CN104297566A - 超高频射频识别电子标签上的天线阻抗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高频射频识别电子标签上天线输入阻抗的测量方法，主要解决阻抗测量设备本身精度对测量精度影响的问题。其实现步骤为：1.用电子校准件校准测量用矢量网络分析仪；2.用测量线将矢量网络分析仪端口与差分巴伦夹具单端SMA接头连接；3.依次测量差分巴伦夹具差分端在短路、开路、接50Ω电阻的三种状态下的输入阻抗；4.测量差分巴伦夹具差分端接待测平衡天线状态下其单端SMA接头处的输入阻抗值；5.根据上述四个已测参数计算得到一个电子标签平衡天线的输入阻抗。本发明避免了测量设备精度对测量结果的影响，且具有操作简单快速、测量精度高的优点，可用于大批量超高频射频识别电子标签上平衡天线的输入阻抗测量。

Description

超高频射频识别电子标签上的天线阻抗测量方法

技术领域

本发明属于微电子领域，涉及超高频射频识别技术，具体是一种天线阻抗的测量方法，可用于超高频射频识别电子标签上平衡天线输入阻抗的大批量测量。

背景技术

超高频射频识别UHF RFID是包括将唯一的识别信息存储到芯片中，以及使用射频识别、追踪或者管理附着于此芯片的物体的技术。超高频射频识别UHF RFID具有准确性高、存储量大、抗恶劣环境、安全性高的特点，已广泛应用于生产、物流、交通、防伪等领域中，随着相关技术的不断完善和成熟，超高频射频识别UHF RFID技术已显示出巨大的发展潜力与应用空间，将成为未来信息社会建设的一项基础技术。

超高频射频识别UHF RFID系统，包括读写器、电子标签和后台计算机网络三个部分。其中，电子标签又由标签芯片和标签天线构成。作为空中电磁接口，标签天线及其性能是整个超高频射频识别系统正常工作的基础。标签天线的性能一般取决于阻抗匹配和天线增益两方面。对于大部分电子标签上的天线，其增益本身较小。因此，为了达到最大功率传输，电子标签上天线的阻抗匹配就更为重要。

电子标签上天线的阻抗匹配取决于对其的阻抗测量。因此，快速、准确、简单的测量出天线阻抗是一项关键技术。

现有测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗的方法可以简单的分为以下四种。

第一种为：建立一个大的地平面并利用镜像原理进行测量。此种方法的测量精度取决于同轴线的质量和地平面相对于天线尺寸的大小。

第二种为：使用一个外部巴伦夹具测量。此种方法的测量精度取决于外部巴伦夹具的精度。

第三种为：在差分天线端建立一个虚拟地平面，并通过传统的单端S参数计算出天线输入阻抗。此种方法的测量精度取决于测量端口的延伸特性和差分夹具的特性。

第四种为：去嵌入的差分夹具测量方法。此种方法的测量精度取决于对夹具的建模；其次，此种方法也需要转换多种参数，如S参数、ABCD参数、Y参数，较为耗时。

以上四种测量方法由于其测量精度均依赖于测量设备的精度或对测量设备的建模，因而对设备要求高、测量结果易受设备影响且有偏差，且第四种方法在计算转换多种参数时较为耗时，故均不能很好地应用于超高频射频识别电子标签上天线阻抗的测量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有测量方法的不足，提出一种超高频射频识别电子标签上的平衡天线阻抗测量方法，以避免测量设备本身精度对测量结果的影响，提高测量速度和精度，满足标签芯片与标签天线阻抗匹配的要求。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种适用于超高频射频识别电子标签上天线阻抗测量的方法，其特征在于通过矢量网络分析仪和差分巴伦夹具进行；所述差分巴伦夹具，用于在超高频工作频率下将单端信号转变为差分的双端信号，并使上述两端的电压电流之间存在不随时间变化的内在关系，其包括单端SMA接头1、共面带线2、高频变压器3、差分双端探针4和介质基板5；测量步骤包括如下：

