CN112394227A - Rfid标签天线阻抗测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种RFID射频识别标签天线阻抗测试方法，旨在提供一种快速、简便，能够较为准确地测试RFID标签天线阻抗的方法。本发明通过下述技术方案实现：首先对矢量网络分析仪进行自身校准，在矢量网络分析仪上连接测试夹具，建立双端口差分测试模型，代替传统天线阻抗测试的单端口测试模型，将延伸结构与矢量网络分析仪通过同轴线进行连接，然后对有开路校准和短路校准的两种模式进行测量，选择两种模式的平均值；完成上述一系列校准以及端口迁移后，将待测标签天线与测试夹具进行焊接，从矢量网络分析仪中得到所需要的相关测试S参数，将数据导出到仿真计算数学软件Matlab中进行数据处理，得到测试的天线阻抗。
Description
技术领域
本发明涉及一种射频识别RFID(Radio Frequency Identification)抗金属微带标签天线标签的测试方法，尤其是涉及测试RFID标签天线阻抗的方法。
背景技术
随着RFID行业的不断发展壮大，RFID标签的应用范围越来越广，对RFID标签的应用和需求量也越来越大，对RFID标签的要求也越来越严格。RFID无线射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术依靠电磁波，并不需要连接双方的物理接触。这使得它能够无视尘、雾、塑料、纸张、木材以及各种障碍物建立连接，直接完成通信。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合；在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据交换。在标签天线技术涌现之前，小天线的测量都是基于50欧姆的系统，这种方法并不能准确测量，所以标签天线的阻抗是标签测试的重点以及难点。通过测量一方面可以验证仿真的正确性，另一方面由于标签天线不同于一般的50欧姆简单连接同轴测量方法，具有一定的难度，而标签的性能依赖于两个因素，阻抗匹配和天线增益，所以对于阻抗的准确测量研究是非常重要的。
RFID标签天线分为高频HF和超高频UHF，HF的天线通常可忽略介电影响，可直接通过电桥或阻抗分析仪测量其电感及分布电容。UHF标签天线的精确测量较难实现，通常以等效测量方式以实现。
RFID标签天线的设计通常指在给定天线工艺条件下，针对具体应用要求，在规定尺寸范围内进行设计与芯片相匹配的天线。在实际设计工程中主要解决规定的尺寸范围及工作环境件下天线的输入阻抗与芯片在工作频段达到共轭匹配的问题。但标签天线会因加工工艺的偏差而产生参数偏差，芯片在绑定工艺中也会因绑定工艺产生不同的分布电容值，所以标签天线与芯片的匹配性往往与设计存在一定偏差。同时，为了优化匹配性，通常还要做匹配性测量。传统的RFID测试方式，首先在天线上，使用网络分析仪(VNA)去测试是没办法测试出功率等级的变换，VNA测量出来的S参数是否有错误并不能通过VNA直接能检查出来，由于被测件的多样性，使得矢量网络分析仪校准种类繁多，操作者容易出现误区。有时候校准出来的结果看起来很“漂亮”，但其实是错误值。其次是不能接收读写器发出不同指令的能量，同时当天线和芯片匹配在一起时，会发生输入阻抗的变化。再次在协议上，使用频谱分析仪去测试，标签性能如激活功率、读取范围、读写器接收灵敏度、读写器和标签仿真等问题都没办法测试。而如果使用矢量信号源+示波器+频谱分析仪+软件等方式去测试，不仅程序复杂而且价格也很高。标签及标签芯片的测试方式，一是性能测试，它会涉及到校准及环境、激活功率、反向功率等，当测试所选择的天线、指令(Query、ReadEPC)、发射功率设置及摆放位置的不同，也会导致测试结果的不相同；二是方向性测试，不同角度的标签导致其性能差别很大。
