張 勇， 孟粉葉， 童 楊， 胡吉永， 晏 雄， 孫寶忠

（1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；2.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院時(shí)尚設(shè)計(jì)學(xué)院，浙江嘉興 314036）

0 引 言

法向模螺旋偶極子型超高頻射頻識(shí)別（ultra-high frequency radio frequency identification，UHF RFID）標(biāo)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(lǐng)域的優(yōu)選。準(zhǔn)確測(cè)量標(biāo)簽紗的天線阻抗對(duì)標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。標(biāo)簽紗的天線是一種結(jié)構(gòu)不勻的柔性平衡天線［3］，當(dāng)前還沒有專用于測(cè)試其阻抗的標(biāo)準(zhǔn)方法，只能參照硬質(zhì)基底天線阻抗的測(cè)試方法［4-5］。對(duì)于硬質(zhì)基底天線，其阻抗的常用測(cè)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(duì)稱天線、無需制備巴倫和匹配電路，最適合用于測(cè)試法向模螺旋偶極子型UHF RFID標(biāo)簽紗的天線阻抗。

由于硬質(zhì)基底天線與測(cè)試夾具間易于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的電氣連接，因此現(xiàn)有研究常通過改進(jìn)校準(zhǔn)方式提高標(biāo)簽天線阻抗測(cè)試的準(zhǔn)確性［8］。然而，法向模螺旋偶極子型UHF RFID標(biāo)簽紗的天線具有尺寸?。▽?dǎo)體半徑小于0.15 mm［1-2］）、軸向和徑向都易變形的特點(diǎn)。因此，在利用差分法對(duì)天線阻抗進(jìn)行測(cè)試時(shí)，天線的幾何形態(tài)、電長(zhǎng)度［4］以及天線與差分夾具間接觸面積和接觸電阻都易發(fā)生改變，進(jìn)而影響阻抗測(cè)試的準(zhǔn)確性和再現(xiàn)性。

本文采用絕緣膠固定天線，輔以三維微調(diào)平臺(tái)，穩(wěn)定天線形態(tài)和位置；在經(jīng)典差分夾具內(nèi)導(dǎo)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(wěn)定；通過系列控制因素實(shí)驗(yàn)，確定影響阻抗測(cè)試結(jié)果的實(shí)驗(yàn)因素，制定實(shí)現(xiàn)天線阻抗準(zhǔn)確、重復(fù)測(cè)量的規(guī)范化程序。

1 阻抗的測(cè)試原理

本文以螺距為1 mm，螺旋半徑為0.615 mm，單臂軸長(zhǎng)為43 mm，芯片為Alien-Higgs 3 的法向模螺旋偶極子型UHF RFID 標(biāo)簽紗［5］的天線阻抗測(cè)試為例，開展了系列控制因素實(shí)驗(yàn)探究了差分夾具的特性阻抗、天線與差分夾具間壓強(qiáng)P（常通過差分夾具的下降距離DD調(diào)節(jié)）、天線的彎曲曲率K、阻抗的測(cè)試位置與實(shí)際饋電點(diǎn)間距離TD對(duì)阻抗測(cè)試結(jié)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(cè)試過程如圖2 所示。在差分夾具端口中間創(chuàng)建虛擬接地面，從而在天線饋電點(diǎn)處輸出差分電流；再通過S參數(shù)（S11、S12、S21和S22）換算獲得天線阻抗。S11表示端口2 匹配時(shí)，端口1 的反射系數(shù)；S12表示端口1 匹配時(shí)，端口2 到端口1 的反射系數(shù)；S21表示端口2 匹配時(shí)，端口1 到端口2 的反射系數(shù)；S22表示端口1 匹配時(shí)，端口2 的反射系數(shù)。

