以下所有頻率中，平行雙導(dǎo)線的特性阻抗值[3]如式(1)所示：
    
式中,，a為平行雙導(dǎo)線中心的距離,，b為平行雙導(dǎo)線單根導(dǎo)線的寬度。
    利用傳輸線此特性,，構(gòu)建一個(gè)傳輸線阻抗匹配網(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。終端開路的λ/4的傳輸線相當(dāng)于短路,，實(shí)現(xiàn)阻抗變換,，在λ/4傳輸線末端并聯(lián)一段終端短路的短截線，此段短截線相當(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(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心芰浚⑶沂钦９ぷ鞯淖钚∧芰?。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(zhǎng)度Lλ，反推此時(shí)的阻抗網(wǎng)絡(luò),，即可獲得無源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傳輸線變換后的輸入導(dǎo)納,，Ys代表末端短路的短接線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),。由傳輸線相關(guān)理論[4]可得：
  

    實(shí)際測(cè)試模型如圖3所示，讀寫器和可調(diào)衰減器通過同軸線相連,，其輸出口參考阻抗均為50 Ω,。運(yùn)行讀寫器，將其頻率設(shè)置為915 MHz,，通過調(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(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,，選擇平行雙線的中心距為4.15 mm,，利用式(1),，計(jì)算平行雙線寬度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,。

    測(cè)試板材料將對(duì)傳輸線上的波長(zhǎng)產(chǎn)生影響，結(jié)合傳輸線理論,，對(duì)于終端開路的傳輸線而言,，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,，傳輸線阻抗值與芯片測(cè)試所需要的值會(huì)有偏差，但是通過計(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)。
參考文獻(xiàn)
[1] KLAUS F.射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)[M].陳大才,，譯.北京：電子工業(yè)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] 黃玉蘭.射頻電路理論與設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2008.
[4] DEVENDRA K M.Radio-frequency and microwave communication circuits analysis and design,，Second Edition[M].張肇義,，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.
[5] 李云華,，劉弈昌.標(biāo)簽芯片阻抗的在線測(cè)量[J].射頻識(shí)別,，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.