無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片靈敏度測(cè)試方法研究

摘要：提出一種測(cè)試UHF頻段無(wú)源RFID標(biāo)簽芯片靈敏度的方法。該方法依據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和標(biāo)簽測(cè)試儀接口特性阻抗相同的特性，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試標(biāo)簽芯片的反射系數(shù)，然后通過(guò)標(biāo)簽測(cè)試儀測(cè)試芯片和儀器接口的匹配損耗，進(jìn)而計(jì)算標(biāo)簽芯片的靈敏度。利用該方法對(duì)NXP_G2XM芯片和Impinj_Monza3芯片在800～1 000 MHz頻段內(nèi)靈敏度進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與datasheet進(jìn)行對(duì)照，分析誤差產(chǎn)生的原因，最終證明此方法的準(zhǔn)確性。該測(cè)試方法采用常規(guī)儀器對(duì)800～1 000 MHz頻段內(nèi)靈敏度進(jìn)行測(cè)試，有重要實(shí)際意義。
關(guān)鍵詞：靈敏度；RFID；UHF；標(biāo)簽芯片；IC

0 引言
    RFID標(biāo)簽芯片的靈敏度是芯片剛剛被激活所需的最小能量。靈敏度是標(biāo)簽芯片最重要的性能指標(biāo)，它的大小直接影響RFID標(biāo)簽的性能，例如標(biāo)簽讀／寫(xiě)距離等。因此標(biāo)簽芯片靈敏度準(zhǔn)確測(cè)試是芯片測(cè)試的重要內(nèi)容之一。在某一頻段內(nèi)，絕大多數(shù)芯片廠商僅僅給出芯片一個(gè)靈敏度值，而沒(méi)有標(biāo)識(shí)出芯片靈敏度隨頻率的變化情況。利用本文所描述的靈敏度測(cè)試方法測(cè)試芯片的靈敏度，可以獲得芯片在800～1000MHz頻段內(nèi)的靈敏度變化曲線，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用更有參考價(jià)值。準(zhǔn)確測(cè)試芯片靈敏度隨著頻率的變化情況對(duì)于芯片開(kāi)發(fā)人員和芯片的實(shí)際應(yīng)用都具有重要的意義。

1 芯片靈敏度測(cè)試原理
    將經(jīng)過(guò)封裝的芯片引腳焊接到阻抗為50 Ω的SMA連接器，將SMA頭通過(guò)特征阻抗為50 Ω的同軸線連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或者RFID標(biāo)簽測(cè)試儀的輸出口，不需要進(jìn)行特殊的匹配電路。測(cè)試設(shè)備需要標(biāo)簽測(cè)試儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
    標(biāo)簽測(cè)試儀可采用Voyantic公司研發(fā)的Tagformance標(biāo)簽測(cè)試儀，該測(cè)試儀是帶有一個(gè)輸入天線和輸出天線接口的專用RFID讀寫(xiě)器。天線接口中一個(gè)用來(lái)向標(biāo)簽傳輸信號(hào)，另一個(gè)接收標(biāo)簽的反向散射信號(hào)，軟件會(huì)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，標(biāo)簽測(cè)試儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)輸出頻率、功率可調(diào)可標(biāo)定，接收信號(hào)可解調(diào)可解碼的寬頻帶RFID讀寫(xiě)器。實(shí)際測(cè)試時(shí)，為了使得讀數(shù)方便，在RFID標(biāo)簽測(cè)試儀的衰減器輸出端口再串接一個(gè)20 dB衰減器，然后用同軸線將衰減器和裝有芯片的SMA頭相連。利用標(biāo)簽測(cè)試儀可以掃描出芯片在不匹配的情況下，芯片正常工作所需要的最小工作能量Pmin隨頻率的變化情況。

    測(cè)試所用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為E5071型，使用之前采用85033E校準(zhǔn)頭進(jìn)行校準(zhǔn)。實(shí)際測(cè)試時(shí)，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出口和安裝有芯片的SMA頭用特征阻抗為50 Ω的同軸線相連。在測(cè)試頻點(diǎn)上，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出能量設(shè)置為由標(biāo)簽測(cè)試儀(在不匹配狀態(tài)下)測(cè)得的芯片的最低功耗Pmin，從網(wǎng)絡(luò)分析儀上讀取反射系數(shù)，依此類推，可以得到芯片在不同頻率下的反射系數(shù)Γ。
    從以上分析可以知道，任何時(shí)候，安裝有芯片的SMA連接器只有2種接法，或者連接到標(biāo)簽測(cè)試儀，或者連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，如圖2所示。RFID測(cè)試儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出阻抗均為Z0=50Ω。

    測(cè)試過(guò)程中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能量設(shè)置為某一頻率下的最小功耗Pmin(由標(biāo)簽測(cè)試儀獲取的標(biāo)簽芯片最小可工作功率)。芯片工作在最小功耗下，由于安裝芯片的SMA頭和同軸線的損耗可以忽略不計(jì)，因此，所有輸入的能量或者被芯片吸收，或者全部被反射回來(lái)。由于傳輸線與標(biāo)簽芯片失配，標(biāo)簽芯片所接收的能量可以通過(guò)式(1)計(jì)算，即可以得到芯片的能量靈敏度。
    Pth=PminTtag=Pmin(1-|Γtag|2)     (1)
    式中：Ttag是能量傳輸系數(shù)；|Γtag|2是能量反射系數(shù)，1-|Γtag|2即為能量傳輸系數(shù)Ttag；Pmin為利用標(biāo)簽測(cè)試儀測(cè)得的某一個(gè)頻率下芯片的最低功耗；Pth為芯片的能量靈敏度。實(shí)際測(cè)試中，利用標(biāo)簽測(cè)試儀測(cè)得芯片的最低功耗Pmin，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的能量設(shè)置為Pmin，測(cè)試芯片的反射系數(shù)Γ的值，代入式(1)即可得到芯片的靈敏度。

