標簽紗天線的阻抗測試及其準確性評價

張 勇， 孟粉葉， 童 楊， 胡吉永， 晏 雄， 孫寶忠

（1.東華大學紡織學院，上海 201620；2.嘉興職業技術學院時尚設計學院，浙江嘉興 314036）

0 引 言

法向模螺旋偶極子型超高頻射頻識別（ultra-high frequency radio frequency identification，UHF RFID）標簽紗［1-2］具有良好的隱蔽性、拉伸性以及小的軸向尺寸，是無線可穿戴領域的優選。準確測量標簽紗的天線阻抗對標簽的結構設計具有重要意義。標簽紗的天線是一種結構不勻的柔性平衡天線［3］，當前還沒有專用于測試其阻抗的標準方法，只能參照硬質基底天線阻抗的測試方法［4-5］。對于硬質基底天線，其阻抗的常用測試分為：巴倫法［6-8］、鏡像法［9-10］、差分法［11］3 種方法。其中差分法因適用于非對稱天線、無需制備巴倫和匹配電路，最適合用于測試法向模螺旋偶極子型UHF RFID標簽紗的天線阻抗。

由于硬質基底天線與測試夾具間易于實現穩定可靠的電氣連接，因此現有研究常通過改進校準方式提高標簽天線阻抗測試的準確性［8］。然而，法向模螺旋偶極子型UHF RFID標簽紗的天線具有尺寸小（導體半徑小于0.15 mm［1-2］）、軸向和徑向都易變形的特點。因此，在利用差分法對天線阻抗進行測試時，天線的幾何形態、電長度［4］以及天線與差分夾具間接觸面積和接觸電阻都易發生改變，進而影響阻抗測試的準確性和再現性。

本文采用絕緣膠固定天線，輔以三維微調平臺，穩定天線形態和位置；在經典差分夾具內導體末端增加圓形觸墊，使差分夾具與天線間的接觸面積保持穩定；通過系列控制因素實驗，確定影響阻抗測試結果的實驗因素，制定實現天線阻抗準確、重復測量的規范化程序。

1 阻抗的測試原理

本文以螺距為1 mm，螺旋半徑為0.615 mm，單臂軸長為43 mm，芯片為Alien-Higgs 3 的法向模螺旋偶極子型UHF RFID 標簽紗［5］的天線阻抗測試為例，開展了系列控制因素實驗探究了差分夾具的特性阻抗、天線與差分夾具間壓強P（常通過差分夾具的下降距離DD調節）、天線的彎曲曲率K、阻抗的測試位置與實際饋電點間距離TD對阻抗測試結果的影響。其中天線樣品如圖1 所示。

圖1 天線樣品

差分法［11］的一般測試過程如圖2 所示。在差分夾具端口中間創建虛擬接地面，從而在天線饋電點處輸出差分電流；再通過S參數（S11、S12、S21和S22）換算獲得天線阻抗。S11表示端口2 匹配時，端口1 的反射系數；S12表示端口1 匹配時，端口2 到端口1 的反射系數；S21表示端口2 匹配時，端口1 到端口2 的反射系數；S22表示端口1 匹配時，端口2 的反射系數。

圖2 差分法

本文以矢量網絡分析儀恰好出現穩定波形作為電參數測試的參考面。為保證良好接觸，通過調節三維微調平臺（Cindbest CB-40-T），使天線與差分夾具的接觸面為電參數參考面下方1.0 mm 處。在測試過程中，天線的測試位置為圖1 中的a-a′點，即實際的天線饋電點。為保證天線始終處于伸直狀態，天線用絕緣膠帶固定。

本文以天線阻抗Z、回波損耗（Return Loss，RL）和諧振頻率f 作為特征參數，評價阻抗測試的準確性。RL滿足［5］

Zre為天線的電阻，Zim為天線的電抗。諧振頻率f為RL最小值所對應的頻率。Zc為芯片的阻抗。根據常見商用芯片Alien Higgs-3 的阻抗可知，當工作頻率為915 MHz時，Zc=27.38 -j200.76 Ω［5］。

2 試驗方法與結果分析

2.1 矢量網絡分析儀的校準

本文采用全雙端口校準法（Short-Open-Load-Thur，SOLT）和校準裝置（KEYSIGHT 85032E）在校準平面A-A′處（見圖2）對矢量網絡分析儀（E5071C）進行校準［12］；根據已有的差分夾具結構［11］，采用短路延伸的方式將校準面A-A′延伸到B-B′處。短路延伸時所用的差分夾具1（見圖3）由10 cm長的086-50 半柔性同軸電纜制成，內外導體采用錫焊方式連接。