RFID标签天线由标签芯片直接馈电，是一种平衡式天线结构，同轴线为不平衡馈电结构，所以平衡天线的阻抗不能够被一般的非平衡的测量方法直接测量。标签天线与同轴线直接相连会引起一系列后果，影响测量精度。
RFID读写器在移动过程中，天线感应系数和阻抗的易变性造成读写器传输功率不必要的损耗和识别能力的下降。国内应用研究主要还集中于手动匹配方面，手工匹配采用的是阻抗分析仪或者网络分析仪，网络分析仪是用定向耦合器来测量天线电路的反射系数。但使用定向耦合器有几个主要的缺点，例如功率损耗大和很难嵌入到集成电路IC芯片。RFID系统使用外接天线与电子标签进行无线通信。天线夹具形状和尺寸的易变性使天线的输入阻抗易随外部环境的变化发生微弱变化，导致传输功率的无用损耗。
随着集成技术的发展，天线与读写器模块将向集成化发展，对于天线阻抗的匹配也将提出新的要求，而手动匹配是个耗时长且复杂的过程。RFID标签阻抗的测量分为标签芯片阻抗和标签天线阻抗的测量。普通天线设计的阻抗目标是实部50Ω或75Ω，虚部为0Ω，方便与天线馈线相匹配。而RFID标签芯片的阻抗却没有统一的标准。因此在设计标签天线之前，一定要知道标签芯片的阻抗值。由于标签芯片体积较小，通常必须使用标准的平衡双线式探针测量其阻抗值。单端口测量方法，是在同轴外导体上延伸一根探针，但是采用单端口延伸一根探针的方法并不是平衡馈电，虚拟地表面接近于同轴表面，标签天线的阻抗存在较大的虚部，导致测试方法很难准确地对电子标签芯片阻抗进行测试，这种方法不建议采用。后来，平衡天线的阻抗测量能够运用巴伦来测试，因为巴伦能够使两端口的电流相等，线圈巴伦比微带巴伦能测量的带宽更宽，但是这种方法结果的准确性很大程度上取决于巴伦本身，特别是对于带宽较宽的情况。
发明内容
本发明针对RIFD标签天线性能参数测试困难的问题，目的在于克服现有技术的不足，提供一种快速、简便，能够较为准确地得到测试的RFID标签天线阻抗的RFID标签的测试方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种RFID标签天线阻抗测试方法，其特征在于，包括如下步骤：首先制备一个双端口转单端口的测试夹具，其次对矢量网络分析仪进行自身校准；在矢量网络分析仪上连接测试夹具，通过同轴线将测试夹具的延伸结构与矢量网络分析仪连接在一起，建立代替传统天线阻抗测试单端口测试模型的双端口差分测试模型，再次对矢量网络分析仪进行自身校准，并实现端口迁移；然后对RFID标签天线进行开路校准和短路校准两种模式的阻抗匹配性测量，得到测试的RFID天线阻抗，选择该两种模式测量阻抗的平均值，完成一系列校准以及端口迁移后，将待测标签天线与测试夹具进行焊接，从矢量网络分析仪中得到所需要的相关S参数，将数据导出到Matlab软件中进行数据处理，得到测试的天线阻抗。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
快速、简便。本发明首先对矢量网络分析仪进行自身校准，在矢量网络分析仪上连接测试夹具，建立双端口差分测试模型，代替传统天线阻抗测试的单端口测试模型，并再次进行校准并实现端口迁移，能够较为准确地得到测试的RFID标签天线阻抗，为RFID标签天线的优化提供了数据支撑。本发明将延伸结构与矢量网络分析仪通过同轴线进行连接，然后对有开路校准和短路校准的两种模式进行测量，选择两者模式的平均值；完成上述一系列校准以及端口迁移后，将待测标签天线与测试夹具进行焊接，从矢量网络分析仪中得到所需要的相关S参数，将数据导出到Matlab软件中进行数据处理，得到测试的天线阻抗。本发明不仅省去了昂贵的专用测量仪器而且简单实用易于实现，其测试方法简单、准确性高、实际应用性强，能够较为准确地得到RFID标签天线阻抗。
附图说明
图1为本发明RFID标签天线阻抗测试流程图。
图2为本发明Y字型测试夹具连接矢量网络分析仪示意图。
