无源RFID标签芯片灵敏度测试方法研究

摘要：提出一种测试UHF频段无源RFID标签芯片灵敏度的方法。该方法依据矢量网络分析仪和标签测试仪接口特性阻抗相同的特性，利用矢量网络分析仪测试标签芯片的反射系数，然后通过标签测试仪测试芯片和仪器接口的匹配损耗，进而计算标签芯片的灵敏度。利用该方法对NXP_G2XM芯片和Impinj_Monza3芯片在800～1 000 MHz频段内灵敏度进行测试，并将测试结果与datasheet进行对照，分析误差产生的原因，最终证明此方法的准确性。该测试方法采用常规仪器对800～1 000 MHz频段内灵敏度进行测试，有重要实际意义。
关键词：灵敏度；RFID；UHF；标签芯片；IC

0 引言
    RFID标签芯片的灵敏度是芯片刚刚被激活所需的最小能量。灵敏度是标签芯片最重要的性能指标，它的大小直接影响RFID标签的性能，例如标签读／写距离等。因此标签芯片灵敏度准确测试是芯片测试的重要内容之一。在某一频段内，绝大多数芯片厂商仅仅给出芯片一个灵敏度值，而没有标识出芯片灵敏度随频率的变化情况。利用本文所描述的灵敏度测试方法测试芯片的灵敏度，可以获得芯片在800～1000MHz频段内的灵敏度变化曲线，对于实际应用更有参考价值。准确测试芯片灵敏度随着频率的变化情况对于芯片开发人员和芯片的实际应用都具有重要的意义。

1 芯片灵敏度测试原理
    将经过封装的芯片引脚焊接到阻抗为50 Ω的SMA连接器，将SMA头通过特征阻抗为50 Ω的同轴线连接到矢量网络分析仪或者RFID标签测试仪的输出口，不需要进行特殊的匹配电路。测试设备需要标签测试仪和矢量网络分析仪。
    标签测试仪可采用Voyantic公司研发的Tagformance标签测试仪，该测试仪是带有一个输入天线和输出天线接口的专用RFID读写器。天线接口中一个用来向标签传输信号，另一个接收标签的反向散射信号，软件会对该信号进行分析，其内部结构如图1所示。从图1可以看出，标签测试仪的内部结构相当于一个输出频率、功率可调可标定，接收信号可解调可解码的宽频带RFID读写器。实际测试时，为了使得读数方便，在RFID标签测试仪的衰减器输出端口再串接一个20 dB衰减器，然后用同轴线将衰减器和装有芯片的SMA头相连。利用标签测试仪可以扫描出芯片在不匹配的情况下，芯片正常工作所需要的最小工作能量Pmin随频率的变化情况。

    测试所用的矢量网络分析仪为E5071型，使用之前采用85033E校准头进行校准。实际测试时，将矢量网络分析仪的输出口和安装有芯片的SMA头用特征阻抗为50 Ω的同轴线相连。在测试频点上，将矢量网络分析仪的输出能量设置为由标签测试仪(在不匹配状态下)测得的芯片的最低功耗Pmin，从网络分析仪上读取反射系数，依此类推，可以得到芯片在不同频率下的反射系数Γ。
    从以上分析可以知道，任何时候，安装有芯片的SMA连接器只有2种接法，或者连接到标签测试仪，或者连接到矢量网络分析仪，如图2所示。RFID测试仪和矢量网络分析仪的输出阻抗均为Z0=50Ω。

    测试过程中，矢量网络分析仪能量设置为某一频率下的最小功耗Pmin(由标签测试仪获取的标签芯片最小可工作功率)。芯片工作在最小功耗下，由于安装芯片的SMA头和同轴线的损耗可以忽略不计，因此，所有输入的能量或者被芯片吸收，或者全部被反射回来。由于传输线与标签芯片失配，标签芯片所接收的能量可以通过式(1)计算，即可以得到芯片的能量灵敏度。
    Pth=PminTtag=Pmin(1-|Γtag|2)     (1)
    式中：Ttag是能量传输系数；|Γtag|2是能量反射系数，1-|Γtag|2即为能量传输系数Ttag；Pmin为利用标签测试仪测得的某一个频率下芯片的最低功耗；Pth为芯片的能量灵敏度。实际测试中，利用标签测试仪测得芯片的最低功耗Pmin，将矢量网络分析仪的能量设置为Pmin，测试芯片的反射系数Γ的值，代入式(1)即可得到芯片的灵敏度。