(1)校准矢量网络分析仪得到校准平面，并通过测量线将矢量网络分析仪的端口与差分巴伦夹具的单端SMA接头1连接；

(2)依次测量差分巴伦夹具在三种不同状态下其单端SMA接头处1的输入阻抗值：

(2A)将差分巴伦夹具的差分双端探针4进行短路，测量矢量网络分析仪校准平面的输入阻抗值，即为差分巴伦夹具在短路状态下其单端SMA接头处1的输入阻抗值Z_s；

(2B)将差分巴伦夹具的差分双端探针4进行开路，测量矢量网络分析仪校准平面的输入阻抗值，即为差分巴伦夹具在开路状态下其单端SMA接头1处的输入阻抗值Z_o；

(2C)将差分巴伦夹具的差分双端探针4之间连接一个50Ω的电阻元件，测量矢量网络分析仪校准平面的输入阻抗值，即为差分巴伦夹具在差分端接50Ω负载状态下其单端SMA接头1处的输入阻抗值Z_t；

(3)将差分巴伦夹具的差分双端探针4与一个待测电子标签平衡天线相连接，测量矢量网络分析仪校准平面的输入阻抗值，即为差分巴伦夹具在差分端接待测天线状态下其单端SMA接头处1的输入阻抗值Z_m；

(4)根据上述参数，按照如下公式计算出一个电子标签平衡天线的输入阻抗Z_L，

$Z_L=50\·\frac{Z_t-Z_o}{Z_s-Z_t}\·\frac{Z_m-Z_s}{Z_o-Z_m};$

(5)重复步骤(3)与步骤(4)，测量出多个电子标签平衡天线的输入阻抗。

与现有测量方法相比，本发明具有如下优点：

1)本发明通过数学方法与短路、开路、接50Ω电阻的三次特征值测量确定出测量夹具内部全部时不变的电磁参数，再利用此参数测量出电子标签天线的输入阻抗，避免了测量夹具的电磁参数对测量结果的影响，提高了天线阻抗的测量精度。

2)本发明的测量方法操作简单快速，可适用于电子标签平衡天线的大批量快速测量。

附图说明

图1是本发明的测量流程图；

图2是本发明测量使用的差分巴伦夹具结构示意图；

图3是被测量的对称偶极子天线结构图；

图4是被测量的弯折偶极子天线结构图；

图5是用三种不同方法对图3天线输入阻抗测量的结果对比图；

图6是用三种不同方法对图4天线输入阻抗测量的结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明的测量步骤如下：

步骤1，组建测量系统。

1.1)选择矢量网络分析仪一台、差分巴伦夹具一个、测量线一条以及电子校准件一个：

所述矢量网络分析仪选择但不限于AGILENTE5071C型号；

所述电子校准件选择但不限于02916型；

所述差分巴伦夹具，用于将单端SMA接头1处的单端信号变为差分双端探针4处的差分双端信号，该差分双端信号为幅值相同，相位相差180度的两个信号；差分巴伦夹具结构如图2所示。它由单端SMA接头1、共面带线2、高频变压器3、双端差分探针4以及介质基板5构成。该单端SMA接头1为一种无线电天线接口，其特征阻抗为50Ω，执行MIL-C-39012标准；该高频变压器3采用但不限制于ETC1-1-13型，用于在超高频工作频率下保持自身特征阻抗为50Ω并将单端信号转变为差分的双端信号；该共面带线2为共面的两组铜皮，每组两个，其厚度均为0.07mm，长宽均为5.00mm，特征阻抗为49.9Ω，第一组共面带线2A、2D用于连接单端SMA接头1与高频变压器3，第二组共面带线2B、2C用于连接高频变压器3与双端差分探针4；该介质基板5用于做整个差分巴伦夹具的平台，采用FR4材料，相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，长宽都为11.20mm，厚度为1.60mm；

1.2)给矢量网络分析仪通电并开机，再用测量线将矢量网络分析仪要校准的端口与电子校准件端口相连接；

1.3)电子校准件在连接矢量网络分析仪后先预热约十五分钟，当其上的校准指示由“等待”变为“就绪”时，使用矢量网络分析仪的“电子校准”功能对测量线末端进行校准；

1.4)将电子校准件从测量线末端卸下，再用此测量线将矢量网络分析仪的已校准端口与差分巴伦夹具的单端SMA接头1相连接。

步骤2，测量差分巴伦夹具在三种不同状态下其单端SMA接头1处的输入阻抗值。

2.1)用一根2.00mm长的铜导线或者铜丝将差分巴伦夹具的差分双端探针4置于短路状态，在矢量网络分析仪上显示的测量数值，即为差分巴伦夹具在短路状态下其单端SMA接头1处的输入阻抗值Z_s；