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，首先制备一个双端口转单端口的测试夹具，其次对矢量网络分析仪进行自身校准；在矢量网络分析仪上连接测试夹具，通过同轴线将测试夹具的延伸结构与矢量网络分析仪连接在一起，建立代替传统天线阻抗测试单端口测试模型的双端口差分测试模型，再次对矢量网络分析仪进行自身校准，并实现端口迁移；然后对RFID标签天线进行开路校准和短路校准两种模式的阻抗匹配性测量，得到测试的RFID标签天线阻抗，选择该两种模式测量阻抗的平均值，完成一系列校准以及端口迁移后，将待测标签天线与测试夹具进行焊接，从矢量网络分析仪中得到所需要的相关S参数，将数据导出到Matlab软件中进行数据处理，得到测试的天线阻抗。
数据处理标签天线阻抗公式如下：
式中，Z0为传输线特征阻抗，S11、S12、S21、S22为该双端口结构的测试S参数。
参阅图2。所述测试夹具呈Y型，共包括校准平面端口延伸至测试平面的三个端口，第一端口分别与第二端口和第三端口电连接，所述第一端口用于连接待测标签天线，第二端口和第三端口用于连接矢量网络分析仪，测试夹具第一端口分别与第二端口两根带SMA转接头的同轴线连接矢量网络分析仪。打开网络矢量分析仪，点击通道按钮CHANNEL中的启停START/STOP键，设置所需要测试的频率范围；矢量网络分析仪自动校准软件首先进行单端口校准，被测设备分别将开路短路负载加至矢量网络分析仪的端口PORT1和PORT2，按照仪器指示进行完成校准。自动校准软件模拟出一个虚拟的数字源，用这个虚拟的源和时序冲击响应做卷积计算，模拟出一个理想信号(当然还可以人为地加入抖动、噪声、均衡等)经过这个网络之后的时域波形，对这些模拟计算出来的波形做叠加、统计处理，测试完所有参数生成眼图。在屏幕工具栏中选择路径Trace，选择新路径NewTrace，同时选择S11，S12，S21，S22；在屏幕工具栏中选择校准Calibration，出现的横栏中选择Calwizard，点击2端口2-PORT校准，出现开路OPEN，短路SHORT，匹配LOAD三个选项；选择开路校准元件，点击开路OPEN键，完成开路校准；连接短路校准元件，点击短路SHORT键，完成短路校准；连接标准负载校准元件，点击匹配LOAD键，完成负载校准；二端口校准重复上述步骤，完成二端口校准。
将两根同轴线通过THRU校准件连接起来，在动态响应客户端请求RESPONSE中点击端口校准THRU，完成S12校准。
选择测试S参数S11，将界面显示类型改为所需要的史密斯Smith圆图，此时在屏幕上出现一段线；在屏幕工具栏中校准Calibration中选择拓展端口Extension-Port键，打开端口拓展Port-Extension功能，选择拓展端口ExtensionPort1，点击开路OPEN键，即将点移至圆图最右端，完成1端口的校准平面平移；选择测试S参数S22，选择屏幕菜单上的史密斯Smith圆图形式，选择拓展端口ExtensionPort2，点击开路OPEN键，即将点移至圆图最右端，完成2端口的校准平面平移。校准完成后，将测试端口连接负载件，生成用来测试S参数S11和测试S参数S22的史密斯圆图SmithChart，良好的校准使得测试曲线在整个测量频率范围内都在SmithChart的中心点。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种RFID射频识别标签天线阻抗测试方法，其特征在于，包括如下步骤：首先制备一个双端口转单端口的测试夹具，其次对矢量网络分析仪进行自身校准；在矢量网络分析仪上连接测试夹具，通过同轴线将测试夹具的延伸结构与矢量网络分析仪连接在一起，建立代替传统天线阻抗测试单端口测试模型的双端口差分测试模型，再次对矢量网络分析仪进行自身校准，并实现端口迁移；然后对RFID标签天线进行开路校准和短路校准两种模式的阻抗匹配性测量，得到测试的RFID标签天线阻抗，选择该两种模式测量阻抗的平均值，完成一系列校准以及端口迁移后，将待测标签天线与测试夹具进行焊接，从矢量网络分析仪中得到所需要的相关S参数，将数据导出到Matlab商业数学软件中进行数据处理，得到测试的天线阻抗。
