CN108107339A - 用于超高频rfid标签的芯片阻抗和灵敏度的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于超高频RFID标签的芯片阻抗和灵敏度的测试方法，包括：获取所述标签中天线的天线阻抗值和天线增益；获取所述标签的标签灵敏度的测试值；通过遍历芯片阻抗值和芯片灵敏度来获得所述标签灵敏度的计算值；以及通过比较所述标签灵敏度的所述测试值与所述计算值，确定正确的芯片阻抗值和芯片灵敏度。通过本发明提出的测试方法，能够设计出性能更优异的天线和/或获得灵敏度更高的标签。

Description

用于超高频RFID标签的芯片阻抗和灵敏度的测试方法

技术领域

本发明涉及射频测试领域，尤其涉及射频识别RFID(Radio FrequencyIdentification)标签的芯片阻抗和灵敏度的测试方法。

背景技术

超高频RFID系统包括了读写器和RFID标签两部分，其中RFID标签包括天线和芯片，芯片是超高频RFID标签的核心部分。在进行标签天线的设计(例如需要获得天线的阻抗值)时，芯片阻抗值是主要的参考值。此处的芯片阻抗值是指包含封装阻抗的、除天线部分以外的阻抗值。由于单纯的裸芯片阻抗值不包含封装影响，因此实际意义不大。

在本领域中，测试包含了封装阻抗的芯片阻抗值存在以下困难：

(1)芯片的面积通常小于1平方毫米，导致常用的射频连接件如SMA(Small Atype)很难使用；

(2)芯片是大信号器件，在不同输入功率下具有不同的阻抗值，原则上应该使用负载牵引法，而负载牵引法需要做转接头，因此测试样品和实际使用情况不同；另外，在RFID芯片的阻抗下，tuner损耗增大，这使得测试结果偏差非常大。

(3)芯片阻抗值不是标准的50ohm，并且芯片阻抗Q值通常大于10，由此导致在使用网络分析仪进行测试时，芯片阻抗值经常出现在网络分析仪的边缘位置，存在网络分析仪测试精度下降的现象；

(4)不同的封装形式导致测试得到的芯片阻抗值不同。

因此，本领域现急需一种获得电子标签中芯片的阻抗及灵敏度的方法。

发明内容

为了能够设计出性能更优异的天线和/或获得灵敏度更高的标签，本发明提出一种用于超高频RFID(Radio Frequency Identification)标签的芯片阻抗和灵敏度的测试方法，包括：获取所述标签中天线的天线阻抗值和天线增益；获取所述标签的标签灵敏度的测试值；通过遍历芯片阻抗值和芯片灵敏度来获得所述标签灵敏度的计算值；以及通过比较所述标签灵敏度的所述测试值与所述计算值，确定正确的芯片阻抗值和芯片灵敏度。

优选地，进一步包括：使用通过遍历步骤获得的所述芯片阻抗值和所述芯片灵敏度来设计和/或优化所述天线。

优选地，在下述公式中遍历所述芯片阻抗值和所述芯片灵敏度：

其中，S_tag为所述标签灵敏度，S_chip为所述芯片灵敏度，G_ant为所述天线增益，Z_chip为所述芯片阻抗值，Z_ant为所述天线阻抗值，Z_ant*是所述天线的共轭阻抗值。

优选地，还可进一步定义吻合度W如下：

其中，S_{tag_cal}为所述标签灵敏度的计算值，S_{tag_test}为所述标签灵敏度的测试值，G_{ant_sim}为所述天线增益的仿真值，Z_{ant_sim}为所述天线阻抗值的仿真值，Z_{ant_sim} ^*为所述天线的共轭阻抗值的仿真值，Z_{chip_x}和S_{chip_x}分别是所述芯片阻抗值和所述芯片灵敏度；并且

使得W＝0的Z_{chip_x}和S_{chip_x}分别是所述正确的芯片阻抗值和芯片灵敏度。

在一个优选的实施例中，对于多个频点的情形，所述吻合度W被进一步定义为：

其中，Z_{chip_x}＝R_{p_x}||C_{p_x}，R_{p_x}为并联等效电阻值，C_{p_x}为并联等效电容值；S_{tag_test_freqi}、G_{ant_sim_freqi}、Z_{ant_sim_freqi}和Z_{ant_sim_freqi} ^*均是随频率freqi变化的参数，并且分别包括从freq1到freqn，共n个数据。

