CN103267911A - Rfid标签天线的非接触式测试***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对RFID标签天线非接触式测试的***及方法，RFID标签天线的非接触式测试***包括显示单元、数据处理与控制单元、射频信号发/收单元、送料机构单元以及测试天线单元，数据处理与控制单元分别与显示单元、射频信号发送驱动单元、送料机构单元相连，测试天线单元与射频信号发/收单元相连。采用非接触式测试，不需要绑定芯片就可以测试，减少了芯片的损耗；降低检验人员的工作强度；错检、漏检率低；可实现自动化检测，检测效率高；可实现对电性能的间接测量。本发明容易实现自动化测试而且大大降低了对机械机构的要求，非常适合大批量的生产检测。

Description

RFID标签天线的非接触式测试***及方法

技术领域

本发明涉及射频识别技术的测试领域技术领域，特别涉及一种对RFID 标签天线进行测试的***及方法。

背景技术

RFID 全称为射频识别(Radio Frequency Identification)，是一种利用射频技术实现的非接触式自动识别技术。RFID 标签具有体积小、读写速度快、形状多样、使用寿命长、可重复使用、存储容量大、能穿透非导电性材料等特点，结合RFID 读写器可以实现多目标识别和移动目标识别，进一步通过与互联网技术的结合还可以实现全球范围内物品的跟踪与信息的共享。RFID 技术应用于物流、制造、公共信息服务等行业，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。

RFID 技术目前已经成为IT 领域的热点，众多机构和企业都在大力推广这种技术。随着RFID 技术飞速发展，相关产品的生产厂家逐渐增多，RFID 标签的品种也已经上升到数百种，并且还在不断推出新的产品。为了在繁多的RFID 标签中选择最能够满足使用者需求的产品，就需要对RFID 产品的性能指标进行专门的测试，RFID 标签天线的一致性即是RFID标签产品的重要性能指标之一。RFID 标签天线一致性是指对于同一款电子标签，由于制造工艺、加工精度等因素造成的不同样本之间的电磁性能差异性，差异性越小，则一致性越强。

RFID标签的市场应用越来越广泛，对标签天线的需求也随之大幅增长，作为电子标签的通信和能量接收器件，天线的品质直接影响到标签的性能。目前天线的检测方法主要有四种，第一种是检验人员目检，第二种是机器视觉检测，第三种是邦定芯片后做电性能检测，第四种是使用探针仪表测试电性能。人工目检存在以下不足：目视检测方式检验人员的工作强度大；眼睛易疲劳；错检、漏检率高；检验效率低。机器视觉存在以下不足：无法测量电性能；对摄像头的分辨率要求很高，尤其在天线线宽或线间距较小时；无法测量冲压搭桥的连接阻抗进行测量；对铝箔重叠遮挡的部位不易识别。邦定芯片后测量存在以下不足：造成芯片的损耗率升高，因为芯片价格高，天线不良引起的浪费远超天线本身的价格。探针仪表检测存在以下不足：探针自身的阻抗、探针接触阻抗、仪表输出阻抗影响测试结果；对于铝天线因为表面致密氧化层容易造成探针接触不良；天线邦定点位置小、间距小探针定位困难；在探针接触位置容易留下难看的痕迹影响天线外观；因定位要求高影响测试的效率，且精确定位机构的成本高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中RFID标签天线检测方法存在的不足，提供一种可简单、有效判断标签天线是否合格的测试***及测试方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种RFID标签天线的非接触式测试***，包括：显示单元：用于显示测试结果和相应的数据、图形，用作人机交互的界面；数据处理与控制单元：用于其它功能模块的配置和控制，采样、储存测试数据，计算数据、判定测试结果；射频信号发/收单元：用于在控制单元控制下按要求产生可以覆盖被测天线自谐振频率的一定范围的射频信号，以及放大射频信号到指定的功率值，驱动测试天线单元发射射频信号，接收来自测试天线单元的被测天线的反馈信号并进行放大；测试天线单元：用于将功率放大后的本地产生的高频信号转变成电磁场发送到被测天线，接收来自被测天线的信号，在控制单元的控制下按照发射的信号频率变化进行天线的频率调谐，同时进行天线阻抗匹配调整；

