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1
Appelstraße 9 A
D-30167 Hannover
www.hft.uni-hannover.deProf. Dr.-Ing. Hermann Eul
Ein Verfahren zur breitbandigen Impedanzmessung von
RFID Transponderantennen
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Inhaltsüberblick
• Problemstellung und Anwendungsbereich
– Neuartige Antennendesigns für den Einsatz in UHF RFID-Transpondern
– Verfahren zur Messung von Impedanz (Impedanzanalysator, Netzwerkanalysator)
• Vorstellung eines alternativen Konzepts zur Impedanzmessung von Dipolantennen unter Verwendung des Netzwerkanalysatorsund koaxialer Messspitzen
– Simulationsmodelle und Messaufbau
– Die Berechnung der Transponderimpedanz
– Vergleich von Simulations- und Messergebnissen
• Weiterentwicklung des Verfahrens
Software zur DurchfSoftware zur DurchfSoftware zur DurchfSoftware zur Durchfüüüührung der Feldsimulationen: hrung der Feldsimulationen: hrung der Feldsimulationen: hrung der Feldsimulationen: AnsoftAnsoftAnsoftAnsoft HFSSHFSSHFSSHFSS
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Antennendesign - Parametrisierte AntennenProblemstellung:
Umgebungsparameter beeinflussen das elektromagnetische Verhalten der Antenne.Variation der Eingangsimpedanz führt zur Verschiebung der Resonanzfrequenz
und veränderter Antennengüte (→ Bandbreite).
Wie sínd die geometrischen Parameter der Antenne bei vorgegebenen Umgebungsparametern zu wählen?
SmartCard
MeanderlineDipol
Verwendung einer resonantenMeanderlinestruktur als Transponderantenne in einem UHF RFID-System Smart Card Daten
Länge=86.5mmBreite=54mmTiefe=0.76mm
εr=2.25 (Polyethylen)
εU= 1 .. 20
Systembeispiel:
Problemstellung und Anwendungsbereich
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Antennendesign - Parametrisierte Antennen
Lösungsansatz:Durchführung eines Parametersweeps mit den variablen Materialparametern
(üblicherweise ε; aber auch µ, σ möglich)und den Geometrieparametern der Antennenstruktur sowie der Frequenz.
Parametersweep der Kurvenlänge Parametersweep der Leiterbreite
Variation der Eingangsimpedanz,
der Resonanzfrequenz und der Bandbreite
Problemstellung und Anwendungsbereich
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Winkelmodulation
Radiale Modulation
Modulation der Länge
Eine Erhöhung der Anzahl der Freiheitsgrade geometrisch komplexer Strukturen resultiert in einer größeren Designflexibilität zur Anpassung des Verlaufs der Eingangsimpedanz
der Antenne im betrachteten Frequenzbereich.
Parametrisierte Simulationsmodellevon Transponderantennen
Problemstellung und Anwendungsbereich
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6Problemstellung und Anwendungsbereich
Die elektromagnetischen Eigenschaften der Transponder-antenne sind abhängig vom Produktionsverfahren.
Die Aufbau- und Verbindungstechnologie beeinflusst die Impedanzanpassung zwischen Chip und Antenne.
Messtechnische Verifzierung der Qualität und Reproduzierbarkeit eines Produktionsverfahrens zur Herstellung eines UHF-Transponders
Erzeugung der metallisierten
Antennenstruktur
Bond WiresFlip Chip TSSOP
RBW LBW
ZChipZA
RTSSOP LTSSOP
ZChipCTSSOPZA
RFC
CFC
ZChipZA
Vereinfachte Ersatzschaltbilder
Ätzverfahren
Sputter Technologie
Laserstrukturierung
Siebdruckverfahren
Die produktionstechnische Qualität der Transponderantenne ist verfahrensabhängig. Die geometrischen Abmessungen der
Antennen aus dem Produktionsprozess und der am Computer erstellten CAD Modelle können voneinander abweichen.
Temperatur, Druck und die spezifischen Eigenschaften eines optional verwendeten Klebers bestimmen die zur
Anpassung an die Antenne relevante Impedanz.
Messung von ZChip
unter Berücksichtigungder Aufbau- und
Verbindungstechnologie.
Messung der Antennenimpedanz
ZA.
Optimierte Transponderfür die Anwendung
im UHF Frequenzbereich.