优选地，所述R_{p_x}的取值范围为50ohm-10000ohm；所述C_{p_x}的取值范围为0.1pF-10pF；并且所述S_{chip_x}的取值范围为从-30dBm至20dBm。

在一个优选的实施例中，在所述遍历过程中，最外层变量为所述芯片灵敏度S_{chip_x}，中间层变量为所述并联等效电阻值R_{p_x}，最内层变量为所述并联等效电容值C_{p_x}。

附图说明

包括附图是为提供对本公开内容的进一步的理解。附图示出了本公开内容的实施例，并与本说明书一起起到解释本公开内容原理的作用。在结合附图并阅读了下面的对特定的非限制性本公开内容的实施例之后，本公开内容的技术方案及其优点将变得显而易见。其中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的芯片阻抗和灵敏度的测试方法的流程图。

图2a示出了根据本发明的一个实施例的天线阻抗仿真值的曲线图。

图2b示出了根据本发明的一个实施例的标签灵敏度的测试值的曲线图

图3示出了根据本发明的一个实施例的并联等效电容与吻合度的关联曲线图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的并联等效电阻与吻合度的关联曲线图。

图5示出了根据本发明的一个实施例的芯片灵敏度与吻合度的关联曲线图。

具体实施方式

参考在附图中示出和在以下描述中详述的非限制性实施例，更完整地说明本公开内容的多个技术特征和有利细节。并且，以下描述忽略了对公知的原始材料、处理技术、组件以及设备的描述，以免不必要地混淆本公开内容的技术要点。然而，本领域技术人员能够理解到，在下文中描述本公开内容的实施例时，描述和特定示例仅作为说明而非限制的方式来给出。

在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本公开内容中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本公开内容的说明书中所提及的一些术语可能是公开内容人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本公开内容。

图1示出了根据本发明的一个实施例的芯片阻抗和灵敏度的测试方法的流程图。如图1所示，首先获取天线阻抗值和天线增益。其中，天线阻抗值和天线增益可通过现有的测试或仿真方法来获得。

其次，获取标签灵敏度的测试值。在一个实施例中，标签的灵敏度测试采用例如tagformance设备进行，该设备的最小步长被设置为0.1dB，测试误差可在0.5dB以内。

再次，通过遍历芯片阻抗值和芯片灵敏度来获得所述标签灵敏度的计算值；以及

通过比较所述标签灵敏度的所述测试值与所述计算值，确定正确的所述芯片阻抗值和所述芯片灵敏度。

假设天线阻抗的测试值或仿真值为Z_ant，标签灵敏度为S_tag，芯片灵敏度为S_chip，天线增益为G_ant，芯片阻抗值为Z_chip，Z_ant*是天线的共轭阻抗值。

复阻抗是指有实部也有虚部的阻抗。根据复阻抗匹配理论，某个频率的标签灵敏度可由公式(1)求出。

公式(1)也可以写成S_tag＝S_chip-(G_ant-LOSS)。复阻抗的匹配损失并且LOSS为正值。

芯片与天线实现阻抗匹配时，即Z_chip-Z_ant*＝0。完成阻抗匹配后，有此时有S_tag＝S_chip-G_ant。

在RFID领域里，天线增益G_ant可以基本确定为0dB。因此，标签灵敏度＝芯片灵敏度+匹配损失。

S_tag取最小值时对应的标签的读距离最远，即标签的性能达到最好。

其中，Z_ant＝Z_{ant_re}+jZ_{ant_im}，Z_ant ^*＝Z_{ant_re}-jZ_{ant_im}，Z_chip＝Z_{chip_re}+jZ_{chip_im}。上述各个指标Z_ant、Z_ant*和Z_chip的实部是电阻部分，虚部是电容或电感部分。

公式(1)右边的值G_ant、Z_ant和Z_ant ^*可以使用天线仿真值(例如通过天线仿真工具HFSS(High Frequency Structure Simulator)得到)代入，即G_ant＝G_{ant_sim}，Z_ant＝Z_{ant_sim}，Z_ant ^*＝Z_{ant_sim} ^*。天线阻抗值的实部如图2a中的曲线a1所示，天线阻抗值的虚部如图2a中的曲线a2所示，标签灵敏度的测试值S_{tag_test}如图2b中的曲线a3所示。

