CC BY
2
УДК 621.317.757
И. В. Эпов1'2, А. Ю. Резник1, А. С. Соболев1
1 Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
2 АО НИИМЭ
Метод измерения частоты максимального согласования радиочастотной метки с помощью векторного анализатора цепей и разработанных калибровочных и измерительных плат
Разработаны калибровочные и измерительная платы, выполненные в виде специальной микрополосковой линии передач, волновое сопротивление которой составляет 50 Ом. Каждая плата имеет соединение с гнездом «SMA-female» (сопротивление 50 Ом) для возможности подключения к измерительному устройству. Калибровочные платы представлены в трех видах: в первой плате электрическое соединение между проводниками линии передач отсутствует (режим холостого хода), во второй плате проводники линии передач на ее конце соединены проводящей полоской из меди методом пайки (режим короткого замыкания), в последнем случае электроды соединяются через резистор номиналом 50 Ом (режим нагрузки). Измерительная плата рассчитана на подключение к измерительному устройству, например, к векторному анализатору цепей. Предлагаемая конструкция плат может быть применима для измерения входного импеданса антенн различных форм или RFID-чипов с помощью векторного анализатора цепей.
Ключевые слова: радиочастотная метка, частота максимального согласования радиочастотной метки, импеданс, векторный анализатор цепей, измерительная плата, опорная плоскость
1'2 1 1
1
1'2JSC MERI
Method for measuring the resonant frequency of an RFID tag using a vector network analyzer and developed calibration and measuring boards
Calibration and measuring boards, made in the form of a special microstrip transmission line, have been developed. A wave resistance of the line is 50 Ohm. Each board has a connection to the «SMA-female» socket (50 Ohm resistance) for connection to the measuring device. Calibration boards are presented in three types: in the first board, there is no electrical connection between the transmission line conductors (open type), in the second board, the transmission line conductors at its end are connected by a conductive strip of copper by soldering (short type), in the last case, the electrodes are connected via a 50 Ohm resistor (load type). The measuring board is designed to be connected to the measuring device, for example, to a vector circuit analyzer. The proposed design of the boards can be used to measure the input impedance of antennas of various shapes or RFID chips using a vector circuit analyzer.
Key words: Radio Frequency Identification - RFID, RFID-tag's resonant frequency, impedance, vector network analyzer, measuring board, reference plane.
© Эпов И. В., Резник А. Ю., Соболев А. С., 2024
(с) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2024
1. Введение
Радиочастотная идентификация (Radio Frequency IDentification или сокращенно RFID) — технология, позволяющая удаленно идентифицировать промаркированные RFID-меткой различные объекты посредством обмена радиосигналами между радиометкой и считывателем (или ридером). В общем случае RFID-метка прикрепляется к поверхности объекта, который необходимо идентифицировать, и далее информация от нее считывается ридером, с которым уже непосредственно взаимодействует пользователь.
Конструкция RFID-метки состоит из антенны и микросхемы. Антенна принимает радиочастотный сигнал от считывателя, преобразуя его в электрический ток, который поступает на микросхему и запитывает ее, что позволяет микросхеме сформировать ответ считывателю на его запрос. Микросхема отвечает за хранение индивидуальных данных радиометки (имя, номер и т.д.) и их передачу к считывателю. Большинство готовых решений из представленных RFID-меток работают в двух диапазонах частот: HF (13.56 МГц) и UHF-диапазонах (867-920 МГц) [1].
Основными параметрами RFID-метки являются ее дальность считывания и частота максимального согласования (далее ЧМС). Дальность считывания (максимальная дальность считывания) радиометки - максимальное расстояние между меткой и считывателем, при котором возможна идентификация радиометки. ЧМС — это частота радиосигнала, при котором достигается наибольшая дальность считывания радиометки. Оба параметра зависят от конфигурации радиометки и считывателя, а именно от таких величин как: выходная мощность сигнала ридера, коэффициент усиления антенны ридера, согласования между микросхемой и антенной радиометки и многих других переменных.
Стоит отметить различие в определениях резонансной частоты для RFID-метки и антенны, как излучающего устройства. В первом случае ЧМС определяется согласованием микросхемы и антенны, образующих вместе колебательный контур. Во втором случае резонансная частота определяется характеристикой входного импеданса антенны: при резонансе импеданс становится действительным, а вне резонанса в нем появляется индуктивная составляющая [2].