圖3 差分夾具

2.2 影響因素

（1）差分夾具的阻抗。為了在測試過程中實現細導體半徑的法向模螺旋偶極子天線與差分夾具2（見圖3）內導體間穩定可靠的連接，在差分夾具2 的內導體末端錫焊圓形觸墊（觸墊半徑φ 2.5 mm）。為了探究改進后的差分夾具2 的特性阻抗是否等于50 Ω，分別采用超小型版本A接口（SubMiniature version A connector，SMA）和差分夾具2 作為連接同軸饋線和天線的器件，對天線S參數進行表征，其測試過程如圖4所示。此外，為了實現天線與差分夾具2 間良好的電氣連接，排除測試人員、天線變形等對測試結果的影響，用硬質的貼片天線代替法向模螺旋偶極子型UHF RFID標簽紗的天線作為待測天線，其結構見圖4（a）。

圖4 采用不同測試夾具測試天線阻抗

（2）天線與差分夾具間壓強。將圖4（a）中待測天線換成實際樣品（見圖1），探究差分夾具2 與天線間的壓強p對阻抗測試結果的影響。在實際測試過程中，壓強常通過改變差分夾具2 的下降距離DD實現。其中，三維微調平臺的旋鈕轉一圈，差分夾具2 上升或下降0.5 mm。首先，轉動三維微調平臺的旋鈕，將差分夾具2 的圓形觸墊與聚苯乙烯泡沫恰好接觸，即壓力傳感器示數恰好為0 時的位置，作為壓強測試時的參考面。顯然，壓強測試時的參考面與電參數測試時的參考面處于同一位置；其次，基于壓力測試時的參考面，繼續旋轉旋鈕，測試圓形觸墊下降0 ～ 2.5 mm（步長0.5 mm）時，壓力傳感器受到的力；最后，通過調節三維微調平臺，測試了天線與差分夾具2 的接觸面比電參數測試時的參考面低0 ～2.5 mm（步長0.5 mm）時天線的阻抗。

（3）天線的彎曲曲率。將法向模螺旋偶極子型UHF RFID標簽紗的天線分別彎曲成曲率K 為0 ～0.07/mm 的圓弧（步長為0.01/mm），如圖5 所示。其中，當K=0.07/mm時，天線彎曲成一個圓環。

圖5 不同彎曲狀態下的天線阻抗測試

（4）阻抗的測試位置與實際饋電點間距離。天線的實際饋電點a-a′與其末端c-c′的間距為1.0 cm（見圖1）。本文分別表征了阻抗的測試位置與實際饋電點間距離TD為0、0.5 和1.0 cm時天線的阻抗，即測試位置分別為a-a′、b-b′和c-c′時天線的阻抗。

（5）因素分析。進一步通過3 因素3 水平正交實驗對比了DD、K 和TD 對阻抗測試的影響，選用正交表L9（34）安排實驗［13-15］。水平表和正交實驗表分別列于表1 和表2。

表1 因素水平表

表2 正交實驗表

2.3 結果與分析

（1）差分夾具的阻抗。圖6 所示為采用差分夾具2 和SMA 接口測得的天線RL 曲線。由圖可知，采用不同方式測得的RL 曲線相互接近，測得的f 分別為0.965 和0.963 GHz，二者間的差異僅為2 MHz。顯然，只有當差分夾具2 的特性阻抗與SMA接口的特性阻抗接近時，采用這2 種測試夾具測得的RL才能相互接近。此外，SMA 接口的特性阻抗為50 Ω。因此，差分夾具2 的特性阻抗接近于50 Ω，在差分夾具2 的內導體末端引入圓形觸墊不會影響夾具的特性阻抗。

圖6 夾具類型對測試結果的影響

（2）天線與差分夾具間壓強。圖7 所示為在三維微調平臺下降的過程中，測得的p、RL 和Z。由圖7（a）可知，天線與差分夾具間壓強p 隨三維微調平臺的下降而增加。由圖7（b）可知，所有的天線RL 曲線幾乎重合。特別的，在不同DD時，測得的天線f 都等于0.924 GHz。天線被絕緣膠帶固定，在測試過程中天線結構的變形可忽略。此外，由于差分夾具2 內導體末端的圓形觸墊具有較大的橫截面積（19.6 mm2），在控制三維微調平臺下降的過程中，雖然圓形觸墊和天線間壓強增加，但是剛性的圓形觸墊和天線導體間始終能保持穩定的接觸面積，即天線和差分夾具2 間始終保持良好且穩定的電氣連接，因此增加天線與差分夾具2 間壓強對f 的測試結果無影響。由圖7（c）可知，天線的阻抗曲線彼此接近，圖中Zre-DD和Zim-DD分別表示當差分夾具的下降距離為DD 時，天線的電阻和電抗。

圖7 DD對測試結果的影響

（3）天線的彎曲曲率。圖8 所示為在天線不同彎曲程度下測得的RL、f 和Z。由圖8（a）可知，隨著彎曲曲率K的增加，天線的RL呈上升趨勢，芯片與天線間阻抗匹配程度下降。由圖8（b）可知，天線的f先在0.923 GHz附近震蕩波動，而后快速減小。其中，RL曲線拐點A 和B 的坐標分別為（0.924，-30.21）和（0.891，-18.62）。即當K=0 時，f=0.924 GHz；當K=0.07/mm，f驟降至0.891 GHz。該現象可通過彎曲變形對天線阻抗的影響規律進行解釋［見圖8（c）和（d）］。當頻率小于1 GHz 時，隨著彎曲程度的增加，天線電阻不變，天線電抗增加。因此，彎曲對f的影響主要取決于天線的電抗。進一步的，當曲率K 較小時（＜0.4/mm），彎曲對相鄰環間的電感影響小，天線電抗變化小，即彎曲對f 影響小。當曲率為0.07/mm時，天線圍成一個圓環，其結構發生了實質性改變，因此f發生突變。綜上，在測試過程中需保證天線呈伸直狀態，尤其是不能局部或整體彎曲成環。