圖2 差分法

本文以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀恰好出現(xiàn)穩(wěn)定波形作為電參數(shù)測(cè)試的參考面。為保證良好接觸，通過調(diào)節(jié)三維微調(diào)平臺(tái)（Cindbest CB-40-T），使天線與差分夾具的接觸面為電參數(shù)參考面下方1.0 mm 處。在測(cè)試過程中，天線的測(cè)試位置為圖1 中的a-a′點(diǎn)，即實(shí)際的天線饋電點(diǎn)。為保證天線始終處于伸直狀態(tài)，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(shù)，評(píng)價(jià)阻抗測(cè)試的準(zhǔn)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(duì)應(yīng)的頻率。Zc為芯片的阻抗。根據(jù)常見商用芯片Alien Higgs-3 的阻抗可知，當(dāng)工作頻率為915 MHz時(shí)，Zc=27.38 -j200.76 Ω［5］。

2 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

2.1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)

本文采用全雙端口校準(zhǔn)法（Short-Open-Load-Thur，SOLT）和校準(zhǔn)裝置（KEYSIGHT 85032E）在校準(zhǔn)平面A-A′處（見圖2）對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（E5071C）進(jìn)行校準(zhǔn)［12］；根據(jù)已有的差分夾具結(jié)構(gòu)［11］，采用短路延伸的方式將校準(zhǔn)面A-A′延伸到B-B′處。短路延伸時(shí)所用的差分夾具1（見圖3）由10 cm長(zhǎng)的086-50 半柔性同軸電纜制成，內(nèi)外導(dǎo)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(cè)試過程中實(shí)現(xiàn)細(xì)導(dǎo)體半徑的法向模螺旋偶極子天線與差分夾具2（見圖3）內(nèi)導(dǎo)體間穩(wěn)定可靠的連接，在差分夾具2 的內(nèi)導(dǎo)體末端錫焊圓形觸墊（觸墊半徑φ 2.5 mm）。為了探究改進(jìn)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(duì)天線S參數(shù)進(jìn)行表征，其測(cè)試過程如圖4所示。此外，為了實(shí)現(xiàn)天線與差分夾具2 間良好的電氣連接，排除測(cè)試人員、天線變形等對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，用硬質(zhì)的貼片天線代替法向模螺旋偶極子型UHF RFID標(biāo)簽紗的天線作為待測(cè)天線，其結(jié)構(gòu)見圖4（a）。

圖4 采用不同測(cè)試夾具測(cè)試天線阻抗

（2）天線與差分夾具間壓強(qiáng)。將圖4（a）中待測(cè)天線換成實(shí)際樣品（見圖1），探究差分夾具2 與天線間的壓強(qiáng)p對(duì)阻抗測(cè)試結(jié)果的影響。在實(shí)際測(cè)試過程中，壓強(qiáng)常通過改變差分夾具2 的下降距離DD實(shí)現(xiàn)。其中，三維微調(diào)平臺(tái)的旋鈕轉(zhuǎn)一圈，差分夾具2 上升或下降0.5 mm。首先，轉(zhuǎn)動(dòng)三維微調(diào)平臺(tái)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(shù)恰好為0 時(shí)的位置，作為壓強(qiáng)測(cè)試時(shí)的參考面。顯然，壓強(qiáng)測(cè)試時(shí)的參考面與電參數(shù)測(cè)試時(shí)的參考面處于同一位置；其次，基于壓力測(cè)試時(shí)的參考面，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)旋鈕，測(cè)試圓形觸墊下降0 ～ 2.5 mm（步長(zhǎng)0.5 mm）時(shí)，壓力傳感器受到的力；最后，通過調(diào)節(jié)三維微調(diào)平臺(tái)，測(cè)試了天線與差分夾具2 的接觸面比電參數(shù)測(cè)試時(shí)的參考面低0 ～2.5 mm（步長(zhǎng)0.5 mm）時(shí)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(biāo)簽紗的天線分別彎曲成曲率K 為0 ～0.07/mm 的圓弧（步長(zhǎng)為0.01/mm），如圖5 所示。其中，當(dāng)K=0.07/mm時(shí)，天線彎曲成一個(gè)圓環(huán)。

圖5 不同彎曲狀態(tài)下的天線阻抗測(cè)試

（4）阻抗的測(cè)試位置與實(shí)際饋電點(diǎn)間距離。天線的實(shí)際饋電點(diǎn)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(cè)試位置與實(shí)際饋電點(diǎn)間距離TD為0、0.5 和1.0 cm時(shí)天線的阻抗，即測(cè)試位置分別為a-a′、b-b′和c-c′時(shí)天線的阻抗。