Актуальность работы заключается в том, что для RFID-антенн и микросхем отсутствуют разъемы, к которым есть возможность подключиться и измерить импеданс. В работе предложен и рассмотрен метод определения частоты максимального согласования RFID-метки с помощью векторного анализатора цепей и разработанных измерительных плат, предназначенных для измерения импеданса RFID-чипа или антенны RFID-метки. Применяя данный метод, можно создавать различные топологии RFID-меток, заранее определяя их ЧМС в широком диапазоне. Преимуществом данного метода является возможность исследования RFID-меток с помощью общедоступных векторных анализаторов цепей и предложенных конструкций калибровочных и измерительной плат без использования специального оборудования, например «Vovantic Tagformance Pro».
2. Основные параметры RFID-метки
Как было ранее упомянуто, основными параметрами RFID-метки являются ее дальность считывания и ЧМС. Дальность считывания RFID-метки, находящейся в свободном пространстве, можно оценить с помощью формулы Фрииса [3], [4]:
где Л — длина волны радиосигнала, Рг — мощность, поступающая на антенну считывателя, Р^ — минимальная мощность, необходимая микросхеме для работы, Сг — коэффициент усиления антенны считывателя, Са — коэффициент усиления антенны РИО-метки, т — коэффициент согласования между микросхемой и антенной радиометки (коэффициент передачи мощности), который меньше или равен единице.
(1)
Для определения коэффициента согласования между микросхемой и антенной КИБ-метки последнюю рассматривают в виде последовательного Г1ЬС-контура (рис. 1), в котором микросхема представлена в виде емкости и резистора, а антенна - в виде индуктивности и резистора.
Антенна Микросхема
/й Ис
С / с
\ \у) Уэп'
Рис. 1. Изображение эквивалентной схемы ИРГО-метки с микросхемой и антенной [3]
Обе части ПРГО-метки имеют собственный импеданс:
= ЯС + зХс = ЯС - (2)
^ = Яь + ]ХЬ = + зшЬ, (3)
где С — емкость микросхемы, Ь — индуктивность антенны, и — круговая частота радиосигнала. В таком случае коэффициент согласования определяется как отношение мощности, поступающей от антенны радиометки к микросхеме, к ее максимальному значению по следующей формуле [3]:
= 4 Яс Яь =_4 Яс Яь__. ,
г + ^|2 (Яс + Яь)2 + (Хс + хь)2 • {)
Из данной формулы следует, что в случае, когда мнимые части импедансов микросхемы и антенны ИЕШ-метки равны друг другу по модулю и противоположны по знаку, то при постоянных значениях действительных частей величина коэффициента передачи мощности т достигает максимума при данных условиях. Если данные импедансы являются комплексно-сопряженными, то значение параметра г равно единице, и достигается максимально возможная дальность считывания КИБ-метки. В таком случае говорят, что достигается полное согласование между антенной и микросхемой. ЧМС согласно (1) - (4) определяется согласованием реактивных частей импедансов и может быть оценена с помощью формулы Томпсона.
В действительности очень редко удается добиться случая, когда на необходимой частоте импедансы микросхемы и антенны будут комплексно-сопряжены. Во многих Г1ЕГО-метках необходимая ЧМС и дальность считывания определяются лишь согласованием реактивных частей импедансов. Что касается активных частей импедансов, то разработчики стараются добиться ситуации, когда на полученной ЧМС они будут принимать не равные, но хотя бы близкие значения. Очевидно, что при этом наибольшее значение коэффициента передачи мощности будет меньше единицы, и максимально возможная дальность считывания не будет достигнута. В данной работе предлагается метод определения ЧМС Г1ЕГО-метки, исходя из результатов измерения импедансов микросхемы и антенны с помощью векторного анализатора цепей и разработанных плат и последующего расчета ЧМС радиометки.
3. Применение векторного анализатора цепей для измерения импеданса исследуемого устройства
При выполнении работы использовался векторный анализатор цепей «Обзор ТШ300/1» с диапазоном рабочих частот от 0.3 до 1300 МГц, который в однопортовом режиме работы подает на выходной порт испытательный сигнал на заданной частоте, а затем измеряет амплитуду и фазу отраженного от порта сигнала. К выходному порту с помощью коаксиального кабеля подключается измерительная плата, к которой методом пайки подключено исследуемое устройство. В данном режиме работы с помощью векторного анализатора можно определить входной импеданс антенны или микросхемы на нужной частоте, используя соотношение между коэффициентом отражения и импедансом нагрузки:
Г =
Zi - Zp Zl + Zq
(6)
где Zl — импеданс подключенного ус тройства, Zo — опорный импеданс векторного анализатора, равный 50 Ом. Визуально на экране компьютера, на котором установлена программа управления анализатором, результат измерения появляется в виде диаграммы Вольперта -Смита, которая предназначена для определения импеданса нагрузки в линии по значениям коэффициента бегущей волны. Для работы используется коаксиальный кабель с разъемами М-та1е и 8МА-та1е длиной 1 м и волновым сопротивлением 50 Ом, потери сигнала которого не превышают 0.15 дБ. Для корректных измерений импеданса устройства и уменьшения погрешностей всей измерительной системы перед работой необходимо произвести калибровку векторного анализатора с помощью разработанных калибровочных и измерительной плат. В данном случае разработанная оснастка (калибровочные и измерительная платы) сдвигает опорную плоскость векторного анализатора к точкам подключения КИБ-чипа или антенны (рис. 2).
