CN210347850U - 一种超高频无源芯片性能测试系统及其损耗测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超高频无源芯片性能测试系统及其损耗测试装置，包括：主控制器、基带处理器、上变频器、下变频器、可变增益放大器、环形器和自动网络匹配电路，主控制器连接基带处理器向其发出控制信号；基带处理器的输出端连接上变频器的输入端向其发送基带信号；上变频器的输出端连接可变增益放大器的输入端；可变增益放大器的输出端连接环形器的信号输入端，环形器同衰减器双向连接，衰减器同自动网络匹配电路双向连接，自动网络匹配电路通过输出Vout接口连接待测芯片。本实用新型用简单的标准设备就可以完成对超高频无源芯片性能的测量，连接都使用同轴电缆，避免了搭建暗室的成本。

Description

一种超高频无源芯片性能测试系统及其损耗测量装置

技术领域

本实用新型涉及芯片测试领域，具体是一种超高频无源芯片性能测试系统及其损耗测量装置。

背景技术

超高频射频识别技术是射频识别技术最新出现、最快发展的方向，主要包括800/900MHz和2.45GHz两个频段，超高频无源电子标签(即800/900MHz频段)凭借其识别工作无须人工干预、可工作于各种恶劣环境、可识别高速运动物体、可同时识别多个标签、可多次读写、阅读距离远、穿透能力强、阅读方向性强、智能程度高、标签寿命长、信息处理量大且准确、成本低、体积小等特点，广泛应用于物流、仓储等领域。对超高频无源标签芯片的评价由多个方面构成，主要包括：协议符合性测试、性能参数测试、可靠性试验三个方面。协议符合性测试主要解决的是“能不能用”的问题，性能测试解决的是“好不好用”的问题，而可靠性试验解决的是“耐不耐用”的问题，现有技术主要是针对“能不能用”的。

传统的协议符合性测试是用辐射的方式进行测试，即使用空中接口进行测试。RFID专用测试设备将指令调制到载波上通过天线辐射到空中，标签接收到信号后一方面利用接收到的高频电信号整流后为自己供电，另一方面将调制到载波上的指令解调进行处理，然后调制端口的阻抗将应答信号通过反向散射发送回专用测试设备。在这个过程中，RFID专用测试设备可以修改调制方式、工作频率、编码方式、前导码、T1时间、T2时间、频率允差、状态机、标签命令等测试参数，依次测试标签是否符合待测协议的要求。这种实验环境理论上对于验证芯片是否满足协议规定是满足测试要求的，但在我们实际操作中发现，此种方法会掩盖芯片本身的一些问题。如我们在对单位D的一款标签芯片的“T2时间”参数进行测试时，标签应在T2为3*Tpri和20*Tpri时做出反应，在20*Tpri+Tack+T1时不做反应，而该样品在845MHz，6.25us，反向链路基准时钟周期为00时，不能做出正确的响应，且某些情况下响应很不稳定，平均10次测试可以通过5次，图1为T2时间的时序关系图。在以往的辐射测试过程中，该产品的工程师也发现了类似问题，但将标签重新放置，就可以通过该项的协议符合性测试，因为辐射通信本身是不稳定的，有可能由于摆放位置等原因造成通信失败，会掩盖产品本身存在的问题。

进行性能评估时，基于传导方式的芯片测试方法是有很大优势的，但实际操作中的困难使得其并未得到广泛应用。首先，传导连接是接近无损的传输，载波在反向散射过程中并未衰减，在读写器端会接收到远高于实际应用的载波信号，会导致对载波阻塞指标的过度测量。其次，传导连接各部分，如匹配网络、巴伦、微带线等的插入损耗较难校准，因为超高频读写器芯片只有两个引脚，且实际应用中这两个引脚不会经过阻抗匹配，而是直接连接到天线上，所以传统的插损校准方法都是不适用的。

综上所述，现有技术及其存在的缺点如下：

现有技术之一：基于暗室里使用协议符合性测试设备和转台搭建一个标准环境，在一定距离内，使用空间辐射的方式对待测标签进行盘存或读写操作，以能完成操作的最大距离来评价标签的性能，从而间接反应超高频无源芯片的性能：

(1)是基于标准环境而非标准测试设备。测试环境成本高，要复制完全一致的环境难度大，不同厂家生产的标签都放到一个环境中进行评价又不现实，测试环境缺乏可计量性；

(2)主要针对标签产品而非芯片。超高频无源芯片作为超高频无源标签中最重要的部分，理论上是决定标签性能的最重要因素，但基于现有技术测试出的性能最好的标签却并不一定使用了性能最好的芯片，主要原因是在芯片做成标签的过程中，由于天线设计技术以及基板匹配技术的不足限制了芯片性能的发挥，这就导致对芯片性能的误判断，在客户选型过程中对芯片厂商是不公平的；

