CN104297567B - 用于测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗的夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗的夹具，其由单端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)构成；单端SMA接头螺纹端与矢量网络分析仪连接，另一端通过共面带线与高频变压器连接；差分双端探针通过共面带线与高频变压器连接。该夹具可将单端SMA接头处的单端信号变为差分双端探针处的差分双端信号，该两端的电压、电流之间具有时不变关系，该关系由对差分双端探针分别短路、开路、接50Ω电阻确定，进而接入一个待测天线后可测量出其阻抗。本发明避免夹具对测量精度的影响，具有操作简单快速、精度高的优点，可用于大批量测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗。

Description

用于测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗的夹具

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，具体是一种测量天线阻抗的夹具，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。

电子标签天线的阻抗匹配取决于对其的阻抗测量，测量天线阻抗时需要有夹具，通过该夹具将天线与测量设备相连接并可以模拟出天线馈电端口的馈电模式。因此，构件一个精确可靠、简单易操作的夹具是测量天线输入阻抗的一项关键技术。

现有用于测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗的夹具主要以下两种：

第一种为：大的地平面夹具，具体为一个大的地平面。测量时将半个天线夹置于地平面夹具上再利用镜像原理进行测量。使用大的地平面夹具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，使其测量结果易受地平面夹具影响且有偏差，故其不能很好得作为测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗的夹具。

第二种为：差分夹具，其由两根一端带有SMA接头一端引出芯线的半刚性同轴电缆组成，每根半刚性同轴电缆一段带有SMA接头，另一端引出芯线，该两根半刚性同轴电缆的引出芯线端用焊锡将外皮连接在一起。测量时将天线夹置于两引出芯线处再利用虚拟地平面法或差分夹具法进行测量。使用这种差分夹具存在两方面的不足，一是天线阻抗测量精度取决于对差分夹具的建模或差分夹具的特性，使其测量结果易受夹具影响且有偏差；二是使用差分夹具测量有时需要转换多种参数，如S参数、ABCD参数、Y参数，较为耗时。

综上，所述两种夹具均不能很好得作为测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗的夹具。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有夹具的不足，提出一种用于测量超高频射频识别电子标签上天线输入阻抗的夹具，以避免夹具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共轭匹配的要求。

为实现上述目的，本发明包括：

一种用于测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗的夹具，其特征在于，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；

所述共面带线2，由共面的四块带线2A、2B、2C、2D组成，且按照顺时针顺序自左前方起依次排列，贴附于介质基板5的上表面；

所述单端SMA接头1，与第一共面带线2A、第四共面带线2D和测量用矢量网络分析仪连接；

所述差分双端探针4，由第一探针4A和第二探针4B组成，第一探针4A的一端与第二共面带线2B连接，另一端作为差分双端的第一端；第二探针的一段4B与第三共面带线2C连接，另一端作为差分双端的第二端；所述差分双端由这两端构成，用于测量时在其两端之间进行短路、开路、连接50Ω电阻元件、连接待测平衡天线。

所述高频变压器3，位于介质基板5上表面中心的上方，其输入端连接至第一共面带线2A与第四共面带线2D，其输出端连接至第二共面带线2B和第三共面带线2C。

与现有夹具相比，本发明具有如下优点：

1)本夹具将单端信号可以变为差分双端信号，该差分双端信号与平衡天线的馈电端口馈电模式一致，能更好的模拟出平衡天线的工作电流，并在测量时通过数学方法考虑到了夹具本身对天线阻抗测量结果的影响，避免了夹具本身精度对测量结果的影响，提高测量精度。

2)使用本夹具测量不需要转换多种参数，测量结果由公式快速计算出，提高测量速度，并适合大批量测量。

附图说明

图1是本发明的夹具结构图；

图2是本发明的夹具俯视图；

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是用不同夹具对图3天线输入阻抗测量的结果对比图；

图6是用不同夹具对图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和图2，本发明的夹具包括：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。

所述介质基板5作为整个夹具的介质平台，其为采用FR4材料的长方体板，其相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02，其长L₅为11.20mm，宽L₅为11.20mm，厚度为1.60mm。

所述的共面带线2，由四块尺寸相同的长方体共面铜皮组成，构成四个共面带线，即2A、2B、2C、2D，每个共面带线的长L₂为5.00mm、宽L₂为5.00mm、厚度为0.07mm、特征阻抗为49.9Ω，其中第一个共面带线2A贴附于介质基板5上表面的左上角，第二个共面带线2B贴附于介质基板5上面的的右上角，第三个共面带线2C贴附于介质基板5上表面的右下角，第四个共面带线2D贴附于介质基板5上表面的左下角，该四个共面带线前后间距W₂为1.20mm，左右间距S₂为1.20mm。

所述的单端SMA接头1，采用执行MIL-C-39012标准的无线电单端接头，由带有螺纹的单端接头、传输信号的内导体、屏蔽干扰的屏蔽层引出线组成，其特征阻抗为50Ω，带有螺纹的单端接头与测量用矢量网络分析仪连接，内导体与第一个共面带线2A连接，屏蔽层引出线与第四个共面带线2D连接。