圖8 K對測試結果的影響

（4）阻抗的測試位置與實際饋電點間距離。圖9所示為不同TD 時，測得的天線RL 和Z。在圖9（a）中，RL 曲線拐點C、D 和E 位置分別為（0.924，-30.21）、（0.905，-36.78）和（0.872，- 28.70）。因此，當TD分別為0、0.5 和1.0 cm時，即測試位置分別為a-a′、b-b′和c-c′時，測得的f 分別為0.924、0.905和0.872 GHz。顯然，隨著阻抗的測試位置和實際饋電點間距離TD 的增加，f 向低頻偏移，偏移量達52 MHz，遠超過中國超高頻的帶寬（5 MHz）［5］。這種現象可通過天線阻抗Z隨TD的變化規律進行解釋。由圖9（b）可知，Zre-x-x′表示測試位置為x-x′時天線的電阻，Zim-x-x′表示測試位置為x-x′時天線的電抗（x-x′為圖1 中的a-a′，b-b′或c-c′）。隨著TD 的增加，天線的電抗呈上升趨勢，因此f減小。在另一方面，法向模螺旋偶極子天線可看成是直線偶極子天線的衍生，當螺旋半徑和螺距分別等于零和無窮大時兩者等價。直線偶極子天線的f隨著天線電長度的增加而減小；法向模螺旋偶極子天線的電長度隨著TD 的增加而增加。因此，測得的f 呈減小趨勢。在測試標簽天線的阻抗時，實驗人員需將天線實際饋電點與差分夾具2 內導體接觸。

圖9 TD對測試結果的影響

（5）因素分析。根據極差分析，表2 中的極差為一列中ki的最大值與最小值之差。3 個因素的作用主次順序為：K ＞TD ＞p（或DD）。由于彎曲，尤其是彎曲成環，對天線結構的影響最顯著，因此彎曲對f的影響最顯著。

根據阻抗測試方法的影響規律，以采用矢量網絡分析儀E5071C測試天線阻抗為例，本文提出一種柔性天線阻抗測試的規范化測試程序，具體為：①開機預熱矢量網絡分析儀15 min；②采用SOLT 法對2 端口進行校準，在校準面A-A′處對測試設備進行校準，利用矢量網絡分析儀中的自動端口延伸功能和差分夾具1，將校準面延伸到B-B′處；③連接同軸饋線、三維微調平臺和差分夾具2；④將待測天線用絕緣膠固定在三維微調平臺；⑤轉動平臺運動旋鈕，在水平面內移動差分夾具2，使得差分夾具2 的圓形觸墊正對于待測天線的a-a′；⑥轉動平臺運動旋鈕，控制差分夾具2 垂直下降，實現差分夾具2 與待測天線接觸壓強不超過0.5 kPa，即矢量網絡分析儀顯示穩定的電信號；⑦繼續轉動旋鈕，使得差分夾具2 與天線間壓強達到5.5 kPa，矢量網絡分析儀輸出穩定的S 參數信號；⑧記錄與50 Ω匹配的S參數，采用表達式（1）和（2）計算天線阻抗和芯片與天線間的匹配程度，即RL。

為證明上述操作方法測得的阻抗結果具有再現性，在閱讀上述操作程序后實驗人員A′、B′和C′分別測試了同一天線的RL，測試結果如圖10 所示。3 位實驗人員測得的RL 和f 都彼此接近，f 的差異僅為3 MHz。該結果說明上述方法能實現天線阻抗的穩定、快速和再現測試。

圖10 不同實驗人員測得的RL

3 結 語

本文通過分析測試過程及夾具特征，確定影響阻抗測試結果的基本實驗因素及一般影響規律，進一步提出并驗證了一種規范化測試程序。結果表明，在差分夾具末端增加圓形觸墊有利于提高天線與夾具間接觸的穩定性。天線彎曲對阻抗測試結果的準確性影響最顯著，當K=0.07/mm 時，f 發生突變；當天線與差分夾具間已實現良好接觸時，繼續增加p，f不變，恒為0.924 GHz；隨著TD的增加，測得的f 呈下降趨勢，最高下降量達52 MHz。此外，通過實測證明，利用本研究提出的規范化測試程序，不同實驗人員測得的f 差異僅為3 MHz。

本文實現了標簽紗天線阻抗的準確、快速和可再現測量，為設計和制備射頻性能優異的柔性紡織標簽提供了評價標準工具。