送料机构单元：在数据处理与控制单元的控制下将被测天线传送到测试位置，对测试发现的不合格天线进行标识；其中所述数据处理与控制单元分别与显示单元、射频信号发送驱动单元、送料机构单元相连，测试天线单元与射频信号发/收单元相连。

所述数据处理与控制单元包括：控制单元：用于其它功能模块的配置、控制及通信；数据处理单元：用于数据采样、数据变换、储存测试数据，计算数据、判定测试结果。

所述送料机构单元包括：机械机构：执行天线送料、定位、确保稳定张力和偏差的机械结构；送料控制：在接受控制单元的指令后负责对机械机构的实际控制；不良品自动标识：每个天线测试完成后给出相应的声光提示，对不良天线自动打上标致进行区分。

所述射频信号发/收单元包括：射频信号产生单元：产生可以覆盖被测天线自谐振频率的一定范围的射频信号；射频信号功率放大单元：放大射频信号到指定的功率值，驱动测试天线单元发射射频信号；信号接收放大单元：接收来自测试天线单元的被测天线的反馈信号并进行放大，送数据处理单元处理。

所述测试天线单元包括：电调谐匹配网络：用于在控制单元的控制下按照发射的信号频率变化进行天线的频率调谐，同时进行天线阻抗匹配调整；测试天线：用于将功率放大后的本地产生的高频信号转变成电磁场发送到被测天线，接收来自被测天线的信号。

所述射频功率放大器和电调谐匹配网络之间设有天线共用器，用于隔离收发信号通道，使功率放大后射频信号送往天线，将天线接收到的来自被测天线的反向散射信号送往接收信号放大器，实现收发天线共用，保证收发信号达到要求的隔离度。

所述电调谐匹配网络为变容二极管网络，所述天线共用器为环行器。

所述显示单元和控制单元可采用电脑，电脑通过GPIB总线连接射频信号发送驱动单元；或者控制单元采用微处理器或PLC可编程控制器，显示单元采用液晶显示器，液晶显示器通过SPI、I²C或RS232通信口连接微处理器，微处理器通过SPI、I²C或并口连接射频信号发/收单元。

为了实现上述目的，本发明提供一种RFID标签天线的非接触式测试方法，包括以下步骤：

（1）控制单元控制射频信号产生单元产生指定频率、幅度信号，射频信号功率放大单元将信号发生单元产生的射频信号进行功率放大；

（2）控制单元控制电调谐匹配网络，使测试天线工作在与信号发生器信号相同的频率上；

（3）放大的信号由测试天线发射给被测天线，或经过天线共用器发射给被测天线，被测天线反馈回来的信号经由测试天线接收，接收后的信号经信号接收放大单元放大后检测信号的幅度；

（4）控制单元读取接收信号的幅度值储存并判断是否已经达到测试频率的终值，如果没有达到测试频率的终值，则按照步长修改测试频率，重复步骤1到步骤4，直至达到测试频率的终值；

（5）当完成频率终值测试后，将储存的各频点的接收信号幅度值与标准数据做对比，如各接收信号幅度数据在规定的误差范围内，则被测天线合格。

（6）如各接收信号幅度数据超出了规定的误差范围，则被测天线不合格，控制单元向显示单元发出指令，显示单元显示测试结果、发出声光指示，控制单元控制送料机构在不合格天线上做标识；

（7）控制单元判断是否全部被测天线已经测完，如没有测试完，控制单元向送料机构发出指令，送料机构将下一个被测天线送到测试位置，开始步骤1到步骤6的下一轮测试；

（8）如全部被测天线已测完，数据处理单元对测试数据进行统计，控制单元控制显示单元显示数据统计结果，并给出声光信号提示测试全部完成。

通常天线存在一个自谐振频率，此频率和天线结构、尺寸密切相关。在制造过程中的尺寸误差、短路、开路、金属残留物等都会引起天线阻抗的变化，从而造成天线自谐振频率的变化、或Q值的变化。由测试天线发送包含被测天线自谐振频率的一定范围的扫频信号，通过检测被测天线反馈回测试天线的信号就可以判断被测天线是否合格。