(3)辐射通讯方式会掩盖芯片本身问题。空间辐射由于存在各种干扰，在大数据量操作的情况下，即便在暗室中也不能保证100％的通讯成功，现有技术通过反复盘存解决了通讯中断的问题，但会掩盖芯片启动保持电路、时钟漂移等物理电路本身的问题，限制芯片性能的进一步提高，所以现有技术对于芯片设计厂家是不适用的；

(4)不能准确反映芯片内部存储器的性能。在标签通讯过程中，盘存、读和写是反映存储器性能，尤其是功耗对性能影响的重要方式，辐射的通讯方式会极大衰减整体功耗，反映到距离上差异很小，会掩盖存储器功耗的差异。而超高频无源芯片是依靠辐射能量工作的，性能的提升对功耗很敏感，存储器操作过程中的微小功耗差异对芯片实际性能会产生巨大影响。

现有技术之二：采用传导连接方式对芯片进行测试：

(1)载波阻塞指标的过度测量。

(2)因传导连接带来的插损无法得到校准。

实用新型内容

本实用新型针对背景技术中存在的问题，提出了一种超高频无源芯片性能测试系统及测试方法的解决方案。

技术方案：

本实用新型首先公开了一种超高频无源芯片性能测试系统，包括：主控制器、基带处理器、上变频器、下变频器、可变增益放大器、环形器和自动网络匹配电路，主控制器连接基带处理器向其发出控制信号；基带处理器的输出端连接上变频器的输入端向其发送基带信号，基带信号经上变频器调制到射频载波；上变频器的输出端连接可变增益放大器的输入端，由可变增益放大器调整系统的输出功率；可变增益放大器的输出端连接环形器的信号输入端，环形器同衰减器双向连接，衰减器同自动网络匹配电路双向连接，自动网络匹配电路通过输出Vout接口连接待测芯片；

环形器用于分离系统发送给待测芯片的信号和从待测芯片返回的信号：

在信号发送端，环形器将发送给待测芯片的信号顺次通过衰减器、自动网络匹配电路、输出Vout接口发送给待测芯片；

在信号接收端，待测芯片的返回信息顺次通过输出Vout接口、自动网络匹配电路、衰减器传输至环形器；

环形器的另一个输出端连接下变频器的输入端向其传输待测芯片的返回信息，返回信息经下变频器解调出中频信号；下变频器的输出端连接基带处理器的输入端向其传输中频信号，基带处理器将接收到的中频信号转化为基带信号并通过总线送至主控制器进行物理层和协议层各项参数的分析；系统连接都使用同轴电缆。

优选的，它还包括多相时钟产生电路，多相时钟产生电路用于产生正交时钟信号和系统内部需要的其他时钟信号。

优选的，它还包括锁相环，锁相环的输出端连接多相时钟产生电路的输入端，锁相环用于产生低抖动的参考时钟。

优选的，它还包括带隙电压基准和上电复位电路：带隙电压基准用于提供系统内部的基准电压；上电复位电路用于系统的数据复位。

优选的，它还包括与所述自动网络匹配电路呈镜像的第二自动网络匹配电路，两个自动网络匹配电路的输出端口背对背互相连接，在测试待测芯片前，基于电路结构测量系统的损耗；在测试待测芯片时，第二自动网络匹配电路自系统中移除。

本实用新型还公开了一种超高频无源芯片性能测试系统的损耗测量装置，用于获得所述测试系统的损耗，它包括两套：基材、线缆和自动网络匹配电路，第一套基材、线缆和自动网络匹配电路的电连接结构与所述系统中基材、线缆和自动网络匹配电路的电连接结构完全相同；第二套基材、线缆和自动网络匹配电路的电连接结构与第一套基材、线缆和自动网络匹配电路的电连接结构呈镜像；两个自动网络匹配电路的输出端口背对背互相连接；其中一个自动网络匹配电路的信号输入端接收读写器信号，另一个自动网络匹配电路的信号输入端作为信号输出端连接频谱仪；频谱仪测得损耗的1/2即为所述系统的损耗。