2.2)卸下之前短路用的铜丝或铜导线，使差分巴伦夹具的差分双端探针4置于开路状态，在矢量网络分析仪上显示的测量数值，即为差分巴伦夹具在开路状态下其单端SMA接头1处的输入阻抗值Z_o；

2.3)在差分巴伦夹具的差分双端探针4之间连接一个50Ω的电阻元件，在矢量网络分析仪上显示的测量数值，即为差分巴伦夹具在差分端接50Ω负载状态下其单端SMA接头1处的输入阻抗值Z_t；

2.4)卸下连接到差分双端探针4之间的50Ω电阻元件。

步骤3，测量差分巴伦夹具接待测平衡天线状态下其单端SMA接头1处的输入阻抗值。

所述平衡天线，为结构上沿馈电端口中心线左右对称的天线，其感生电压在馈电端也为差分双端信号，应用在绝大多数电子标签中，其测量步骤如下：

3.1)将差分巴伦夹具的差分双端探针4与待测电子标签平衡天线的馈电端口连接；

3.2)在矢量网络分析仪上显示的测量数值，即为差分巴伦夹具在差分端接待测电子标签平衡天线状态下其单端SMA接头1处的输入阻抗Z_m；

3.3)卸下连接到差分双端探针4之间的待测电子标签平衡天线。

步骤4，计算一个电子标签天线的输入阻抗。

4.1)根据差分巴伦夹具的单端SMA接头1与差分双端探针4之间存在着时不变的关系，得到单端信号的端电压V₁、端电流I₁与差分双端信号端电压差V_d2、端电流I₂之间的关系为：

$\left(\begin{array}{c}{V}_1\\ I_1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{V}_{d2}\\ I_2\end{array}\right)---1)$

其中， $\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)$ 为描述整个差分巴伦夹具内在电磁关系的转移矩阵；

4.2)根据式1)得到矢量网络分析仪校准平面处输入阻抗Z_SMA的表达式：

$Z_{\mathrm{SMA}}=\frac{V_1}{I_1}=\frac{A\·V_{d2}+B\·I_2}{C\·V_{d2}+D\·I_2}=\frac{A\·Z_d+B}{C\·Z_d+D},---2)$

其中，Z_d为差分巴伦夹具差分双端探针4处的输入阻抗，当差分双端探针4与电子标签平衡天线相连接时Z_d＝Z_L；

4.3)当双端差分探针4处于短路状态时，将Z_d＝0带入式2)得，

$Z_s=\frac{B}{D},---3)$

4.4)当双端差分探针4处于开路状态时，将Z_d＝∞带入式2)得，

$Z_o=\frac{A}{C},---4)$

4.5)当双端差分探针4之间连接50Ω的电子元件时，将Z_d＝50Ω带入式2)得，

$Z_t=\frac{50\·A+B}{50\·C+D},---5)$

4.6)当双端差分探针4之间连接待测电子标签平衡天线时，将Z_d＝Z_L带入式2)得，

$Z_m=\frac{A\·Z_L+B}{C\·Z_L+D},---6)$

4.7)根据式3)、4)、5)、6)消去转移矩阵 $\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& d\end{array}\right),$ 得计算电子标签平衡天线输入阻抗Z_L公式，

$Z_L=50\·\frac{Z_t-Z_o}{Z_s-Z_t}\·\frac{Z_m-Z_s}{Z_o-Z_m}.---7)$

步骤5，将在步骤2测得的Z_s、Z_o、Z_t以及在步骤3.测得的Z_m代入公式7)，计算一个电子标签平衡天线的输入阻抗值Z_L。

步骤6，重复步骤3和步骤5，测量出多个电子标签平衡天线的输入阻抗值。

本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明：

仿真与实验1，分别用本发明方法和用仿真软件对图3所示对称偶极子天线的输入阻抗进行测量和仿真，结果如图5所示，其中图5(a)为输入阻抗的实部值，图5(b)为输入阻抗的虚部值。图5(a)和图5(b)中的“·”曲线表示利用本发明方法测量图3所示对称偶极子天线输入阻抗的结果，连续曲线表示利用HFSS仿真软件仿真图3所示对称偶极子天线输入阻抗的结果，“*”曲线表示利用差分夹具法测量图3所示对称偶极子天线输入阻抗的结果。由图5发现，相比于常用的差分夹具法测得的曲线，本发明的测得曲线在工作频率860-960MHz中更加贴近于仿真曲线，因而，本发明方法具有更高的测量精度。

