基于網(wǎng)絡(luò)和阻抗分析儀評測13.56MHz RFID標(biāo)簽和閱讀器

RFID，也稱為非接觸 IC 卡或 ID 標(biāo)簽，能夠檢測和識別特定目標(biāo)，而無需與目標(biāo)直接接觸。RFID 20世紀(jì)80年代起就開始使用，最初僅限于海上運(yùn)輸、交通信息系統(tǒng)及其它特殊應(yīng)用。自20世紀(jì)90年代中期以來，RFID體積加速小型化，現(xiàn)已得到了廣泛 使用，并且目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些定義 RFID 頻率、通信方法和目的的標(biāo)準(zhǔn)。本文針對批量生產(chǎn)的13.56MHz RFID標(biāo)簽和閱讀器/記錄器及其元器件，概述了評測其電氣特征的方法。

RFID 概述

圖 1 是一個(gè)簡化的 RFID 系統(tǒng)模型。閱讀器/記錄器中的環(huán)路天線通過電磁耦合與RFID標(biāo)簽中的環(huán)路天線之間進(jìn)行通信；閱讀器/記錄器輸出射頻信號，RFID 標(biāo)簽通過環(huán)路天線來接收該信號。RFID標(biāo)簽檢測集成在IC芯片的檢波器電路的直流信號，來獲得能量并驅(qū)動IC芯片。閱讀器/記錄器和 RFID 標(biāo)簽間的數(shù)據(jù)通信一般使用頻率為13.56 MHz的ASK調(diào)制。

圖1. RFID簡化系統(tǒng)

圖2顯示了一個(gè)典型的卡片式RFID標(biāo)簽制造流程。首先在卡片上通過印刷或其他方式形成環(huán)路天線，隨后將IC 芯片和片狀電容器安置在同一個(gè)卡片上。卡上的電容器也可以通過印刷方式來制作。最后，對該標(biāo)簽進(jìn)行封裝，測試和裝運(yùn)。

圖2. RFID標(biāo)簽的制造過程

圖 3 顯示了一個(gè)完整的 RFID 電路圖。通常來講，RF ID 標(biāo)簽包括一個(gè)L-C-R并聯(lián)電路(其中“L”表示環(huán)路天線，“C”表示片狀電容器，“R”表示 IC 芯片）。RFID 標(biāo)簽的諧振頻率 f0可用公式 1/（2π√LC) 來計(jì)算。如果RFID標(biāo)簽的諧振頻率接近13.56 MHz，表示RFID標(biāo)簽?zāi)軌蚺c閱讀器/記錄器保持良好的通信。驗(yàn)證整個(gè)標(biāo)簽的諧振頻率是否為13.56MHz是非常重要的。

圖3. RFID標(biāo)簽的元件及其等效電路

同時(shí)，驗(yàn)證L和C元器件的特性也有助于提高整個(gè)RFID標(biāo)簽的產(chǎn)量。

另一個(gè)需要考慮的是諧振曲線的尖銳程度 (通信帶寬)，通信帶寬由 IC芯片的R值或環(huán)路天線的寄生電阻R值來確定。

當(dāng)調(diào)制信號帶寬過寬時(shí)，諧振曲線的尖銳程度過高，使通信難以進(jìn)行；而另一方面，諧振的尖銳程度過低又會導(dǎo)致通信距離特征惡化。因此，必須全面地測量完整標(biāo)簽的諧振特征，并且逐步地測量電阻值，才能幫助改善RFID標(biāo)簽的通信性能。

元器件級測量

圖4. 推薦的儀器和附件

RFID標(biāo)簽以及閱讀器/記錄器的射頻部分由基本元器件L、C和R構(gòu)成。4294A阻抗分析儀是測量這些元器件電氣特性的最佳選擇。

如果您不需要阻抗分析儀那么寬的阻抗測量范圍，也可以使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，如配有選件005阻抗分析功能的E5061B-3L5 LF-RF網(wǎng)絡(luò)分析儀。

RFID 標(biāo)簽沒有同軸連接器，其多數(shù)元器件都帶有電極或引腳。因此，把被測RFID標(biāo)簽連接至分析儀需要使用與標(biāo)簽形狀匹配的測試夾具。如果RFID 標(biāo)簽卡上有環(huán)路天線，那么應(yīng)當(dāng)使用探頭將標(biāo)簽連接至分析儀。

圖 5 是一個(gè)對片狀電容器和環(huán)路天線進(jìn)行測量的示例。從這兩個(gè)圖可以看出，片狀電容器和環(huán)路天線的諧振頻點(diǎn)分別為100 MHz和30 MHz(大約值)。