本实用新型的有益效果

(1)用简单的标准设备就可以完成对超高频无源芯片性能的测量，连接都使用同轴电缆，避免了搭建暗室的成本；

(2)提出一种针对超高频无源芯片的测试方法和系统，是首次提出针对无源芯片的测试方案，并用于实际测试；

(3)通过解决传导连接的插损校准、阻抗匹配等问题，使得可以使用一根同轴电缆传导方式同时供电和通讯，准确测量芯片性能；

(4)通过加入功率放大器解决大场强测试问题；

(5)通过加入衰减器解决大场强下的载波反射问题；

(6)传导的连接方式可以发现存储器微小功耗性能差异导致的整体性能变化，精度可以做到0.5dBm，相比现有空口测试方案提高了近20倍，解决芯片内嵌存储器性能的评价问题。

附图说明

图1为背景技术中T2时间参数的时序关系图

图2为本实用新型的超高频无源芯片性能测试系统的框图

图3为本实用新型的损耗测量装置的结构图

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的保护范围不限于此：

结合图2，本实用新型公开的一种超高频无源芯片性能测试系统，包括：主控制器、基带处理器、上变频器、下变频器、可变增益放大器、环形器和自动网络匹配电路，优选的实施例中，它还包括多相时钟产生电路、锁相环、带隙电压基准和上电复位电路。

射频模块之间通过射频电缆传输射频或中频信号，并提供与被测超高频无源芯片之间的射频信号接口Vout。主控制器用于设置各模块工作条件、进行信号分析和控制测试流程，基带处理器用于建立设备与超高频无源芯片的通讯，上、下变频器用于将基带信号按照协议要求调制到射频载波或从射频载波解调下来，可变增益放大器用于调整“设备”输出的功率，环形器用于分离“设备”发送给待测芯片的信号和从芯片返回的信号，自动网络匹配电路用于将待测芯片的阻抗转换成同轴电缆的标准阻抗，带隙电压基准用于提供设备内部的基准电压，上电复位电路用于“设备”的数据复位，多相时钟产生电路用于产生正交时钟信号和设备内部需要的其他时钟信号，锁相环用于产生低抖动的参考时钟，衰减器用于衰减从超高频无源芯片反射回的载波。

待测超高频无源芯片通常只有两个引脚，一个是电源和信号共用引脚，另一个是地(也有直接是差分引脚的)，所以设备将信号叠加在载波上发送给待测芯片，实现边供电边通讯，同时还要实时监听待测芯片的反向散射信号。测试过程中，主控制器发送指令给各功能模块，基带处理器实时生成基带IQ信号，并转化为中频信号，传送给射频上变频器调制在射频载波上，经可变增益放大器、环形器、自动网络匹配电路，通过“输出(Vout)”接口发送给待测超高频无源芯片。超高频无源芯片解调“设备”的指令后，根据指令要求会返回信息，仍然通过“输出(Vout)”引脚，从被测单元返回的信号经射频下变频器转化为中频信号后传送给基带处理器并转化为数字基带IQ信号，最后通过总线送至主控制器进行物理层和协议层各项参数的分析。

在进行芯片测试时，衰减器的数值可以随意设置，通过调节衰减器的数值模拟各种条件下自由空间信号的衰减，以获得标准测试环境，所述各种条件包括距离、温度、湿度和气压。通过减小衰减器的衰减量，还可以模拟近场大场强下待测芯片的工作环境，测试评估待测芯片的防阻塞能力。

由于本申请的传导方案可能带来的插入损耗，在第一个解决方案中，本实用新型的测试系统还包括与所述自动网络匹配电路呈镜像的第二自动网络匹配电路，两个自动网络匹配电路的输出端口背对背互相连接，在测试待测芯片前，基于电路结构测量系统的损耗；在测试待测芯片时，第二自动网络匹配电路自系统中移除。

在第二个解决方案中，结合图3，本实用新型还公开了一种超高频无源芯片性能测试系统的损耗测量装置，用于获得所述测试系统的损耗，它包括两套：基材、线缆和自动网络匹配电路，第一套基材、线缆和自动网络匹配电路的电连接结构与所述系统中基材、线缆和自动网络匹配电路的电连接结构完全相同；第二套基材、线缆和自动网络匹配电路的电连接结构与第一套基材、线缆和自动网络匹配电路的电连接结构呈镜像；两个自动网络匹配电路的输出端口背对背互相连接；其中一个自动网络匹配电路的信号输入端接收读写器信号，另一个自动网络匹配电路的信号输入端作为信号输出端连接频谱仪；频谱仪测得损耗的1/2即为所述系统的损耗。

