| 引言
RFID標(biāo)簽芯片的靈敏度是芯片剛剛被激活所需的最小能量。靈敏度是標(biāo)簽芯片最重要的性能指標(biāo)，它的大小直接影響RFID標(biāo)簽的性能，例如標(biāo)簽 讀/寫(xiě)距離等。因此標(biāo)簽芯片靈敏度準(zhǔn)確測(cè)試是芯片測(cè)試的重要內(nèi)容之一。在某一頻段內(nèi)，絕大多數(shù)芯片廠(chǎng)商僅僅給出芯片一個(gè)靈敏度值，而沒(méi)有標(biāo)識(shí)出芯片靈敏度 隨頻率的變化情況。利用本文所描述的靈敏度測(cè)試方法測(cè)試芯片的靈敏度，可以獲得芯片在800～1000MHz頻段內(nèi)的靈敏度變化曲線(xiàn)，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用更有參 考價(jià)值。準(zhǔn)確測(cè)試芯片靈敏度隨著頻率的變化情況對(duì)于芯片開(kāi)發(fā)人員和芯片的實(shí)際應(yīng)用都具有重要的意義。
1 芯片靈敏度測(cè)試原理
將經(jīng)過(guò)封裝的芯片引腳焊接到阻抗為50 Ω的SMA連接器，將SMA頭通過(guò)特征阻抗為50 Ω的同軸線(xiàn)連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或者RFID標(biāo)簽測(cè)試儀的輸出口，不需要進(jìn)行特殊的匹配電路。測(cè)試設(shè)備需要標(biāo)簽測(cè)試儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
標(biāo)簽測(cè)試儀可采用Voyantic公司研發(fā)的Tagformance標(biāo)簽測(cè)試儀，該測(cè)試儀是帶有一個(gè)輸入天線(xiàn)和輸出天線(xiàn)接口的專(zhuān)用RFID讀寫(xiě)器。天線(xiàn)接口中一個(gè)用來(lái)向標(biāo)簽傳輸信號(hào)，另一個(gè)接收標(biāo)簽的反向散射信號(hào)，軟件會(huì)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，標(biāo)簽測(cè)試儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)輸出頻率、功率可調(diào)可標(biāo)定，接收信號(hào)可解調(diào)可解碼的寬頻帶RFID讀寫(xiě)器。實(shí)際測(cè)試時(shí)，為了使得讀數(shù)方便，在RFID標(biāo)簽測(cè)試儀的衰減器輸出端口再串接一個(gè)20 dB衰減器，然后用同軸線(xiàn)將衰減器和裝有芯片的SMA頭相連。利用標(biāo)簽測(cè)試儀可以?huà)呙璩鲂酒诓黄ヅ涞那闆r下，芯片正常工作所需要的最小工作能量Pmin隨頻率的變化情況。
測(cè)試所用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為E5071型，使用之前采用85033E校準(zhǔn)頭進(jìn)行校準(zhǔn)。實(shí)際測(cè)試時(shí)，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出口和安裝有芯片的 SMA頭用特征阻抗為50 Ω的同軸線(xiàn)相連。在測(cè)試頻點(diǎn)上，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出能量設(shè)置為由標(biāo)簽測(cè)試儀(在不匹配狀態(tài)下)測(cè)得的芯片的最低功耗Pmin，從網(wǎng)絡(luò)分析儀上讀取反射 系數(shù)，依此類(lèi)推，可以得到芯片在不同頻率下的反射系數(shù)Γ。
從以上分析可以知道，任何時(shí)候，安裝有芯片的SMA連接器只有2種接法，或者連接到標(biāo)簽測(cè)試儀，或者連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，如圖2所示。RFID測(cè)試儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出阻抗均為Z0=50Ω。
測(cè)試過(guò)程中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能量設(shè)置為某一頻率下的最小功耗Pmin(由標(biāo)簽測(cè)試儀獲取的標(biāo)簽芯片最小可工作功率)。芯片工作在最小功耗下，由 于安裝芯片的SMA頭和同軸線(xiàn)的損耗可以忽略不計(jì)，因此，所有輸入的能量或者被芯片吸收，或者全部被反射回來(lái)。由于傳輸線(xiàn)與標(biāo)簽芯片失配，標(biāo)簽芯片所接收 的能量可以通過(guò)式(1)計(jì)算，即可以得到芯片的能量靈敏度。
Pth=PminTtag=Pmin(1-|Γtag|2) (1)
式中：Ttag是能量傳輸系數(shù);|Γtag|2是能量反射系數(shù)，1-|Γtag|2即為能量傳輸系數(shù)Ttag;Pmin為利用標(biāo)簽測(cè)試儀測(cè)得的 某一個(gè)頻率下芯片的最低功耗;Pth為芯片的能量靈敏度。實(shí)際測(cè)試中，利用標(biāo)簽測(cè)試儀測(cè)得芯片的最低功耗Pmin，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的能量設(shè)置為 Pmin，測(cè)試芯片的反射系數(shù)Γ的值，代入式(1)即可得到芯片的靈敏度。
2 芯片靈敏度測(cè)試結(jié)果