2 芯片灵敏度测试结果
    图3将安装有NXP_G2XM芯片的SMA头通过同轴线连接到标签测试仪衰减器的输出端口，扫描芯片工作所需的最低功耗Pmin随频率变化的情况。从图中可以看出，在标签芯片和传输线不匹配的情况下，直接得到芯片功耗随频率变化扫描出的曲线。在800～1 000 MHz频段内，每隔10 MHz采集一个功耗值，由于测试时在标签测试仪的输出口串接20 dB衰减器，因此实际功耗值如图4所示。

    图4是芯片校准前实际功耗测试结果。其中，圆圈表示从标签测试仪扫描图像中对个别频点采样得到芯片灵敏度数值；实线为利用蓝色圆圈表示的数值通过多项式拟合所得曲线。图4所示曲线与图3所示的曲线基本一致。
    利用矢量网络分析仪测试芯片的反射系数Γ，使用式(1)对测得的芯片灵敏度数据进行校准，得到图5所示的芯片能量灵敏度曲线。其中，圆点为利用图4中圆圈数值进行校准之后的灵敏度值，曲线为利用圆点表示的样本值进行3次多项式拟合所得曲线，即校准之后的灵敏度曲线。

    采用同样的原理对Impinj_Monza3芯片灵敏度进行测试，得到校准之后Impinj_Monza3芯片灵敏度随频率变化曲线如图6所示。其中，圆点为利用采样值进行校准之后的灵敏度值；曲线为利用圆点表示的样本值进行3次多项式拟合所得曲线，即校准之后的Impinj_Monza3灵敏度曲线。

    从图4可以看出，利用标签测试仪测得的芯片灵敏度轻微的依赖于频率，在800～1 000 MHz频段内，变化范围为1 dBm。从图5和图6可以看出，通过式(1)校准之后的灵敏度改变范围稍大，在2个dBm之间。对于NXP_G2XM芯片来说，800～1 000 MHz频段内，在频率为860 MHz是芯片的灵敏度最高为-15．9 dBm；而对于Impinj_Monza3芯片为800～1 000 MHz频段内，在频率为950 MHz时芯片的灵敏度最高为-15．9 dBm。因此，如果对于测试结果准确性要求不是很严格，利用矢量网络分析仪测试反射系数Γ时，可以使用同一个能量，测试结果仍然可以保持一定的准确性。

3 误差分析
    NXP芯片和Impinj芯片厂商所给的datasheet仅仅给出芯片在特定温度下，特定的解调方式和调制度情况下的灵敏度参考值。NXP_G2XM芯片的灵敏度为-15 dBm，Impinj_Monza3芯片的灵敏度为-15 dBm。从图5和图6可以看出，校准值与datasheet所给的芯片灵敏度比较相近，存在误差原因：其一，单个芯片测试存在的偏差，NXP和Impinj芯片厂商灵敏度是通过大量的测试取均值所得，本文仅是对于其个别样片进行了测试；其二，采用矢量网络分析仪测试芯片反射系数时，安装芯片的SMA头与芯片阻抗不匹配，测得的反射系数比较大，基本上均超过0．9，对于各个频点的反射系数值相差不是很明显，因此，准确测试反射系数值对测试结果准确性有重要作用；第三，标签测试仪上读取的功耗值，没有考虑SMA头的损耗；第四，实际测试与datasheet所给的参考条件并不一致，所以测试结果存在误差。因此，利用标签测试仪和矢量网络分析仪测试芯片灵敏度的方法有效。

4 结语
    本文所述灵敏度测试方法，不需要特殊的匹配电路，测试过程简单方便，可以对一个频段内的灵敏度变化情况进行测试，测试结果具有一定的准确性。芯片灵敏度随频率的变化情况测试对于芯片开发具有十分重要的意义。