标签纱天线的阻抗测试及其准确性评价

张 勇， 孟粉叶， 童 杨， 胡吉永， 晏 雄， 孙宝忠

（1.东华大学纺织学院，上海 201620；2.嘉兴职业技术学院时尚设计学院，浙江嘉兴 314036）

0 引 言

法向模螺旋偶极子型超高频射频识别（ultra-high frequency radio frequency identification，UHF RFID）标签纱［1-2］具有良好的隐蔽性、拉伸性以及小的轴向尺寸，是无线可穿戴领域的优选。准确测量标签纱的天线阻抗对标签的结构设计具有重要意义。标签纱的天线是一种结构不匀的柔性平衡天线［3］，当前还没有专用于测试其阻抗的标准方法，只能参照硬质基底天线阻抗的测试方法［4-5］。对于硬质基底天线，其阻抗的常用测试分为：巴伦法［6-8］、镜像法［9-10］、差分法［11］3 种方法。其中差分法因适用于非对称天线、无需制备巴伦和匹配电路，最适合用于测试法向模螺旋偶极子型UHF RFID标签纱的天线阻抗。

由于硬质基底天线与测试夹具间易于实现稳定可靠的电气连接，因此现有研究常通过改进校准方式提高标签天线阻抗测试的准确性［8］。然而，法向模螺旋偶极子型UHF RFID标签纱的天线具有尺寸小（导体半径小于0.15 mm［1-2］）、轴向和径向都易变形的特点。因此，在利用差分法对天线阻抗进行测试时，天线的几何形态、电长度［4］以及天线与差分夹具间接触面积和接触电阻都易发生改变，进而影响阻抗测试的准确性和再现性。

本文采用绝缘胶固定天线，辅以三维微调平台，稳定天线形态和位置；在经典差分夹具内导体末端增加圆形触垫，使差分夹具与天线间的接触面积保持稳定；通过系列控制因素实验，确定影响阻抗测试结果的实验因素，制定实现天线阻抗准确、重复测量的规范化程序。

1 阻抗的测试原理

本文以螺距为1 mm，螺旋半径为0.615 mm，单臂轴长为43 mm，芯片为Alien-Higgs 3 的法向模螺旋偶极子型UHF RFID 标签纱［5］的天线阻抗测试为例，开展了系列控制因素实验探究了差分夹具的特性阻抗、天线与差分夹具间压强P（常通过差分夹具的下降距离DD调节）、天线的弯曲曲率K、阻抗的测试位置与实际馈电点间距离TD对阻抗测试结果的影响。其中天线样品如图1 所示。

图1 天线样品

差分法［11］的一般测试过程如图2 所示。在差分夹具端口中间创建虚拟接地面，从而在天线馈电点处输出差分电流；再通过S参数（S11、S12、S21和S22）换算获得天线阻抗。S11表示端口2 匹配时，端口1 的反射系数；S12表示端口1 匹配时，端口2 到端口1 的反射系数；S21表示端口2 匹配时，端口1 到端口2 的反射系数；S22表示端口1 匹配时，端口2 的反射系数。

图2 差分法

本文以矢量网络分析仪恰好出现稳定波形作为电参数测试的参考面。为保证良好接触，通过调节三维微调平台（Cindbest CB-40-T），使天线与差分夹具的接触面为电参数参考面下方1.0 mm 处。在测试过程中，天线的测试位置为图1 中的a-a′点，即实际的天线馈电点。为保证天线始终处于伸直状态，天线用绝缘胶带固定。

本文以天线阻抗Z、回波损耗（Return Loss，RL）和谐振频率f 作为特征参数，评价阻抗测试的准确性。RL满足［5］

Zre为天线的电阻，Zim为天线的电抗。谐振频率f为RL最小值所对应的频率。Zc为芯片的阻抗。根据常见商用芯片Alien Higgs-3 的阻抗可知，当工作频率为915 MHz时，Zc=27.38 -j200.76 Ω［5］。

2 试验方法与结果分析

2.1 矢量网络分析仪的校准

本文采用全双端口校准法（Short-Open-Load-Thur，SOLT）和校准装置（KEYSIGHT 85032E）在校准平面A-A′处（见图2）对矢量网络分析仪（E5071C）进行校准［12］；根据已有的差分夹具结构［11］，采用短路延伸的方式将校准面A-A′延伸到B-B′处。短路延伸时所用的差分夹具1（见图3）由10 cm长的086-50 半柔性同轴电缆制成，内外导体采用锡焊方式连接。