2.根据权利要求1所述的RFID标签天线阻抗测试方法，其特征在于：数据处理标签天线阻抗公式如下：
式中，Z0为传输线特征阻抗，S11、S12、S21、S22为该双端口结构的测试S参数。
3.根据权利要求1所述的RFID标签天线阻抗测试方法，其特征在于：所述测试夹具呈Y型，包括校准平面端口延伸至测试平面的三个端口，其中，第一端口分别与第二端口和第三端口电连接。
4.根据权利要求3所述的RFID标签天线阻抗测试方法，其特征在于：所述第一端口用于连接待测标签天线，第二端口和第三端口用于连接矢量网络分析仪，测试夹具第一端口分别与第二端口两根带SMA(Sub-Miniature-A，超小型同轴电缆连接器)转接头的同轴线连接矢量网络分析仪。
5.根据权利要求4所述的RFID标签天线阻抗测试方法，其特征在于：在网络矢量分析仪中，点击通道CHANNEL选项中的启停START/STOP键，设置所需要测试的频率范围；矢量网络分析仪自动校准软件首先进行单端口校准，被测设备(DUT)分别将开路负载和短路负载加至矢量网络分析仪的PORT1和PORT2端口，进行校准，按照仪器指示完成校准。
6.根据权利要求5所述的RFID标签天线阻抗测试方法，其特征在于：自动校准软件模拟出一个虚拟的数字源，用虚拟的源和时序冲击响应做卷积计算，模拟出一个理想信号，经过网络之后的时域波形，对模拟计算出来的波形做叠加、统计处理，测试完所有参数生成眼图。
7.根据权利要求6所述的RFID标签天线阻抗测试方法，其特征在于：在自动校准软件模拟产生的屏幕工具栏中选择SCM配置管理平台TRAC按钮、新路径NewTrace复选框、模型校准Calibration的算法，同时选择双端口结构的测试S参数S11、S12、S21、S22；在屏幕工具栏中选择的模型校准Calibration出现的对话框横栏中，选择Calwizard键和补偿菜单进入校准向导窗口，点击2-PORT校准，根据向导出现的指示，选择开路OPEN、短路SHORT、负载LOAD三个选项；选择开路校准元件，点击开路OPEN键，完成开路校准；连接短路校准元件，点击短路SHORT键，完成短路校准；连接标准负载校准元件，点击负载LOAD键，完成负载校准；二端口校准重复上述步骤，完成二端口校准，再将两根同轴线通过端口校准THRU校准件连接起来，在动态响应客户端请求RESPONSE中点击端口校准THRU，完成S12校准。
8.根据权利要求7所述的RFID标签天线阻抗测试方法，其特征在于：选择测试S参数S11，将界面显示类型改为所需要的史密斯Smith圆图，此时在屏幕上出现一段线；在屏幕工具栏中模型校准Calibration中选择拓展端口Extension-Port插件键，打开端口拓展Port-Extension功能，选择拓展端口ExtensionPort1，点击开路OPEN键，即将点移至史密斯Smith圆图最右端，完成1端口的校准平面平移；选择测试S参数S22，选择屏幕菜单上的史密斯Smith圆图形式，选择拓展端口ExtensionPort2，点击开路OPEN键，即将点移至史密斯Smith圆图最右端，完成2端口的校准平面平移。
9.根据权利要求1所述的RFID标签天线阻抗测试方法，其特征在于：校准完成后，将测试端口连接负载件，生成用来测试S参数S11和测试S参数S22的史密斯圆图SmithChart，良好的校准使得测试曲线在整个测量频率范围内都在史密斯圆图SmithChart的中心点。
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