圖5. 測量示例

每個(gè)單獨(dú)的元器件只能在它自己的諧振頻率以下使用。從圖中可以看出，這些元器件在13.56 MHz時(shí)的測量結(jié)果為: C ≈ 204 pF，L ≈ 4.3 uH。這些值決定了標(biāo)簽整體的諧振頻率。

在完成各個(gè)元器件的測試之后，你可以使用探頭對整個(gè)RFID標(biāo)簽及其所有元器件的諧振特征進(jìn)行測量。

圖6. 使用阻抗探頭測量RFID

用非接觸法來測量諧振頻率

如果 RFID 標(biāo)簽已經(jīng)被封裝，就不能使用探頭對其進(jìn)行測試了，這時(shí)您可以采用非接觸法。在使用非接觸法進(jìn)行測量時(shí)，要把RFID標(biāo)簽放在與分析儀連接的環(huán)路天線的前 面。這樣，無需拆卸RFID標(biāo)簽即可測量其諧振頻率。通常使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來進(jìn)行非接觸測量，這時(shí)可以通過查找反射系數(shù) S11的負(fù)峰值或阻抗實(shí)部R的正峰值，來找到諧振頻點(diǎn)。在有些情況下也可以通過S21的測量結(jié)果來查找諧振峰值。

圖 7. 諧振頻率的非接觸測量

源功率高達(dá)+ 20 dBm

RFID標(biāo)簽的諧振特征經(jīng)常隨著環(huán)路天線所傳輸?shù)纳漕l功率而變化，通常要求網(wǎng)絡(luò)分析儀提供將近+20 dBm的源功率(大多數(shù)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析儀無法提供)，E5072A網(wǎng)絡(luò)分析儀是最佳選擇。

E5072A可在300 KHz至1 GHz的頻率范圍內(nèi)提供高達(dá)+20 dBm的源功率，可讓您對 RFID 進(jìn)行大功率 S11 測量和阻抗測量，且無需使用外部放大器。使用阻抗轉(zhuǎn)換功能(Z: 反射)，您不僅能夠測量 S11，還能夠測量阻抗 R-X。在測量 S11或R-X時(shí)，如果源功率設(shè)置高達(dá)+20 dBm，建議在參考和測試接收機(jī)(RCVR R1 IN和RCVR A IN)的直接接入端口處連接一個(gè)6 dB的衰減器，如圖8所示，以保證接收機(jī)始終工作在其線性區(qū)域內(nèi)。在進(jìn)行阻抗測量時(shí)這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)榻邮諜C(jī)壓縮導(dǎo)致的S11測量誤差在轉(zhuǎn)換成阻抗時(shí)會 顯著增加。

圖 8. ENA網(wǎng)絡(luò)分析儀的大功率配置

評測閱讀器/記錄器

圖9是一個(gè)RFID閱讀器/記錄器的簡化電路圖。在閱讀器/記錄器中，功率放大器的阻抗應(yīng)當(dāng)與環(huán)路天線的阻抗匹配，才能向環(huán)路天線高效地傳輸功率。 如果功率放大器的輸出阻抗(Zpa)為 R-jX，則應(yīng)將環(huán)路天線的阻抗(Zin)調(diào)整為R+jX。一個(gè)典型的設(shè)置為:Zpa=Zin=50Ω。

圖9. RFID閱讀器 / 記錄器的簡化電路圖

為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，我們需要調(diào)整C1s和C2p的值。應(yīng)以串行或并行方式將電容器連接至環(huán)路天線，并調(diào)整其電容值以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。在測量和調(diào)整電容器的電容值時(shí)，通常可以使用分析儀或仿真器程序的史密斯圓圖模式。

如果分析儀里沒有您想要的分析功能，您還可以使用價(jià)格低廉的軟件仿真程序Genesys Core。把測量結(jié)果轉(zhuǎn)移到PC上的Genesys Core軟件，就可以輕松地對測量結(jié)果進(jìn)行各種分析。例如，4294A阻抗分析儀不能顯示史密斯圓圖，但您可以把測量結(jié)果傳輸至Genesys Core軟件來生成一個(gè)圓圖。

圖10. 使用Genesys進(jìn)行集成設(shè)計(jì)

例如，假設(shè)在電路不匹配的情況下，使用分析儀測量環(huán)路天線的特征?？蓪y量結(jié)果傳輸至Genesys，以仿真環(huán)路天線與特定匹配電路連接時(shí)的特性。 仿真程序可讓您估算在各種可能的電路配置下的環(huán)路天線特征，而無需重復(fù)搭建實(shí)際電路。結(jié)合阻抗分析儀和Genesys，您還能對RFID標(biāo)簽和閱讀器/記 錄器的電氣特性進(jìn)行多種分析。

圖 11. 使用 Genesys 進(jìn)行匹配電路仿真

選型指南匯總

表1 為RFID應(yīng)用和推薦產(chǎn)品型號的匯總