图3 差分夹具

2.2 影响因素

（1）差分夹具的阻抗。为了在测试过程中实现细导体半径的法向模螺旋偶极子天线与差分夹具2（见图3）内导体间稳定可靠的连接，在差分夹具2 的内导体末端锡焊圆形触垫（触垫半径φ 2.5 mm）。为了探究改进后的差分夹具2 的特性阻抗是否等于50 Ω，分别采用超小型版本A接口（SubMiniature version A connector，SMA）和差分夹具2 作为连接同轴馈线和天线的器件，对天线S参数进行表征，其测试过程如图4所示。此外，为了实现天线与差分夹具2 间良好的电气连接，排除测试人员、天线变形等对测试结果的影响，用硬质的贴片天线代替法向模螺旋偶极子型UHF RFID标签纱的天线作为待测天线，其结构见图4（a）。

图4 采用不同测试夹具测试天线阻抗

（2）天线与差分夹具间压强。将图4（a）中待测天线换成实际样品（见图1），探究差分夹具2 与天线间的压强p对阻抗测试结果的影响。在实际测试过程中，压强常通过改变差分夹具2 的下降距离DD实现。其中，三维微调平台的旋钮转一圈，差分夹具2 上升或下降0.5 mm。首先，转动三维微调平台的旋钮，将差分夹具2 的圆形触垫与聚苯乙烯泡沫恰好接触，即压力传感器示数恰好为0 时的位置，作为压强测试时的参考面。显然，压强测试时的参考面与电参数测试时的参考面处于同一位置；其次，基于压力测试时的参考面，继续旋转旋钮，测试圆形触垫下降0 ～ 2.5 mm（步长0.5 mm）时，压力传感器受到的力；最后，通过调节三维微调平台，测试了天线与差分夹具2 的接触面比电参数测试时的参考面低0 ～2.5 mm（步长0.5 mm）时天线的阻抗。

（3）天线的弯曲曲率。将法向模螺旋偶极子型UHF RFID标签纱的天线分别弯曲成曲率K 为0 ～0.07/mm 的圆弧（步长为0.01/mm），如图5 所示。其中，当K=0.07/mm时，天线弯曲成一个圆环。

图5 不同弯曲状态下的天线阻抗测试

（4）阻抗的测试位置与实际馈电点间距离。天线的实际馈电点a-a′与其末端c-c′的间距为1.0 cm（见图1）。本文分别表征了阻抗的测试位置与实际馈电点间距离TD为0、0.5 和1.0 cm时天线的阻抗，即测试位置分别为a-a′、b-b′和c-c′时天线的阻抗。

（5）因素分析。进一步通过3 因素3 水平正交实验对比了DD、K 和TD 对阻抗测试的影响，选用正交表L9（34）安排实验［13-15］。水平表和正交实验表分别列于表1 和表2。

表1 因素水平表

表2 正交实验表

2.3 结果与分析

（1）差分夹具的阻抗。图6 所示为采用差分夹具2 和SMA 接口测得的天线RL 曲线。由图可知，采用不同方式测得的RL 曲线相互接近，测得的f 分别为0.965 和0.963 GHz，二者间的差异仅为2 MHz。显然，只有当差分夹具2 的特性阻抗与SMA接口的特性阻抗接近时，采用这2 种测试夹具测得的RL才能相互接近。此外，SMA 接口的特性阻抗为50 Ω。因此，差分夹具2 的特性阻抗接近于50 Ω，在差分夹具2 的内导体末端引入圆形触垫不会影响夹具的特性阻抗。

图6 夹具类型对测试结果的影响

（2）天线与差分夹具间压强。图7 所示为在三维微调平台下降的过程中，测得的p、RL 和Z。由图7（a）可知，天线与差分夹具间压强p 随三维微调平台的下降而增加。由图7（b）可知，所有的天线RL 曲线几乎重合。特别的，在不同DD时，测得的天线f 都等于0.924 GHz。天线被绝缘胶带固定，在测试过程中天线结构的变形可忽略。此外，由于差分夹具2 内导体末端的圆形触垫具有较大的横截面积（19.6 mm2），在控制三维微调平台下降的过程中，虽然圆形触垫和天线间压强增加，但是刚性的圆形触垫和天线导体间始终能保持稳定的接触面积，即天线和差分夹具2 间始终保持良好且稳定的电气连接，因此增加天线与差分夹具2 间压强对f 的测试结果无影响。由图7（c）可知，天线的阻抗曲线彼此接近，图中Zre-DD和Zim-DD分别表示当差分夹具的下降距离为DD 时，天线的电阻和电抗。