仿真与实验2，分别用本发明方法和用仿真软件对图4所示弯折偶极子天线的输入阻抗进行测量和仿真，结果如图6所示，其中图6(a)为输入阻抗的实部值，图6(b)为输入阻抗的虚部值。图6(a)和图(b)中的“·”曲线表示利用本发明方法测量图4所示弯折偶极子天线输入阻抗的结果，连续曲线表示利用HFSS仿真软件仿真图4所示弯折偶极子天线输入阻抗的结果，“*”曲线表示利用差分夹具法测量图4所示弯折偶极子天线输入阻抗的结果。由图6发现，相比于常用的差分夹具法测得的曲线，本发明的测得曲线在工作频率860-960MHz中更加贴近于仿真曲线，因而，本发明方法具有更高的测量精度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种适用于超高频射频识别电子标签上天线阻抗测量的方法，其特征在于通过矢量网络分析仪和差分巴伦夹具进行；所述差分巴伦夹具，用于在超高频工作频率下将单端信号转变为差分的双端信号，并使上述两端的电压电流之间存在不随时间变化的内在关系，其包括单端SMA接头(1)、共面带线(2)、高频变压器(3)、差分双端探针(4)和介质基板(5)；其测量步骤包括如下：

(1)校准矢量网络分析仪得到校准平面，并通过测量线将矢量网络分析仪的端口与差分巴伦夹具的单端SMA接头(1)连接；

(2)依次测量差分巴伦夹具在三种不同状态下其单端SMA接头处(1)的输入阻抗值：

(2A)将差分巴伦夹具的差分双端探针(4)进行短路，测量矢量网络分析仪校准平面的输入阻抗值，即为差分巴伦夹具在短路状态下单端SMA接头处(1)的输入阻抗值Z_s；

(2B)将差分巴伦夹具的差分双端探针(4)进行开路，测量矢量网络分析仪校准平面的输入阻抗值，即为差分巴伦夹具在开路状态下单端SMA接头处(1)的输入阻抗值Z_o；

(2C)将差分巴伦夹具的差分双端探针(4)之间连接一个50Ω的电阻元件，测量矢量网络分析仪校准平面的输入阻抗值，即为差分巴伦夹具在差分端接50Ω负载状态下单端SMA接头处(1)的输入阻抗值Z_t；

(3)将差分巴伦夹具的差分双端探针(4)与一个待测电子标签平衡天线相连接，测量矢量网络分析仪校准平面的输入阻抗值，即为差分巴伦夹具在差分端接待测天线状态下其单端SMA接头处(1)的输入阻抗值Z_m；

(4)根据上述参数，按照如下公式计算出一个电子标签平衡天线的输入阻抗Z_L，

$Z_L=50\·\frac{Z_t-Z_o}{Z_s-Z_t}\·\frac{Z_m-Z_s}{Z_o-Z_m};$

(5)重复步骤(3)与步骤(4)，测量出多个电子标签平衡天线的输入阻抗。

2.根据权利要求1所述的超高频射频识别电子标签上天线阻抗测量的方法，其特征在于步骤(1)所述的校准矢量网络分析仪得到校准平面，是先用测量线将矢量网络分析仪的端口与电子校准件进行连接；再在电子校准件预热之后使用矢量网络分析仪的校准功能在测量线末端校准，获得矢量网络分析仪校准平面。

3.根据权利要求1所述的超高频射频识别电子标签上天线阻抗测量的方法，其特征在于所述的共面带线(2)，采用铜材料，其分为共面的两组，第一组用于连接单端SMA接头(1)与高频变压器(3)，第二组用于连接高频变压器(3)与差分双端探针(4)，该高频变压器(3)用于在4.5MHz-3.0GHz频率下将单端信号转变为差分双端信号。

4.根据权利要求1所述的超高频射频识别电子标签上天线阻抗测量的方法，其特征在于所述的差分双端信号，为幅值相同，相位相差180度的两个信号。