所述的高频变压器3，其在4.5-3000MHz下特征阻抗为50Ω,且可以在工作频率下将单端的信号变为差分双端信号，本实施例采用但不局限于ETC1-1-13型,其输入、输出端均包含两根引出线，第一根输入引出线连接至第一个共面带线2A，第二根输入引出线连接至第四个共面带线2D，第一根输出引出线连接至第二个共面带线2B，第二根输出引出线连接至第三个共面带线2C。该差分双端信号为幅值相同，相位相差180度的两个信号。

所述的差分双端探针4，由两根完全相同的金属探针4A、4B组成。第一探针4A的一端与第二个共面带线2B连接，另一端作为差分双端的第一端；第二探针4B的一端与第三个共面带线2C连接，另一端作为差分双端的第二端；差分双端由上述两端构成，用于测量时在该两端之间进行短路、开路、连接50Ω电阻元件、连接待测平衡天线。

工作时，单端SMA接头1处带有螺纹的单端接头通过阻抗为49.9Ω的测量线与校准过的矢量网络分析仪连接，第一探针4A和第二探针4B之间分别进行短路、开路、连接50Ω电阻元件、连接待测平衡天线。矢量网络分析仪可以测量出带有螺纹的单端接头处的输入阻抗。高频变压器3可以将带有螺纹的单端接头处的单端信号转变为第一探针4A和第二探针4B之间的差分双端信号，该差分双端信号和平衡天线工作时的馈电信号电流模式恰好相同，使得夹具可以模拟出平衡天线工作时的状态。

此外，带有螺纹的单端接头处的电压V₁、电流I₁与第一探针4A和第二探针4B之间的端电压V_d2、端电流I₂之间存在着时不变的关系，该关系为夹具的内部关系，具体为式

其中，为上述夹具的内部关系；

差分双端探针4分别进行短路、开路、连接50Ω电阻元件可以确定出该内部关系

对式(1)进行变形可得单端SMA接头1处的输入阻抗Z_m：

其中，Z_L为差分双端探针4之间的输入阻抗；

在差分双端探针4之间连接待测平衡天线，根据式(2)可测量出一个平衡天线的输入阻抗Z_L。

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，分别用本发明夹具和用仿真软件对图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夹具测量图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，分别用本发明夹具和仿真软件对图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6(b)中的“·”曲线表示利用本发明夹具测量图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，本发明夹具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 (6)

1.一种用于测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗的夹具，其特征在于，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)；

所述共面带线(2)，由共面的四块带线(2A、2B、2C、2D)组成，且按照顺时针顺序自左前方起依次排列，贴附于介质基板(5)的上表面；

所述单端SMA接头(1)，与第一共面带线(2A)、第四共面带线(2D)和测量用矢量网络分析仪连接；

所述差分双端探针(4)，由第一探针(4A)和第二探针(4B)组成，第一探针(4A)的一端与第二共面带线(2B)连接，另一端作为差分双端的第一端；第二探针的一端(4B)与第三共面带线(2C)连接，另一端作为差分双端的第二端；所述差分双端由第一端和第二端构成，用于测量时在其两端之间分别进行短路、开路、连接50Ω电阻元件、连接待测平衡天线；所述高频变压器(3)，位于介质基板(5)上表面中心的上方，其输入端连接至第一共面带线(2A)与第四共面带线(2D)，其输出端连接至第二共面带线(2B)和第三共面带线(2C)。

2.根据权利要求1所述的用于测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗的夹具，其特征在于所述的介质基板(5)，采用材料为FR4的长方体薄板，其长11.20mm，宽11.20mm，厚度1.60mm，相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02。

3.根据权利要求1所述的用于测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗的夹具，其特征在于所述的四块带线(2A、2B、2C、2D)，均为尺寸相同的长方体薄板，其长为5.00mm，宽为5.00mm，厚度为0.07mm；该四块带线之间按照前后左右均为1.20mm的间距分布在介质基板(5)上表面的四个角上。

4.根据权利要求1所述的用于测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗的夹具，其特征在于所述的单端SMA接头(1)，采用执行MIL-C-39012标准的无线电单端接头，包括传输信号的内导体、屏蔽干扰的屏蔽层引出线和带有螺纹的单端接头；该屏蔽层引出线与第四共面带线(2D)连接；该内导体与第一共面带线(2A)连接；该带有螺纹的单端接头通过测量线与测量用矢量网络分析仪连接。

5.根据权利要求1所述的用于测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗的夹具，其特征在于所述的高频变压器(3)，其输入、输出端均包括两根引线，第一根输入引线与第一共面带线(2A)连接，第二根输入引线与第四共面带线(2D)连接，第一根输出引线与第二共面带线(2B)连接，第二根输出引线与第三共面带线(2C)连接。

6.根据权利要求1所述的用于测量超高频射频识别电子标签上天线阻抗的夹具，其特征在于所述的第一探针(4A)与第二探针(4B)结构相同。