Рис. 2. Изображение схемы подключения разработанной оснастки к исследуемой антенне и векторному анализатору цепей через коаксиальный кабель
Измерительная и калибровочные платы сделаны в виде специальной микрополосковой линии передач (рис. 3), которая имеет волновое сопротивление 50 Ом и соединена с гнездом «SMA-female» (сопротивление 50 Ом) методом пайки. В качестве диэлектрика использовался материал «Arlon AD255C» толщиной 2.032 мм с диэлектрической проницаемостью 2.55. Электроды выполнены из меди и имеют толщину 18 мкр. Ширина верхнего электрода составляет 5.7 мм, а нижнего - 50 мм. Волновое сопротивление данной структуры согласно модели Хаммерстада - Дженсена [5] составляет 50 Ом.
Приведенная здесь конструкция измерительной платы позволяет методом пайки соединить ее с большим числом различных вариантов исследуемых антенн. Также имеется возможность использования данной конструкции платы для измерения импеданса микросхемы в корпусе, выводы которой находятся на расстоянии около 2 мм, например, для корпуса SOT 143.
Ключевым недостатком предлагаемой оснастки является несбалансированность разработанной линии передач. Микрополосковая линия передач в своей конструкции имеет проводники, отличающиеся друг от друга погонным сопротивлением и размерами, что приводит к наличию посторонних шумов в самой линии и взаимодействию линии с подключенным исследуемым устройством. Данные помехи приводят к искажению результатов измерений импеданса исследуемого устройства. Ключевым допущением предлагаемой работы является пренебрежение влиянием упомянутых шумов на точность определения ЧМС ИРГО-метки с помощью измерения импеданса ее антенны и микросхемы.
Калибровочные платы были выполнены в трех экземплярах: первая - для режима «холостой ход», где замыкание между электродами отсутствует; вторая - для режима «короткое замыкание», где на конце линии передач электроды соединяются проводящей полоской из меди методом пайки; и для режима «нагрузка», где на конце линии методом пайки электроды соединяются через резистор номиналом 50 Ом.
Рис. 3. Изображение разработанных плат: а) калибровочная плата для режима «холостой ход», б) калибровочная плата для режима «короткое замыкание», в) калибровочная плата для режима «нагрузка», г) измерительная плата
После калибровки векторного анализатора с помощью разработанных калибровочных плат к нему подключается измерительная плата вместе с исследуемым устройством. В данной работе такими устройствами являются антенна или микросхема RFID-метки.
4. Методика определения рабочей частоты RFID-метки
Для проведения измерений использовалась экспериментальная радиометка UHF диапазона частот, антенна которой имеет рамочную форму, внутри которой находится диэлектрик - полиэтилен высокого давления с диэлектрической проницаемостью 2.2. В качестве микросхемы был выбран микрочип MIK601 в корпусе SOT 143 (рис. 4).
а) л Ь)
Рис. 4. Изображение экспериментальной RFID-метки
В первую очередь было проведено измерение дальности считывания данной радиометки в безэховой камере с помощью специального прибора «Voyantic Tagformance Pro», работающего в диапазоне частот от 800 до 1000 МГц. Результаты измерения представлены на рис. 5. Данный прибор-считыватель постепенно уменьшает с помощью аттенюатора мощность сигнала с заданной частотой, поступающую на антенну прибора, затем регистрирует ее минимальное значение, при котором все еще возможно считывание метки и далее, сравнивая ее с калибровочным значением, с помощью (1) рассчитывает теоретическое значение дальности считывания метки на заданной частоте.
Рис. 5. График зависимости дальности считывания экспериментальной метки от частоты
Из графика видно, что экспериментальная радиометка достигает максимальной дальности считывания 1.2 метра на частоте, равной 810 МГц, причем данное значение дальности практически сохраняется в диапазоне частот от 810 до 820 МГц. Для определения ЧМС представленной радиометки с помощью векторного анализатора на выбранных частотах сначала был измерен импеданс антенны, а затем - микросхемы. Изображение измерительной платы с припаянной антенной в точках, где к последней подключается микрочип, представлено на рис. 6. Аналогичным образом к измерительной плате присоединяется микросхема (рис. 7).