（5）因素分析。進(jìn)一步通過3 因素3 水平正交實(shí)驗(yàn)對(duì)比了DD、K 和TD 對(duì)阻抗測(cè)試的影響，選用正交表L9（34）安排實(shí)驗(yàn)［13-15］。水平表和正交實(shí)驗(yàn)表分別列于表1 和表2。

表1 因素水平表

表2 正交實(shí)驗(yàn)表

2.3 結(jié)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(cè)得的天線RL 曲線。由圖可知，采用不同方式測(cè)得的RL 曲線相互接近，測(cè)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(dāng)差分夾具2 的特性阻抗與SMA接口的特性阻抗接近時(shí)，采用這2 種測(cè)試夾具測(cè)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(nèi)導(dǎo)體末端引入圓形觸墊不會(huì)影響夾具的特性阻抗。

圖6 夾具類型對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

（2）天線與差分夾具間壓強(qiáng)。圖7 所示為在三維微調(diào)平臺(tái)下降的過程中，測(cè)得的p、RL 和Z。由圖7（a）可知，天線與差分夾具間壓強(qiáng)p 隨三維微調(diào)平臺(tái)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(shí)，測(cè)得的天線f 都等于0.924 GHz。天線被絕緣膠帶固定，在測(cè)試過程中天線結(jié)構(gòu)的變形可忽略。此外，由于差分夾具2 內(nèi)導(dǎo)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(diào)平臺(tái)下降的過程中，雖然圓形觸墊和天線間壓強(qiáng)增加，但是剛性的圓形觸墊和天線導(dǎo)體間始終能保持穩(wěn)定的接觸面積，即天線和差分夾具2 間始終保持良好且穩(wěn)定的電氣連接，因此增加天線與差分夾具2 間壓強(qiáng)對(duì)f 的測(cè)試結(jié)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(dāng)差分夾具的下降距離為DD 時(shí)，天線的電阻和電抗。

圖7 DD對(duì)測(cè)試結(jié)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(cè)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(shì)，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(dòng)，而后快速減小。其中，RL曲線拐點(diǎn)A 和B 的坐標(biāo)分別為（0.924，-30.21）和（0.891，-18.62）。即當(dāng)K=0 時(shí)，f=0.924 GHz；當(dāng)K=0.07/mm，f驟降至0.891 GHz。該現(xiàn)象可通過彎曲變形對(duì)天線阻抗的影響規(guī)律進(jìn)行解釋［見圖8（c）和（d）］。當(dāng)頻率小于1 GHz 時(shí)，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(duì)f的影響主要取決于天線的電抗。進(jìn)一步的，當(dāng)曲率K 較小時(shí)（＜0.4/mm），彎曲對(duì)相鄰環(huán)間的電感影響小，天線電抗變化小，即彎曲對(duì)f 影響小。當(dāng)曲率為0.07/mm時(shí)，天線圍成一個(gè)圓環(huán)，其結(jié)構(gòu)發(fā)生了實(shí)質(zhì)性改變，因此f發(fā)生突變。綜上，在測(cè)試過程中需保證天線呈伸直狀態(tài)，尤其是不能局部或整體彎曲成環(huán)。

圖8 K對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

（4）阻抗的測(cè)試位置與實(shí)際饋電點(diǎn)間距離。圖9所示為不同TD 時(shí)，測(cè)得的天線RL 和Z。在圖9（a）中，RL 曲線拐點(diǎn)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(dāng)TD分別為0、0.5 和1.0 cm時(shí)，即測(cè)試位置分別為a-a′、b-b′和c-c′時(shí)，測(cè)得的f 分別為0.924、0.905和0.872 GHz。顯然，隨著阻抗的測(cè)試位置和實(shí)際饋電點(diǎn)間距離TD 的增加，f 向低頻偏移，偏移量達(dá)52 MHz，遠(yuǎn)超過中國超高頻的帶寬（5 MHz）［5］。這種現(xiàn)象可通過天線阻抗Z隨TD的變化規(guī)律進(jìn)行解釋。由圖9（b）可知，Zre-x-x′表示測(cè)試位置為x-x′時(shí)天線的電阻，Zim-x-x′表示測(cè)試位置為x-x′時(shí)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(shì)，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(dāng)螺旋半徑和螺距分別等于零和無窮大時(shí)兩者等價(jià)。直線偶極子天線的f隨著天線電長(zhǎng)度的增加而減小；法向模螺旋偶極子天線的電長(zhǎng)度隨著TD 的增加而增加。因此，測(cè)得的f 呈減小趨勢(shì)。在測(cè)試標(biāo)簽天線的阻抗時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員需將天線實(shí)際饋電點(diǎn)與差分夾具2 內(nèi)導(dǎo)體接觸。