图7 DD对测试结果的影响

（3）天线的弯曲曲率。图8 所示为在天线不同弯曲程度下测得的RL、f 和Z。由图8（a）可知，随着弯曲曲率K的增加，天线的RL呈上升趋势，芯片与天线间阻抗匹配程度下降。由图8（b）可知，天线的f先在0.923 GHz附近震荡波动，而后快速减小。其中，RL曲线拐点A 和B 的坐标分别为（0.924，-30.21）和（0.891，-18.62）。即当K=0 时，f=0.924 GHz；当K=0.07/mm，f骤降至0.891 GHz。该现象可通过弯曲变形对天线阻抗的影响规律进行解释［见图8（c）和（d）］。当频率小于1 GHz 时，随着弯曲程度的增加，天线电阻不变，天线电抗增加。因此，弯曲对f的影响主要取决于天线的电抗。进一步的，当曲率K 较小时（＜0.4/mm），弯曲对相邻环间的电感影响小，天线电抗变化小，即弯曲对f 影响小。当曲率为0.07/mm时，天线围成一个圆环，其结构发生了实质性改变，因此f发生突变。综上，在测试过程中需保证天线呈伸直状态，尤其是不能局部或整体弯曲成环。

图8 K对测试结果的影响

（4）阻抗的测试位置与实际馈电点间距离。图9所示为不同TD 时，测得的天线RL 和Z。在图9（a）中，RL 曲线拐点C、D 和E 位置分别为（0.924，-30.21）、（0.905，-36.78）和（0.872，- 28.70）。因此，当TD分别为0、0.5 和1.0 cm时，即测试位置分别为a-a′、b-b′和c-c′时，测得的f 分别为0.924、0.905和0.872 GHz。显然，随着阻抗的测试位置和实际馈电点间距离TD 的增加，f 向低频偏移，偏移量达52 MHz，远超过中国超高频的带宽（5 MHz）［5］。这种现象可通过天线阻抗Z随TD的变化规律进行解释。由图9（b）可知，Zre-x-x′表示测试位置为x-x′时天线的电阻，Zim-x-x′表示测试位置为x-x′时天线的电抗（x-x′为图1 中的a-a′，b-b′或c-c′）。随着TD 的增加，天线的电抗呈上升趋势，因此f减小。在另一方面，法向模螺旋偶极子天线可看成是直线偶极子天线的衍生，当螺旋半径和螺距分别等于零和无穷大时两者等价。直线偶极子天线的f随着天线电长度的增加而减小；法向模螺旋偶极子天线的电长度随着TD 的增加而增加。因此，测得的f 呈减小趋势。在测试标签天线的阻抗时，实验人员需将天线实际馈电点与差分夹具2 内导体接触。

图9 TD对测试结果的影响

（5）因素分析。根据极差分析，表2 中的极差为一列中ki的最大值与最小值之差。3 个因素的作用主次顺序为：K ＞TD ＞p（或DD）。由于弯曲，尤其是弯曲成环，对天线结构的影响最显著，因此弯曲对f的影响最显著。

根据阻抗测试方法的影响规律，以采用矢量网络分析仪E5071C测试天线阻抗为例，本文提出一种柔性天线阻抗测试的规范化测试程序，具体为：①开机预热矢量网络分析仪15 min；②采用SOLT 法对2 端口进行校准，在校准面A-A′处对测试设备进行校准，利用矢量网络分析仪中的自动端口延伸功能和差分夹具1，将校准面延伸到B-B′处；③连接同轴馈线、三维微调平台和差分夹具2；④将待测天线用绝缘胶固定在三维微调平台；⑤转动平台运动旋钮，在水平面内移动差分夹具2，使得差分夹具2 的圆形触垫正对于待测天线的a-a′；⑥转动平台运动旋钮，控制差分夹具2 垂直下降，实现差分夹具2 与待测天线接触压强不超过0.5 kPa，即矢量网络分析仪显示稳定的电信号；⑦继续转动旋钮，使得差分夹具2 与天线间压强达到5.5 kPa，矢量网络分析仪输出稳定的S 参数信号；⑧记录与50 Ω匹配的S参数，采用表达式（1）和（2）计算天线阻抗和芯片与天线间的匹配程度，即RL。

为证明上述操作方法测得的阻抗结果具有再现性，在阅读上述操作程序后实验人员A′、B′和C′分别测试了同一天线的RL，测试结果如图10 所示。3 位实验人员测得的RL 和f 都彼此接近，f 的差异仅为3 MHz。该结果说明上述方法能实现天线阻抗的稳定、快速和再现测试。

图10 不同实验人员测得的RL

3 结 语

本文通过分析测试过程及夹具特征，确定影响阻抗测试结果的基本实验因素及一般影响规律，进一步提出并验证了一种规范化测试程序。结果表明，在差分夹具末端增加圆形触垫有利于提高天线与夹具间接触的稳定性。天线弯曲对阻抗测试结果的准确性影响最显著，当K=0.07/mm 时，f 发生突变；当天线与差分夹具间已实现良好接触时，继续增加p，f不变，恒为0.924 GHz；随着TD的增加，测得的f 呈下降趋势，最高下降量达52 MHz。此外，通过实测证明，利用本研究提出的规范化测试程序，不同实验人员测得的f 差异仅为3 MHz。

本文实现了标签纱天线阻抗的准确、快速和可再现测量，为设计和制备射频性能优异的柔性纺织标签提供了评价标准工具。