芯片阻抗值Z_chip和芯片灵敏度S_chip是最终希望获取的值，此处使用任给值代入：即Z_chip＝Z_{chip_x}，S_chip＝S_{chip_x}。那么根据公式(1)，可以得到标签灵敏度的计算值S_{tag_cal}：

如果任给的芯片阻抗值Z_{chip_x}和芯片灵敏度S_{chip_x}是正确的，那么S_{tag_cal}会等于或者接近于标签灵敏度的测试值。上面已经说明，可以通过测试得到标签灵敏度的测试值S_{tag_test}。

由于Z_{chip_x}和S_{chip_x}是任给值，因此根据公式(2)得到的结果S_{tag_cal}通常是不正确的。即在一般情况下，S_{tag_cal}≠S_{tag_test} (3)。

如果在选取Z_{chip_x}和S_{chip_x}时取到正确的值，那么有S_{tag_cal}＝S_{tag_test} (4)。

根据公式(3)和公式(2)，吻合度W被定义为：

其中，吻合度W是一个大于或等于0的数。当Z_{chip_x}和S_{chip_x}的取值正确时，有吻合度W＝0。当Z_{chip_x}和/或S_{chip_x}的取值不正确时，有吻合度W>0。并且，Z_{chip_x}和S_{chip_x}的取值越接近正确值，吻合度W越接近于0。

公式(1)—(5)可在单个频点下得到。对于多个频点的情形，吻合度W可以取所有频点的平均值，即

其中，S_{chip_x}是芯片灵敏度，不随频率变化。带角标_freqi的参数随频率变化，分别包括从freq1到freqn，共n个数据。

在公式(6)中，单个频点的芯片阻抗值为Z_{chip_x}＝R_{p_x}||C_{p_x}。其中，R_{p_x}为并联等效电阻值，C_{p_x}为并联等效电容值，不随频率变化。同时，带角标_x的三个值(即S_{chip_x}、R_{p_x}和C_{p_x})为任取值，通过任取R_{p_x}、C_{p_x}和S_{chip_x}可以计算得到W值。

在一个优选的实施例中，R_{p_x}可以取50ohm-10000ohm；C_{p_x}可以取0.1pF-10pF；并且S_{chip_x}可以取从-30dBm至20dBm。

本领域技术人员可以理解的是，上述各参数所选取的任取值的相邻差值越小，则需要计算的数据量越大，计算时间会越长。在一个优选的实施例中，当R_{p_x}、C_{p_x}以及S_{chip_x}的任取相邻差值分别为10ohm、0.1pF以及0.25dBm时，就可以满足测试需求。

如果上述三个任取值的取值刚好正确，那么有W＝0或者W最小。此时这三个取值即为需要的结果。

上述过程可以通过遍历R_{p_x}、C_{p_x}和S_{chip_x}的取值来实现，从而得到所有R_{p_x}、C_{p_x}和S_{chip_x}取值下的W值，根据最小的W值，即可得到正确的R_{p_x}、C_{p_x}和S_{chip_x}值。

假设令W值为0或最小的那组值为R_{p_x0}、C_{p_x0}和S_{chip_x0}，则有芯片灵敏度S_chip＝S_{chip_x0}，芯片阻抗值Z_chip＝R_{p_x0}||C_{p_x0}。

参见图3-5，W曲线上的最小值对应的横坐标数据，就是需要的测试结果。

由于本发明提出的测试方法将需要精确测试的数据转换为求曲线极值，因此可以减小测试的误差。同时，还可以在W绝对值测试不太精确的情况下，相对精确地测出需要的值。

在一个实施例中，上述遍历过程采用三重循环。循环的最外层变量为芯片灵敏度S_{chip_x}，中间层变量为并联等效电阻值R_{p_x}，最内层变量为并联等效电容值C_{p_x}。因此，图3中的数据量最多,有1800条线；图4次之，有18条线；图5的数据量最少，只有一条线。外层的变量数据量虽少，但是包含有内部的循环结果，所以结果是完备的。