对于被测天线是高频（HF）天线，检测的反馈信号是耦合到测试天线端的阻抗变化。对于被测天线是超高频（UHF）天线，检测的反馈信号是被测天线的雷达散射截面积（RCS）信号。接收在扫频范围内的这些反馈信号数据与标准值进行对比就可以得到检测结果。

获得每款被测天线标准值的简单有效方法是对一个合格的天线进行测试得到，或取一组合格天线的平均值，可以通过测试设备自动学习的方法获得。

本发明的优点及有益效果：降低检验人员的工作强度；错检、漏检率低；可实现自动化检测，检测效率高；可实现对电性能的间接测量；可实现对搭桥功能的测量；可适用于铝箔重叠遮挡天线的测量；不需要绑定芯片（IC）就可以测试，减少了芯片的损耗；采用非接触式测试，探针阻抗、接触阻抗、仪表阻抗影响；与探测测试相比降低了定位机构精度的要求；与探针测试相比避免了因铝天线氧化层造成的接触不可靠；与探针测试相比不会对天线的外观造成影响。

在本发明中不必预先将芯片（IC）绑定到被测天线上，尤其适合射频识别(RFID)标签天线的生产厂家，无论是对天线进行抽检还是全检均适合，对电子标签（Inlay）的生产企业也可作为来料检验的测试手段。

附图说明

图1是本发明RFID标签天线的非接触式测试***的示意图。

图2是本发明RFID标签天线的非接触式测试***具体单元的结构示意图。

图3是本发明实施例一的设备示意图。

图4是本发明实施例二的设备示意图。

图5是本发明实施例三的设备示意图。

图6是本发明实施例四的设备示意图。

图7是高频(HF)标准卡天线有芯片时的谐振频率仿真图。

图8是高频(HF)标准卡天线无芯片时的自谐振频率仿真图。

具体实施例

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示是本发明RFID标签天线的非接触式测试***的示意图，图2是测试***具体单元的结构示意图。RFID标签天线的非接触式测试***包括显示单元、数据处理与控制单元、射频信号发/收单元、送料机构单元以及测试天线单元，数据处理与控制单元分别与显示单元、射频信号发送驱动单元、送料机构单元相连，测试天线单元与射频信号发/收单元相连。数据处理与控制单元包括控制单元和数据处理单元。射频信号发/收单元包括射频信号产生单元、射频信号功率放大单元和信号接收放大单元。测试天线单元包括电调谐匹配网络和测试天线。送料机构单元包括机械机构、送料控制和不良品自动标识。

根据被测天线的种类不同，分别介绍标签天线的非接触式测试方法。

实施例一：

被测天线为RFID高频（HF）天线，由带GPIB通用仪表接口总线的电脑作为控制和显示单元。电脑通过GPIB总线与同样带GPIB接口的射频信号发生器、数字电压表通信。

射频信号发生器和数字电压表经GPIB电缆连接到电脑接收程控命令、将数据发送给电脑，电脑通过GPIB总线向射频信号发生器发出指令产生指定频率和幅度的射频信号。

宽带射频信号功率放大器将射频信号发生器产生的信号进行功率放大，电脑通过串行通信口控制调谐匹配电路，使天线谐振频率和射频信号发生器的频率相同，调谐匹配电路模块使用变容二极管作为调谐元件，改变变容二极管偏压实现天线的频率调整，功率放大后的射频信号经天线线圈发送给被测RFID高频（HF）天线。

被测天线的阻抗耦合到测试天线线圈，使测试线圈两端的射频信号电压随负载变化，线圈两端的信号电压经接收信号放大器放大后送到射频信号检波，得到信号的幅度值，数字电压表测量检波后的信号幅度值。