圖3將安裝有NXP_G2XM芯片的SMA頭通過(guò)同軸線(xiàn)連接到標(biāo)簽測(cè)試儀衰減器的輸出端口，掃描芯片工作所需的最低功耗Pmin隨頻率變化的情 況。從圖中可以看出，在標(biāo)簽芯片和傳輸線(xiàn)不匹配的情況下，直接得到芯片功耗隨頻率變化掃描出的曲線(xiàn)。在800～1 000 MHz頻段內(nèi)，每隔10 MHz采集一個(gè)功耗值，由于測(cè)試時(shí)在標(biāo)簽測(cè)試儀的輸出口串接20 dB衰減器，因此實(shí)際功耗值如圖4所示。
圖4是芯片校準(zhǔn)前實(shí)際功耗測(cè)試結(jié)果。其中，圓圈表示從標(biāo)簽測(cè)試儀掃描圖像中對(duì)個(gè)別頻點(diǎn)采樣得到芯片靈敏度數(shù)值;實(shí)線(xiàn)為利用藍(lán)色圓圈表示的數(shù)值通過(guò)多項(xiàng)式擬合所得曲線(xiàn)。圖4所示曲線(xiàn)與圖3所示的曲線(xiàn)基本一致。
利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試芯片的反射系數(shù)Γ，使用式(1)對(duì)測(cè)得的芯片靈敏度數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，得到圖5所示的芯片能量靈敏度曲線(xiàn)。其中，圓點(diǎn)為利用圖4中圓圈數(shù)值進(jìn)行校準(zhǔn)之后的靈敏度值，曲線(xiàn)為利用圓點(diǎn)表示的樣本值進(jìn)行3次多項(xiàng)式擬合所得曲線(xiàn)，即校準(zhǔn)之后的靈敏度曲線(xiàn)。
采用同樣的原理對(duì)ImPINj_Monza3芯片靈敏度進(jìn)行測(cè)試，得到校準(zhǔn)之后Impinj_Monza3芯片靈敏度隨頻率變化曲線(xiàn)如圖6所 示。其中，圓點(diǎn)為利用采樣值進(jìn)行校準(zhǔn)之后的靈敏度值;曲線(xiàn)為利用圓點(diǎn)表示的樣本值進(jìn)行3次多項(xiàng)式擬合所得曲線(xiàn)，即校準(zhǔn)之后的Impinj_Monza3靈 敏度曲線(xiàn)。
從圖4可以看出，利用標(biāo)簽測(cè)試儀測(cè)得的芯片靈敏度輕微的依賴(lài)于頻率，在800～1 000 MHz頻段內(nèi)，變化范圍為1 dBm。從圖5和圖6可以看出，通過(guò)式(1)校準(zhǔn)之后的靈敏度改變范圍稍大，在2個(gè)dBm之間。對(duì)于NXP_G2XM芯片來(lái)說(shuō)，800～1 000 MHz頻段內(nèi)，在頻率為860 MHz是芯片的靈敏度最高為-15.9 dBm;而對(duì)于Impinj_Monza3芯片為800～1 000 MHz頻段內(nèi)，在頻率為950 MHz時(shí)芯片的靈敏度最高為-15.9 dBm。因此，如果對(duì)于測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性要求不是很?chē)?yán)格，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試反射系數(shù)Γ時(shí)，可以使用同一個(gè)能量，測(cè)試結(jié)果仍然可以保持一定的準(zhǔn)確性。
3 誤差分析
NXP芯片和Impinj芯片廠(chǎng)商所給的datasheet僅僅給出芯片在特定溫度下，特定的解調(diào)方式和調(diào)制度情況下的靈敏度參考值。 NXP_G2XM芯片的靈敏度為-15 dBm，Impinj_Monza3芯片的靈敏度為-15 dBm。從圖5和圖6可以看出，校準(zhǔn)值與datasheet所給的芯片靈敏度比較相近，存在誤差原因：其一，單個(gè)芯片測(cè)試存在的偏差，NXP和 Impinj芯片廠(chǎng)商靈敏度是通過(guò)大量的測(cè)試取均值所得，本文僅是對(duì)于其個(gè)別樣片進(jìn)行了測(cè)試;其二，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試芯片反射系數(shù)時(shí)，安裝芯片的 SMA頭與芯片阻抗不匹配，測(cè)得的反射系數(shù)比較大，基本上均超過(guò)0.9，對(duì)于各個(gè)頻點(diǎn)的反射系數(shù)值相差不是很明顯，因此，準(zhǔn)確測(cè)試反射系數(shù)值對(duì)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn) 確性有重要作用;第三，標(biāo)簽測(cè)試儀上讀取的功耗值，沒(méi)有考慮SMA頭的損耗;第四，實(shí)際測(cè)試與datasheet所給的參考條件并不一致，所以測(cè)試結(jié)果存 在誤差。因此，利用標(biāo)簽測(cè)試儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試芯片靈敏度的方法有效。
4 結(jié)語(yǔ)
本文所述靈敏度測(cè)試方法，不需要特殊的匹配電路，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單方便，可以對(duì)一個(gè)頻段內(nèi)的靈敏度變化情況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。芯片靈敏度隨頻率的變化情況測(cè)試對(duì)于芯片開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義。
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