2 芯片靈敏度測(cè)試結(jié)果
    圖3將安裝有NXP_G2XM芯片的SMA頭通過(guò)同軸線連接到標(biāo)簽測(cè)試儀衰減器的輸出端口，掃描芯片工作所需的最低功耗Pmin隨頻率變化的情況。從圖中可以看出，在標(biāo)簽芯片和傳輸線不匹配的情況下，直接得到芯片功耗隨頻率變化掃描出的曲線。在800～1 000 MHz頻段內(nèi)，每隔10 MHz采集一個(gè)功耗值，由于測(cè)試時(shí)在標(biāo)簽測(cè)試儀的輸出口串接20 dB衰減器，因此實(shí)際功耗值如圖4所示。

    圖4是芯片校準(zhǔn)前實(shí)際功耗測(cè)試結(jié)果。其中，圓圈表示從標(biāo)簽測(cè)試儀掃描圖像中對(duì)個(gè)別頻點(diǎn)采樣得到芯片靈敏度數(shù)值；實(shí)線為利用藍(lán)色圓圈表示的數(shù)值通過(guò)多項(xiàng)式擬合所得曲線。圖4所示曲線與圖3所示的曲線基本一致。
    利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試芯片的反射系數(shù)Γ，使用式(1)對(duì)測(cè)得的芯片靈敏度數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，得到圖5所示的芯片能量靈敏度曲線。其中，圓點(diǎn)為利用圖4中圓圈數(shù)值進(jìn)行校準(zhǔn)之后的靈敏度值，曲線為利用圓點(diǎn)表示的樣本值進(jìn)行3次多項(xiàng)式擬合所得曲線，即校準(zhǔn)之后的靈敏度曲線。

    采用同樣的原理對(duì)Impinj_Monza3芯片靈敏度進(jìn)行測(cè)試，得到校準(zhǔn)之后Impinj_Monza3芯片靈敏度隨頻率變化曲線如圖6所示。其中，圓點(diǎn)為利用采樣值進(jìn)行校準(zhǔn)之后的靈敏度值；曲線為利用圓點(diǎn)表示的樣本值進(jìn)行3次多項(xiàng)式擬合所得曲線，即校準(zhǔn)之后的Impinj_Monza3靈敏度曲線。

    從圖4可以看出，利用標(biāo)簽測(cè)試儀測(cè)得的芯片靈敏度輕微的依賴于頻率，在800～1 000 MHz頻段內(nèi)，變化范圍為1 dBm。從圖5和圖6可以看出，通過(guò)式(1)校準(zhǔn)之后的靈敏度改變范圍稍大，在2個(gè)dBm之間。對(duì)于NXP_G2XM芯片來(lái)說(shuō)，800～1 000 MHz頻段內(nèi)，在頻率為860 MHz是芯片的靈敏度最高為-15．9 dBm；而對(duì)于Impinj_Monza3芯片為800～1 000 MHz頻段內(nèi)，在頻率為950 MHz時(shí)芯片的靈敏度最高為-15．9 dBm。因此，如果對(duì)于測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性要求不是很嚴(yán)格，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試反射系數(shù)Γ時(shí)，可以使用同一個(gè)能量，測(cè)試結(jié)果仍然可以保持一定的準(zhǔn)確性。

3 誤差分析
    NXP芯片和Impinj芯片廠商所給的datasheet僅僅給出芯片在特定溫度下，特定的解調(diào)方式和調(diào)制度情況下的靈敏度參考值。NXP_G2XM芯片的靈敏度為-15 dBm，Impinj_Monza3芯片的靈敏度為-15 dBm。從圖5和圖6可以看出，校準(zhǔn)值與datasheet所給的芯片靈敏度比較相近，存在誤差原因：其一，單個(gè)芯片測(cè)試存在的偏差，NXP和Impinj芯片廠商靈敏度是通過(guò)大量的測(cè)試取均值所得，本文僅是對(duì)于其個(gè)別樣片進(jìn)行了測(cè)試；其二，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試芯片反射系數(shù)時(shí)，安裝芯片的SMA頭與芯片阻抗不匹配，測(cè)得的反射系數(shù)比較大，基本上均超過(guò)0．9，對(duì)于各個(gè)頻點(diǎn)的反射系數(shù)值相差不是很明顯，因此，準(zhǔn)確測(cè)試反射系數(shù)值對(duì)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性有重要作用；第三，標(biāo)簽測(cè)試儀上讀取的功耗值，沒(méi)有考慮SMA頭的損耗；第四，實(shí)際測(cè)試與datasheet所給的參考條件并不一致，所以測(cè)試結(jié)果存在誤差。因此，利用標(biāo)簽測(cè)試儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試芯片靈敏度的方法有效。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文所述靈敏度測(cè)試方法，不需要特殊的匹配電路，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單方便，可以對(duì)一個(gè)頻段內(nèi)的靈敏度變化情況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。芯片靈敏度隨頻率的變化情況測(cè)試對(duì)于芯片開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義。