电脑通过GPIB总线读取数字电压表的测量数据，按照采样频率间隔修改测试频率，重复上述步骤直至要求的频率范围，得到一组测量数据。

将得到的测量数据和标准数据比较判断被测天线是否合格，在电脑显示器上显示测试结果并绘出测试曲线。随着信号频率的变化被测天线耦合到测试天线线圈中的阻抗随着改变，在接近被测天线自谐振频率时耦合到测试天线线圈中的阻抗显著变化，使线圈两端的电压明显改变。

电脑与其它组成单元的通信采用RS232、RS485、USB或者Ethernet。

实施例二：

被测天线为RFID超高频（UHF）天线，由带GPIB通用仪表接口总线的电脑作为控制和显示单元，电脑通过GPIB总线与同样带GPIB接口的微波射频信号发生器、数字电压表通信。

微波射频信号发生器和数字电压表经GPIB电缆连接到电脑接收程控命令、将数据发送给电脑，电脑通过GPIB总线向微波射频信号发生器发出指令产生指定频率和幅度的高频信号，宽带微波射频信号功率放大器将微波射频信号发生器产生的信号进行功率放大，电脑通过串行通信口控制调谐匹配电路，使天线谐振频率和微波射频信号发生器的频率相同，电调谐匹配网络使用变容二极管作为调谐元件，改变变容二极管偏压实现天线的频率调整，功率放大后的微波射频信号通过环行器加载到测试天线，并发射给被测RFID超高频（UHF）天线。

被测天线的RCS反向散射信号大小随着微波射频信号发生器产生的信号频率的变化而不同。测试天线接收到被测天线的RCS反向散射信号经环行器后送入宽带低噪声接收信号放大器（LNA）放大，宽带低噪声接收信号放大器（LNA）的输出信号经检波后获得接收信号强度指示（RSSI）电压，由数字电压表测量接收信号强度指示（RSSI）电压值。

电脑通过GPIB总线读取数字电压表的测量数据，按照采样频率间隔修改测试频率，重复上述步骤直至要求的频率范围，得到一组测量数据，将得到的测量数据和标准数据比较判断被测天线是否合格，在电脑显示器上显示测试结果并绘出测试曲线。

随着微波射频信号频率的变化被测天线的反向散射信号（RCS）的大小随着改变，在接近被测天线自谐振频率时反向散射信号（RCS）的大小会产生显著变化。

电脑与其它组成单元的通信采用RS232、RS485、USB或者Ethernet。

实施例三：

被测天线为RFID高频（HF）天线，由微处理器（MCU）作为中央控制单元控制各个模块的工作，TTF液晶显示器通过SPI、I2C或者RS232通信口连接到微处理器（MCU）显示数据、测试结果，SD存储卡连接到微处理器用于储存测试数据和配置数据。

微处理器（MCU）通过SPI、I²C或者并口控制直接数字合成（DDS）射频信号发生器模块产生指定频率信号，宽带射频信号功率放大器将直接数字合成（DDS）产生的射频信号进行功率放大，微处理器（MCU）控制数模（D/A）转换模块输出精确的电压用作变容二极管的偏置，使天线调谐在直接数字合成（DDS）射频信号的频率上。

功率放大后的射频信号经测试天线线圈发送给被测RFID高频（HF）天线，被测天线的阻抗耦合到测试天线线圈，使测试线圈两端的射频信号电压随负载变化，测试天线线圈两端的信号电压经信号接收放大器放大后送到射频信号检波，得到信号的幅度值。

检波后的信号幅度值经模数（A/D）转换后送微处理器（MCU）处理，微处理器（MUC）读取模数（A/D）转换后的数据储存在内部RAM或者SD储存卡中，按照采样频率间隔修改测试频率，重复上述步骤直至要求的频率范围，得到一组测量数据，将得到的测量数据和标准数据比较判断被测天线是否合格。

在TTF显示屏上显示测试结果并绘出测试曲线，告警与指示模块根据检测的结果给出声光提示，天线卷材送料机构将下一个被测RFID高频（HF）天线送到测试位置进行下一次测试。