圖9 TD對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

（5）因素分析。根據(jù)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(gè)因素的作用主次順序?yàn)椋篕 ＞TD ＞p（或DD）。由于彎曲，尤其是彎曲成環(huán)，對(duì)天線結(jié)構(gòu)的影響最顯著，因此彎曲對(duì)f的影響最顯著。

根據(jù)阻抗測(cè)試方法的影響規(guī)律，以采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C測(cè)試天線阻抗為例，本文提出一種柔性天線阻抗測(cè)試的規(guī)范化測(cè)試程序，具體為：①開機(jī)預(yù)熱矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀15 min；②采用SOLT 法對(duì)2 端口進(jìn)行校準(zhǔn)，在校準(zhǔn)面A-A′處對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的自動(dòng)端口延伸功能和差分夾具1，將校準(zhǔn)面延伸到B-B′處；③連接同軸饋線、三維微調(diào)平臺(tái)和差分夾具2；④將待測(cè)天線用絕緣膠固定在三維微調(diào)平臺(tái)；⑤轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)旋鈕，在水平面內(nèi)移動(dòng)差分夾具2，使得差分夾具2 的圓形觸墊正對(duì)于待測(cè)天線的a-a′；⑥轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)旋鈕，控制差分夾具2 垂直下降，實(shí)現(xiàn)差分夾具2 與待測(cè)天線接觸壓強(qiáng)不超過0.5 kPa，即矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示穩(wěn)定的電信號(hào)；⑦繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，使得差分夾具2 與天線間壓強(qiáng)達(dá)到5.5 kPa，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出穩(wěn)定的S 參數(shù)信號(hào)；⑧記錄與50 Ω匹配的S參數(shù)，采用表達(dá)式（1）和（2）計(jì)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(cè)得的阻抗結(jié)果具有再現(xiàn)性，在閱讀上述操作程序后實(shí)驗(yàn)人員A′、B′和C′分別測(cè)試了同一天線的RL，測(cè)試結(jié)果如圖10 所示。3 位實(shí)驗(yàn)人員測(cè)得的RL 和f 都彼此接近，f 的差異僅為3 MHz。該結(jié)果說明上述方法能實(shí)現(xiàn)天線阻抗的穩(wěn)定、快速和再現(xiàn)測(cè)試。

圖10 不同實(shí)驗(yàn)人員測(cè)得的RL

3 結(jié) 語

本文通過分析測(cè)試過程及夾具特征，確定影響阻抗測(cè)試結(jié)果的基本實(shí)驗(yàn)因素及一般影響規(guī)律，進(jìn)一步提出并驗(yàn)證了一種規(guī)范化測(cè)試程序。結(jié)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(wěn)定性。天線彎曲對(duì)阻抗測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性影響最顯著，當(dāng)K=0.07/mm 時(shí)，f 發(fā)生突變；當(dāng)天線與差分夾具間已實(shí)現(xiàn)良好接觸時(shí)，繼續(xù)增加p，f不變，恒為0.924 GHz；隨著TD的增加，測(cè)得的f 呈下降趨勢(shì)，最高下降量達(dá)52 MHz。此外，通過實(shí)測(cè)證明，利用本研究提出的規(guī)范化測(cè)試程序，不同實(shí)驗(yàn)人員測(cè)得的f 差異僅為3 MHz。

本文實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽紗天線阻抗的準(zhǔn)確、快速和可再現(xiàn)測(cè)量，為設(shè)計(jì)和制備射頻性能優(yōu)異的柔性紡織標(biāo)簽提供了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)工具。