無源標簽芯片靈敏度測試方法

0 引言
RFID標簽芯片的靈敏度是芯片剛剛被激活所需的最小能量。靈敏度是標簽芯片最重要的性能指標，它的大小直接影響RFID標簽的性能，例如標簽讀／寫距離等。因此標簽芯片靈敏度準確測試是芯片測試的重要內容之一。在某一頻段內，絕大多數(shù)芯片廠商僅僅給出芯片一個靈敏度值，而沒有標識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試方法測試芯片的靈敏度，可以獲得芯片在800～1000MHz頻段內的靈敏度變化曲線，對于實際應用更有參考價值。準確測試芯片靈敏度隨著頻率的變化情況對于芯片開發(fā)人員和芯片的實際應用都具有重要的意義。

1 芯片靈敏度測試原理
將經過封裝的芯片引腳焊接到阻抗為50 Ω的SMA連接器，將SMA頭通過特征阻抗為50 Ω的同軸線連接到矢量網絡分析儀或者RFID標簽測試儀的輸出口，不需要進行特殊的匹配電路。測試設備需要標簽測試儀和矢量網絡分析儀。
標簽測試儀可采用Voyantic公司研發(fā)的Tagformance標簽測試儀，該測試儀是帶有一個輸入天線和輸出天線接口的專用RFID讀寫器。天線接口中一個用來向標簽傳輸信號，另一個接收標簽的反向散射信號，軟件會對該信號進行分析，其內部結構如圖1所示。從圖1可以看出，標簽測試儀的內部結構相當于一個輸出頻率、功率可調可標定，接收信號可解調可解碼的寬頻帶RFID讀寫器。實際測試時，為了使得讀數(shù)方便，在RFID標簽測試儀的衰減器輸出端口再串接一個20 dB衰減器，然后用同軸線將衰減器和裝有芯片的SMA頭相連。利用標簽測試儀可以掃描出芯片在不匹配的情況下，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。

測試所用的矢量網絡分析儀為E5071型，使用之前采用85033E校準頭進行校準。實際測試時，將矢量網絡分析儀的輸出口和安裝有芯片的SMA頭用特征阻抗為50 Ω的同軸線相連。在測試頻點上，將矢量網絡分析儀的輸出能量設置為由標簽測試儀(在不匹配狀態(tài)下)測得的芯片的最低功耗Pmin，從網絡分析儀上讀取反射系數(shù)，依此類推，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，任何時候，安裝有芯片的SMA連接器只有2種接法，或者連接到標簽測試儀，或者連接到矢量網絡分析儀，如圖2所示。RFID測試儀和矢量網絡分析儀的輸出阻抗均為Z0=50Ω。

測試過程中，矢量網絡分析儀能量設置為某一頻率下的最小功耗Pmin(由標簽測試儀獲取的標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頭和同軸線的損耗可以忽略不計，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。由于傳輸線與標簽芯片失配，標簽芯片所接收的能量可以通過式(1)計算，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為利用標簽測試儀測得的某一個頻率下芯片的最低功耗；Pth為芯片的能量靈敏度。實際測試中，利用標簽測試儀測得芯片的最低功耗Pmin，將矢量網絡分析儀的能量設置為Pmin，測試芯片的反射系數(shù)Γ的值，代入式(1)即可得到芯片的靈敏度。

2 芯片靈敏度測試結果
圖3將安裝有NXP_G2XM芯片的SMA頭通過同軸線連接到標簽測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，在標簽芯片和傳輸線不匹配的情況下，直接得到芯片功耗隨頻率變化掃描出的曲線。在800～1 000 MHz頻段內，每隔10 MHz采集一個功耗值，由于測試時在標簽測試儀的輸出口串接20 dB衰減器，因此實際功耗值如圖4所示。

圖4是芯片校準前實際功耗測試結果。其中，圓圈表示從標簽測試儀掃描圖像中對個別頻點采樣得到芯片靈敏度數(shù)值；實線為利用藍色圓圈表示的數(shù)值通過多項式擬合所得曲線。圖4所示曲線與圖3所示的曲線基本一致。
用矢量網絡分析儀測試芯片的反射系數(shù)Γ，使用式(1)對測得的芯片靈敏度數(shù)據(jù)進行校準，得到圖5所示的芯片能量靈敏度曲線。其中，圓點為利用圖4中圓圈數(shù)值進行校準之后的靈敏度值，曲線為利用圓點表示的樣本值進行3次多項式擬合所得曲線，即校準之后的靈敏度曲線。

采用同樣的原理對Impinj_Monza3芯片靈敏度進行測試，得到校準之后Impinj_Monza3芯片靈敏度隨頻率變化曲線如圖6所示。其中，圓點為利用采樣值進行校準之后的靈敏度值；曲線為利用圓點表示的樣本值進行3次多項式擬合所得曲線，即校準之后的Impinj_Monza3靈敏度曲線。

從圖4可以看出，利用標簽測試儀測得的芯片靈敏度輕微的依賴于頻率，在800～1 000 MHz頻段內，變化范圍為1 dBm。從圖5和圖6可以看出，通過式(1)校準之后的靈敏度改變范圍稍大，在2個dBm之間。對于NXP_G2XM芯片來說，800～1 000 MHz頻段內，在頻率為860 MHz是芯片的靈敏度最高為-15．9 dBm；而對于Impinj_Monza3芯片為800～1 000 MHz頻段內，在頻率為950 MHz時芯片的靈敏度最高為-15．9 dBm。因此，如果對于測試結果準確性要求不是很嚴格，利用矢量網絡分析儀測試反射系數(shù)Γ時，可以使用同一個能量，測試結果仍然可以保持一定的準確性。

3 誤差分析
NXP芯片和Impinj芯片廠商所給的datasheet僅僅給出芯片在特定溫度下，特定的解調方式和調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，單個芯片測試存在的偏差，NXP和Impinj芯片廠商靈敏度是通過大量的測試取均值所得，本文僅是對于其個別樣片進行了測試；其二，采用矢量網絡分析儀測試芯片反射系數(shù)時，安裝芯片的SMA頭與芯片阻抗不匹配，測得的反射系數(shù)比較大，基本上均超過0．9，對于各個頻點的反射系數(shù)值相差不是很明顯，因此，準確測試反射系數(shù)值對測試結果準確性有重要作用；第三，標簽測試儀上讀取的功耗值，沒有考慮SMA頭的損耗；第四，實際測試與datasheet所給的參考條件并不一致，所以測試結果存在誤差。因此，利用標簽測試儀和矢量網絡分析儀測試芯片靈敏度的方法有效。

4 結語
本文所述靈敏度測試方法，不需要特殊的匹配電路，測試過程簡單方便，可以對一個頻段內的靈敏度變化情況進行測試，測試結果具有一定的準確性。芯片靈敏度隨頻率的變化情況測試對于芯片開發(fā)具有十分重要的意義。