本领域技术人员可以理解的是，上述三重循环的外中内三个变量的顺序并不是固定的，而是可以相互交换的。即，芯片灵敏度可以作为最外层变量、中间层变量或最内层变量，并联等效电阻值可以作为最外层变量、中间层变量或最内层变量，并联等效电容值也可以作为最外层变量、中间层变量或最内层变量。

根据图3-5可以得到，在该实施例中，吻合度W最低处的值为芯片灵敏度S_chip＝-20dBm，芯片阻抗值Z_chip＝4000ohm||0.73pF。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是对本领域技术人员显而易见的是，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (6)

1.一种用于超高频RFID标签的芯片阻抗和灵敏度的测试方法，包括：

获取所述标签中天线的天线阻抗值和天线增益；

获取所述标签的标签灵敏度的测试值；

通过遍历芯片阻抗值和芯片灵敏度来获得所述标签灵敏度的计算值；以及

通过比较所述标签灵敏度的所述测试值与所述计算值，确定正确的芯片阻抗值和芯片灵敏度。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：使用通过遍历步骤获得的所述芯片阻抗值和所述芯片灵敏度来设计和/或优化所述天线。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在下述公式中遍历所述芯片阻抗值和所述芯片灵敏度：

其中，S_tag为所述标签灵敏度，S_chip为所述芯片灵敏度，G_ant为所述天线增益，Z_chip为所述芯片阻抗值，Z_ant为所述天线阻抗值，Z_ant*是所述天线的共轭阻抗值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还定义吻合度W如下：

<mrow> <mi>W</mi> <mo>=</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <mo>_</mo> <mi>c</mi> <mi>a</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <mo>_</mo> <mi>t</mi> <mi>e</mi> <mi>s</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>=</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>h</mi> <mi>i</mi> <mi>p</mi> <mo>_</mo> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <mo>_</mo> <mi>t</mi> <mi>e</mi> <mi>s</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>G</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mn>10</mn> <mo>*</mo> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>g</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mo>|</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>h</mi> <mi>i</mi> <mi>p</mi> <mo>_</mo> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mo>*</mo> </mrow> <mrow> <msub> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>h</mi> <mi>i</mi> <mi>p</mi> <mo>_</mo> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> </mrow>

其中，S_{tag_cal}为所述标签灵敏度的计算值，S_{tag_test}为所述标签灵敏度的测试值，G_{ant_sim}为所述天线增益的仿真值，Z_{ant_sim}为所述天线阻抗值的仿真值，Z_{ant_sim} ^*为所述天线的共轭阻抗值的仿真值，Z_{chip_x}和S_{chip_x}分别是所述芯片阻抗值和所述芯片灵敏度；

使得W＝0的Z_{chip_x}和S_{chip_x}分别是所述正确的芯片阻抗值和芯片灵敏度。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对于多个频点的情形，所述吻合度W被进一步定义为：

<mrow> <mi>W</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>n</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>f</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>q</mi> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>f</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>q</mi> <mi>n</mi> </mrow> </munderover> <mo>|</mo> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>h</mi> <mi>i</mi> <mi>p</mi> <mo>_</mo> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <mo>_</mo> <mi>t</mi> <mi>e</mi> <mi>s</mi> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>f</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>q</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>G</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>m</mi> <mo>_</mo> <mi>f</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>q</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mn>10</mn> <mo>*</mo> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>g</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mo>|</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>_</mo> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>_</mo> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>m</mi> <mo>_</mo> <mi>f</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>q</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>*</mo> </mrow> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>_</mo> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>_</mo> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>Z</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>t</mi> <mo>_</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>m</mi> <mo>_</mo> <mi>f</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>q</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> </mrow>

其中，Z_{chip_x}＝R_{p_x}||C_{p_x}，R_{p_x}为并联等效电阻值，C_{p_x}为并联等效电容值；S_{tag_test_freqi}、G_{ant_sim_freqi}、Z_{ant_sim_freqi}和Z_{ant_sim_freqi} ^*均是随频率freqi变化的参数，并且分别包括从freq1到freqn，共n个数据。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述R_{p_x}的取值范围为50ohm-10000ohm；所述C_{p_x}的取值范围为0.1pF-10pF；并且所述S_{chip_x}的取值范围为从-30dBm至20dBm。