Рис. 7. Изображение измерительной платы, Рис. 6. Изображение измерительной платы, к которой присоединена микросхема MIK601 к которой присоединена антенна в корпусе SOT 143
Так как ЧМС должна иметь значение (рис. 5), близкое к диапазону 810-820 МГц (т.к. в данном диапазоне дальность считывания имеет максимальное значение), то в качестве точек измерения значений импедансов предлагаются следующие значения: 800, 810, 820, 867, 900, 1000 МГц. Результат измерений импеданса антенны радиометки с помощью векторного анализатора показан в виде графика на рис. 8. Аналогичный результат для микросхемы MIK 601 представлен на рис. 9. Для наглядности все полученные результаты продублированы в табл. 1. К измерениям также добавлены рассчитанные по формуле (4) значения коэффициента передачи мощности для каждой измеренной частоты.
Наилучшее совпадение мнимых частей импедансов микросхемы и антенны RFID-метки
SSI
___
800 825
875 900 925
Частота, МГц
975 1000
Рис. 8. Изображение измерительной платы, к которой присоединена антенна
Рис. 9. Изображение измерительной платы, к которой присоединена микросхема MIK601 в корпусе SOT 143
по модулю достигается па частоте 810 МГц (табл. 1).
Таблица 1
Результаты измерений импедансов антенны и микросхемы радиометки
f, МГц Re(Za), Ом Im(Za), Ом Re(Zc), Ом Im(Zc), Ом Коэффициент передачи мощности
800 2.3 39.5 2.6 -40.7 0.94
810 2.4 40.4 2.6 -40.1 0.99
820 2.4 40.7 2.6 -39.5 0.94
867 2.6 43.4 2.4 -36.9 0.37
900 2.8 45.6 2.3 -35.2 0.19
1000 3.5 52.6 2.1 -30.7 0.06
Для данной радиометки, исходя из (5), эта частота будет являться частотой максимального согласования, что хорошо согласовывается с (1) и результатом измерения дальности считывания метки с помощью считывателя Voyantic Tagformance Pro (рис. 5). Также данный результат позволяет говорить о справедливости предложенного допущения о пренебрежении влиянием посторонних шумов в разработанной оснастке, вызванной ее несбалансированностью.
5. Заключение
Разработана оснастка в виде калибровочных и измерительной плат, выполненных в виде микрополосковой линии передач. Калибровочные платы настроены па режимы холостого хода, короткого замыкания и нагрузки (50 Ом). Измерительная плата предназначена для подключения к исследуемому устройству - антенне КРШ-метки или микросхемы. Предлагаемая оснастка имеет возможность подключения к векторному анализатору цепей через коаксиальный кабель для последующего измерения импеданса устройства.
В работе представлено возможное применение оснастки для определения частоты максимального согласования ИЕШ-метки. Полученные результаты показали, что проводимые с помощью разработанных плат измерения частоты максимального согласования обладают высокой точностью.
Список литературы
1. Rao К. V.S., Nikitin P. V., Lam S.F. Antenna design for UHF RFID tags: A review and a practical application // IEEE Transactions on antennas and propagation. 2005. V. 53, N 12. P. 3870-3876.
2. Ротхаммелъ К., Кришке А. Антенны. Учебное пособие. Том 1. ДМ К Пресс, 2009.
3. Yeoman M.S., O'neiM М.А. Impedance matching of tag antenna to maximize RFID read ranges k, design optimization // 2014 COMSOL Conference, Cambridge, UK. 2014.
4. Апдрепко A.C. [и др.]. Согласование антенны тэга с микрочипом для систем радиочастотной идентификации // Журнал радиоэлектроники. 2007. № 12.
5. Hammerstad Е., Jensen О. Accurate models for microstrip computer-aided design // 1980 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. IEEE. 1980. P. 407-409.
References
1. Rao K.V.S., Nikitin P.V., Lam S.F. Antenna design for UHF RFID tags: A review and a practical application. IEEE Transactions on antennas and propagation. 2005. V. 53, N 12. P. 3870-3876.
2. Rothammel K., Krischke A. Antennas. Study guide. Volume 1. DMK Press, 2009. (in Russian).
3. Yeoman M.S., O'neill M.A. Impedance matching of tag antenna to maximize RFID read ranges k, design optimization. 2014 COMSOL Conference, Cambridge, UK. 2014.
4. Andreenko A.S., et al, Matching the tag antenna with a microchip for radio frequency identification systems. Journal of Radio Electronics. 2007. N 12. (in Russian).
5. Hammerstad E., Jensen O. Accurate models for microstrip computer-aided design. 1980 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. IEEE. 1980. P. 407-409.
Пост,упила в редакцию 22.11.2023
