UHF RFID标签天线测试--实际测试

UHF RFID标签的测试
读写器发射的射频信号最大幅度的被标签接收，即标签天线与芯片阻抗满足共轭匹配，因此UHF频段的RFID芯片阻抗值直接决定了标签天线的设计；超高频的标签天线直接和芯片相连，标签天线一般为复数阻抗，因此，标签天线无法直接与网分的标准接头直连进行测试。

标签天线的阻抗测量方法探讨
与传统的同轴线馈电的天线不同，超高频RFID标签天线直接与标签芯片相连。

因此，标签天线无法直接接上测试仪器的标准接头进行测量。

由于标签天线一般都是复数阻抗，无法采用50Q和70Q的标准网分的端口进行反射系数测量测量。

以外，对于偶极子类型的标签天线，测试接头接近天线时，会对标签天线的阻抗、辐射效率及方向图产生影响。

目前最常用的标签天线阻抗测试方法有：镜像法、巴伦测试法和测量线法。

镜像法测量
镜像法主要针对对称型的偶极子标签天线，根据镜像法理论，一个靠近纯导电地平面的单极子的输入阻抗为相应偶极子输入阻抗的一半。

因此，可以在纯导电平面上测量偶极子标签天线的一半来计算整个标签天线的阻抗。

如图4.3所示的对称偶极子标签天线为例，可以将天线的一半放在一块很大的金属平板上，用SMA接头穿过金属平板对标签天线进行馈电。

测量时，网分直接连接到SMA接头即可。

测量图如图4.4所示。

测量所得的单极子天线的阻抗乘以2即偶极子标签天线的输入阻抗。

图4.3偶极子标签天线
金属平板
SMA接头
图4.4镜像法测量示范
当然，由于网分只校准到其接口的输出端面，对于采用SMA接头导致增加的相位变化，需要通过计算或仿真进行校正。

实际上，对称结构的标签偶极子标签天线的E面和H面也为对称型分布，在仿真时可以节省CPU计算的时间和内存消耗量，因此设计天线时，尽可能设计为对称结构的标签天线。

一方面方便仿真；另一方面也便于天线的测量[40]。

巴伦法测量
弯折偶极子天线如图4.5所示，其属于平衡馈电天线，其测试架测试原理图如图4.6所示。

如果用同轴电缆馈电，还需要在天线和电缆间加入平衡/不平衡转换器—巴伦。

目前的巴伦设计也考虑了阻抗匹配问题，但是一般只为实部变换，如从80欧转为50欧等。

标签天线的阻抗存在较大的虚部，所以巴伦之前要加一个阻抗匹配网络，把天线的阻抗转化为50欧，从而实现对标签天线的准确测试。

图4.5弯折偶极子天线
测试架部分天线部分
测试
设
备图4.6测试原理图
测试架由平衡/不平衡转换器和阻抗匹配网络组成。

整个测试架主要采用相同介质底板；巴伦采用共面波导；匹配网络设计以共面带线为基础，采用双短截线结构[12]。

天线的输入阻抗未知，为设计增加了难度，所以首先测量出天线的输入阻抗，仿真阻抗值作为参考。

将标签天线与平衡/不平衡转换器部分进行相连，通过网分测量出天线连接平衡/不平衡转换器时的S 参数或阻抗特性，对测量的结果反推出标签天线的实际输入阻抗。

反推计算的前提是已知平衡/不平衡转换器的等效电路。

通过平衡/不平衡转换器的仿真，得到其反射和插入损耗，建立等效电路模型，使得在所需的频段内等效电路可以很好地取代平衡/不平衡转换器。

通过对巴伦部分仿真计算，得到其S 参数。

根据S 参数，采用ADS 软件对平衡/不平衡转换器进行参数提取，得出相应频段的等效电路。

对标签天线和巴伦直接相连的结构进行测量，得到其S 参数或输入阻抗，经过反推计算出标签天线的阻抗[22]。

测量线法
由于测量法具有成本低、原理清晰、易于入门等优势，因而被广泛采用。

第一个电压波节点与负载的距离min ，沿线分布的最大电压和最小电压min max 、U U ，天线的输入阻抗为：
min 0min
1j j A ptgk Z Z ptgk ρ-=- （4.13） 式中0Z 是测量线特性阻抗，
ρ为传输线上的电压驻波比，g λ是测量线上的波长。

测量法虽然简单，易实现，但是它的测量精度不高。

另外，它测量时工作人
员的技术要求也比较高。

双端口测试架测量法
图4.7所示为一个典型的非对称平衡偶极子天线，两臂的长度不等，激励不同。

正反端口带有正反电压，各自连接到天线的终端。

如图4.8所示。

驱动电压分成V1和V2被天线上的分布电流干扰，因此，每个天线辐射端和这个平面被视为一个端口，如图4.9所示。

天线被同等为一个双端口网络，如图4.10所示，天线能够直接连接到网络分析仪的双端口上，借助S参数描述其特性。

图4.7非对称平衡偶极子天线
图4.8V1和V2被天线上分布电流干扰
图4.9天线同等为一个双端口网络
图4.10天线直连网络分析仪
根据S参数方法论，正常的天线阻抗如下表示：
1200
d d V V V Z I I -== (4.14) 基于Z 参数的定义端口的电压和电流：
1111122V Z I Z I =+ (4.15)
2211222V Z I Z I =+ (4.16)
式中10I I =,20I I =-,差电压为
(4.17)
则阻抗为 11211222d Z Z Z Z Z =--+ (4.18)
011221221122111222112
2(1)(1)(1)d Z S S S S S S Z S S S S -+-+=--- (4.19) 式中0Z 为其特性阻抗，11221221,S S S S ==,则上式可被简化成
22011211222
11212(12)(1)d Z S S S Z S S -+-=-- （4.20） 测试架的构造如图4.11、4.12所示，两个半刚性的同轴线缆（长10cm ，直径2.2mm ）用锡焊接在一起，测试架带有两个SMA 接头[43]。

图4.11双端口测试架结构
1211211222()d V V V Z Z Z Z I
=-=--+
图4.12双端口测试架实物图。