一種UHF無源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，天線是閱讀器和電子標簽通信的橋梁。為了使閱讀器發射的射頻能量最大限度地被無源標簽天線所吸收，理論要求電子標簽天線和標簽芯片阻抗達到共軛匹配。即UHF頻段無源RFID單芯片的阻抗值，直接決定著電子標簽天線設計，進而影響電子標簽的性能。
UHF頻段無源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、無源、時變性、非線性等復雜特性，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行測試。本文研究了UHF無源單芯片阻抗測試方法，通過對標準芯片阻抗測試，對測試方法進行了檢驗。
1 測試原理
對于UHF頻段無源電子標簽工作特征而言，由于單芯片工作在UHF頻段，通過標簽芯片pad的任何引線都將產生寄生電容或者寄生電感，從而對芯片阻抗測試產生影響。同時，采用常規的測試方法，引線的長度和寬度很難把握，測試的重復性差，不利于標簽芯片阻抗的準確測試。本文采用傳輸線阻抗匹配網絡對芯片阻抗進行測試,較好地解決了實際測試中面臨的接入困難等問題。
由分布參數電路理論可知，在UHF頻段，傳輸線的寬度和長度影響著傳輸線特性阻抗值。例如本文所使用的平行雙導線，其工作頻帶很寬，可用于1 GHz以下所有頻率中，平行雙導線的特性阻抗值[3]如式(1)所示：

式中，a為平行雙導線中心的距離，b為平行雙導線單根導線的寬度。
利用傳輸線此特性，構建一個傳輸線阻抗匹配網絡模型，如圖1所示。左端為匹配網絡的前端電路，輸入能量為芯片正常工作狀態下的最小功耗，參考阻抗可以用一個阻抗為50 Ω的電阻R0代替。終端開路的λ/4的傳輸線相當于短路，實現阻抗變換，在λ/4傳輸線末端并聯一段終端短路的短截線，此段短截線相當于一個感抗元件。芯片一般呈現容性，并聯在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，進而與芯片阻抗達到共軛匹配。當芯片與匹配網絡達到共軛匹配狀態時，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。通過觀察回波損耗S11的值，用以確定最優的傳輸線阻抗Z0以及短截線距離芯片的長度Lλ，反推此時的阻抗網絡，即可獲得無源RFID標簽芯片在工作狀態時的輸入阻抗。

圖2為阻抗匹配網絡的等效電路，YR0代表電阻R0經λ/4傳輸線變換后的輸入導納，Ys代表末端短路的短接線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。由傳輸線相關理論[4]可得：

實際測試模型如圖3所示，讀寫器和可調衰減器通過同軸線相連，其輸出口參考阻抗均為50 Ω。運行讀寫器，將其頻率設置為915 MHz，通過調節可調衰減器，減小輸入阻抗匹配網絡的能量，同時調節傳輸線阻抗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，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。