芯片性能测试的三个指标主要是：读灵敏度、写灵敏度和最大工作功率。下面仅对芯片的读灵敏度测试流程进行详细描述，以对本实用新型公开系统的使用方法进行说明。

在测试读灵敏度时，读取内容的多少会影响读灵敏度的测试结果，考虑一般芯片工作时的状态，测试时规定读写器仅读取芯片第一和最后一块存储区的内容，存储区应该用同样数量的1和0统一填充(即，由5Ahex、3Chex、0Fhex、F0hex填充存储区的四字节存储块)。采用GJB 7378.1-2011的4.5.4规定的基准读写器及图2所示芯片测试原理图，前向链路基准时间为：12.5μs，反向链路频率为：320KHz，编码方式为：FM0，带前导码，测试温度点为室温、-45℃、65℃，测试频率点为840.125MHz、844.875MHz、920.125MHz、924.875MHz，测试的存储区使用用户区，每次读写操作进行100次，50％成功即认为读写成功，具体的测试步骤如下：

a)设置温度条件为室温；

b)将基准读写器的工作频率设置为840.125MHz；

c)如图2所示，将A点信号连续载波功率设置为-8dBm；

d)用基准读写器持续发送读取命令到第一块存储区，读取验证正确；

e)用基准读写器持续发送读取命令到最后一块存储区，读取验证正确；

f)若能读到完整的芯片响应，那么降低基准读写器输出功率，使A点功率降低0.5dBm，重复步骤d)到f)，直到无法读到完整的芯片响应，记录最后一个能读到完整响应的A点信号功率值；

g)增加频率到下一个频率点，重复c)到g)，直到四个频率点全部测试；

此时记录的A点信号功率值的最大值去除插损，即为常温条件下读灵敏度的测量值；

h)改变温度到下一个温度点，重复b)到h)；

此时记录的A点信号功率值的最大值去除插损，即为高低温条件下读灵敏度的测量值。

测试中插损的计算方法基于实施例中公开的两个解决方案中的任一结构：申请人做一块基材、匹配网络、巴伦和微带线与测试板完全一致的校准板，不同的是校准板会包括背对背的两组以上所提单元，如图3所示，通过背对背的阻抗匹配网络，我们得到一个四端口网络，可以接入矢网或频谱仪对插损进行校准，测试结果除以二就是测试板的插损。

本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种超高频无源芯片性能测试系统，其特征在于包括：主控制器、基带处理器、上变频器、下变频器、可变增益放大器、环形器和自动网络匹配电路，主控制器连接基带处理器向其发出控制信号；基带处理器的输出端连接上变频器的输入端向其发送基带信号，基带信号经上变频器调制到射频载波；上变频器的输出端连接可变增益放大器的输入端，由可变增益放大器调整系统的输出功率；可变增益放大器的输出端连接环形器的信号输入端，环形器同衰减器双向连接，衰减器同自动网络匹配电路双向连接，自动网络匹配电路通过输出Vout接口连接待测芯片；

环形器用于分离系统发送给待测芯片的信号和从待测芯片返回的信号：

在信号发送端，环形器将发送给待测芯片的信号顺次通过衰减器、自动网络匹配电路、输出Vout接口发送给待测芯片；

在信号接收端，待测芯片的返回信息顺次通过输出Vout接口、自动网络匹配电路、衰减器传输至环形器；

环形器的另一个输出端连接下变频器的输入端向其传输待测芯片的返回信息，返回信息经下变频器解调出中频信号；下变频器的输出端连接基带处理器的输入端向其传输中频信号，基带处理器将接收到的中频信号转化为基带信号并通过总线送至主控制器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于它还包括多相时钟产生电路，多相时钟产生电路用于产生正交时钟信号和系统内部需要的其他时钟信号。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于它还包括锁相环，锁相环的输出端连接多相时钟产生电路的输入端，锁相环用于产生低抖动的参考时钟。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于它还包括带隙电压基准和上电复位电路：带隙电压基准用于提供系统内部的基准电压；上电复位电路用于系统的数据复位。

5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于它还包括与所述自动网络匹配电路呈镜像的第二自动网络匹配电路，两个自动网络匹配电路的输出端口背对背互相连接。

6.一种超高频无源芯片性能测试系统的损耗测量装置，用于获得如权利要求1-4任一项所述系统的损耗，其特征在于它包括两套：基材、线缆和自动网络匹配电路，第一套基材、线缆和自动网络匹配电路的电连接结构与所述系统中基材、线缆和自动网络匹配电路的电连接结构完全相同；第二套基材、线缆和自动网络匹配电路的电连接结构与第一套基材、线缆和自动网络匹配电路的电连接结构呈镜像；两个自动网络匹配电路的输出端口背对背互相连接；其中一个自动网络匹配电路的信号输入端接收读写器信号，另一个自动网络匹配电路的信号输入端作为信号输出端连接频谱仪。

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