随着射频信号频率的变化被测天线耦合到测试天线线圈中的阻抗随着改变，在接近被测天线自谐振频率时耦合到测试天线线圈中的阻抗显著变化，使线圈两端的电压明显改变。

微处理器与其它模块的通信采用SPI、I²C或者并口。

实施例四：

被测天线为RFID超高频（UHF）天线，由微处理器（MCU）作为中央控制单元控制各个模块的工作，TTF液晶显示器通过SPI、I²C或者RS232通信口连接到微处理器（MCU）显示数据、测试结果，SD存储卡连接到微处理器用于储存测试数据和配置数据。

微处理器（MCU）通过SPI、I²C或者并口控制微波扫描信号发生模块产生指定频率信号，宽带微波信号功率放大器将微波扫描信号发生模块产生的微波信号进行功率放大，微处理器（MCU）控制数模（D/A）转换模块输出精确的电压用作变容二极管的偏置，使测试天线调谐在微波扫描信号发生模块产生的信号频率上。

功率放大后的微波信号经过环行器送往电调谐匹配电路模块，由测试天线发射给被测超高频（UHF）天线，被测天线的RCS反向散射信号大小随着微波扫描信号发生模块的信号频率的变化而不同。

测试天线接收到被测天线的RCS反向散射信号经环行器后送入宽带低噪声接收放大器（LNA）放大，宽带低噪声接收信号放大器（LNA）的输出信号经检波后获得接收信号强度指示（RSSI）电压，检波后的信号幅度值经模数（A/D）转换后送微处理器（MCU）处理，微处理器（MUC）读取模数（A/D）转换后的数据储存在内部RAM或者SD储存卡中。

按照采样频率间隔修改测试频率，重复上述步骤直至要求的频率范围，得到一组测量数据，将得到的测量数据和标准数据比较判断被测天线是否合格。

在TTF显示屏上显示测试结果并绘出测试曲线，告警与指示模块根据检测的结果给出声光提示，天线卷材送料机构将下一个被测RFID超高频（UHF）天线送到测试位置进行下一次测试。

随着测试信号频率的变化被测天线的反向散射信号（RCS）的大小随着改变，在接近被测天线自谐振频率时反向散射信号（RCS）的大小会产生显著变化。

微处理器与其它模块的通信采用SPI、I²C或者并口。

图7是高频(HF)标准卡天线有芯片时的谐振频率仿真图，图8是高频(HF)标准卡天线无芯片时的自谐振频率仿真图，对比图7和图8可知RFID高频（HF）天线在邦定芯片和没有芯片自谐振时的频率特性的形状相同，可以通过自谐振频率特性间接测量天线带芯片工作时的电性能。

对于RFID超高频（UHF）天线的自谐振频率特性较复杂，形状不会完全相同，但通过获得合格天线的自谐振频率特性作为参照，与测试数据进行对比，也可以间接完成对天线的电性能测量。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (10)

1.一种RFID标签天线的非接触式测试***，其特征在于包括：

显示单元：用于显示测试结果和相应的数据、图形，用作人机交互的界面；

数据处理与控制单元：用于其它功能模块的配置和控制，采样、储存测试数据，计算数据、判定测试结果；

射频信号发/收单元：用于在控制单元控制下按要求产生可以覆盖被测天线自谐振频率的一定范围的射频信号，以及放大射频信号到指定的功率值，驱动测试天线单元发射射频信号，接收来自测试天线单元的被测天线的反馈信号并进行放大；

测试天线单元：用于将功率放大后的本地产生的高频信号转变成电磁场发送到被测天线，接收来自被测天线的信号，在控制单元的控制下按照发射的信号频率变化进行天线的频率调谐，同时进行天线阻抗匹配调整；

送料机构单元：在数据处理与控制单元的控制下将被测天线传送到测试位置，对测试发现的不合格天线进行标识；

其中所述数据处理与控制单元分别与显示单元、射频信号发送驱动单元、送料机构单元相连，测试天线单元与射频信号发/收单元相连。

2.根据权利要求1所述的RFID标签天线的非接触式测试***，其特征在于所述数据处理与控制单元包括：

控制单元：用于其它功能模块的配置、控制及通信；

数据处理单元：用于数据采样、数据变换、储存测试数据，计算数据、判定测试结果。

3.根据权利要求1所述的RFID标签天线的非接触式测试***，其特征在于所述送料机构单元包括：

机械机构：执行天线送料、定位、确保稳定张力和偏差的机械结构；

送料控制：在接受控制单元的指令后负责对机械机构的实际控制；

不良品自动标识：每个天线测试完成后给出相应的声光提示，对不良天线自动打上标致进行区分。

4.根据权利要求1所述的RFID标签天线的非接触式测试***，其特征在于所述射频信号发/收单元包括：

射频信号产生单元：产生可以覆盖被测天线自谐振频率的一定范围的射频信号；

射频信号功率放大单元：放大射频信号到指定的功率值，驱动测试天线单元发射射频信号；

信号接收放大单元：接收来自测试天线单元的被测天线的反馈信号并进行放大，送数据处理单元处理。

5.根据权利要求1所述的RFID标签天线的非接触式测试***，其特征在于所述测试天线单元包括：

电调谐匹配网络：用于在控制单元的控制下按照发射的信号频率变化进行天线的频率调谐，同时进行天线阻抗匹配调整；

测试天线：用于将功率放大后的本地产生的高频信号转变成电磁场发送到被测天线，接收来自被测天线的信号。

6.根据权利要求5所述的RFID标签天线的非接触式测试***，其特征在于：所述射频功率放大器和电调谐匹配网络之间设有天线共用器，用于隔离收发信号通道，使功率放大后射频信号送往天线，将天线接收到的来自被测天线的反向散射信号送往接收信号放大器，实现收发天线共用，保证收发信号达到要求的隔离度。

7.根据权利要求6所述的RFID标签天线的非接触式测试***，其特征在于：所述电调谐匹配网络为变容二极管网络。

8.根据权利要求7所述的RFID标签天线的非接触式测试***，其特征在于：所述天线共用器为环行器。

9.根据权利要求1所述的RFID标签天线的非接触式测试***，其特征在于：所述显示单元和控制单元可采用电脑，电脑通过GPIB总线连接射频信号发/收单元；或者控制单元采用微处理器或PLC可编程控制器，显示单元采用液晶显示器，液晶显示器通过SPI、I²C或RS232通信口连接微处理器，微处理器通过SPI、I²C或并口连接射频信号发/收单元。

10.一种RFID标签天线的非接触式测试方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）控制单元控制射频信号产生单元产生指定频率、幅度信号，射频信号功率放大单元将信号发生单元产生的射频信号进行功率放大；

（2）控制单元控制电调谐匹配网络，使测试天线工作在与信号发生器信号相同的频率上；

（3）放大的信号由测试天线发射给被测天线，或经过天线共用器发射给被测天线，被测天线反馈回来的信号经由测试天线接收，接收后的信号经信号接收放大单元放大后检测信号的幅度；

（4）控制单元读取接收信号的幅度值储存并判断是否已经达到测试频率的终值，如果没有达到测试频率的终值，则按照步长修改测试频率，重复步骤1到步骤4，直至达到测试频率的终值；

（5）当完成频率终值测试后，将储存的各频点的接收信号幅度值与标准数据做对比，如各接收信号幅度数据在规定的误差范围内，则被测天线合格；

（6）如各接收信号幅度数据超出了规定的误差范围，则被测天线不合格，控制单元向显示单元发出指令，显示单元显示测试结果、发出声光指示，控制单元控制送料机构在不合格天线上做标识；

（7）控制单元判断是否全部被测天线已经测完，如没有测试完，控制单元向送料机构发出指令，送料机构将下一个被测天线送到测试位置，开始步骤1到步骤6的下一轮测试；

（8）如全部被测天线已测完，数据处理单元对测试数据进行统计，控制单元控制显示单元显示数据统计结果，并给出声光信号提示测试全部完成。

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