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Messverfahren zur Impedanzbestimmung
AgilentRF LCR Meter
4287A 1 MHz – 3 GHz
Bestimmung der Impedanz einer induktiven
Schleifenantenne für HF-RFID Transponder
Frequenzbereich: 1 MHz – 3 GHz, in 100 kHz Schritten Impedanzbereich: 200 mΩ – 3 kΩMessgenauigkeit: 1%Highspeed Messung: 9 msGerätepreis: ~30.000 US$
Impedanzmessung unter Verwendung eines LCR-Meters
Problemstellung und Anwendungsbereich
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PA 200 HS
PNA E8361A
AgilentNetwork Analyzer10 MHz – 110 GHzPNA E8361A
Süss MicrotecOn-Wafer-Prober
10 MHz – 110 GHzPA 200 HS
Impedanzmessung unter Verwendung einer Kombination aus Netzwerkanalysator
und On-Wafer-Prober
Messverfahren zur Impedanzbestimmung
Transponderchips
Probe
Network AnalyzerFrequenzbereich: 10 MHz – 67 GHz,
mit Frequenzbereichserweiterung 10 MHz – 110 GHz
Dynamikbereich: > 90 dBMessgeschwindigkeit: < 26 µs/pointGerätepreis: ~ 145.000 US$
mit Frequenzbereichserweiterung~ 250.000 US$
On-Wafer-ProberFrequenzbereich: DC – 110 GHzMessspitzen: Süss |Z| Probe, koplanar
Frequenz-
bereichs-
erweiterung
Problemstellung und Anwendungsbereich
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Vergleich der Messgenauigkeiten von Netzwerkanalysator und Impedanzanalysator
Messverfahren zur Impedanzbestimmung
Quelle: The University of Texas at Austin,Dept. of Electrical and Computer EngineeringMicroElectromagnetics Device Group
Darstellung der 10% Genauigkeitsgrenzen bei der
Messung der frequenzabhängigen Impedanz von Kondensatoren (1 pF und 10 pF) mit einem
Netzwerkanalysator und einem Impedanzanalysator.
Chipimpedanzen bei :Philips UCode EPC 1.19Atmel ATA5590Impinj Monza
868 MHzf =
( )40 800 ChipZ j= − ⋅ Ω
( )10 200 ChipZ j= − ⋅ Ω
( )35 110 ChipZ j= − ⋅ Ω
Die Verwendung des Netz-werkanalysators ist möglich.
Problemstellung und Anwendungsbereich
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Parametrisierte Simulationsmodelle unter Ansoft HFSS
Bowtieantenne mit modulierter Berandungskurve
MBow1MBow2
MBow3
Impedanzmessung mit koaxialen Messspitzen
x
y
x
y
Anregung: Lumped Port
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Simulationsmodelle mit koaxialer Speisung der Dipolantenne
Seitenansicht
Außenleiter
Innenleiter
Tor 1
Innenleiter
Tor 2
Substrat
Dielektrikum
3D Ansicht(ohne Substrat)
Antennenarme
Deembedding-länge
50 Ω r2.07, 1r
ε µ= =
0.51 mm
1.68 mm
2.2 mm
I
D
A
d
d
d
=
=
=
EZ86
AbmessungenMaterialdaten
des Dielektrikums
Wellen-
widerstandBezeichner
Ad
Id
Dd
Impedanzmessung mit koaxialen Messspitzen
Für die Verifizierung des Verfahrens werden für den
Vergleich zwischen Simulations-und Messergebnissen skalierte
Modelle der Antennen MBow2 und MBow3 verwendet, deren erste Serienresonanz oberhalb von
f=2 GHz auftritt.Die Antennen werden in einem fotolithografischen Prozess
hergestellt.
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Das Ersatzschaltbild des Simulations-modells und Messaufbaus:
Die Berechnung der Antennenimpedanz
Impedanzmessung mit koaxialen Messspitzen
1. Messung der Streumatrix des Zweitors
2. Deembedding der Streumatrix
3. Berechnung der Koppelimpedanzmatrix
4. Berechnung der Eingangsimpedanz der Dipolantenne aus den Elementen der Koppelimpedanzmatrix
[ ] [ ] [ ]( ) [ ] [ ]( )1
B BZ Z E S E S Z−
= ⋅ − ⋅ + ⋅
[ ]S ′
[ ] [ ]1
l lS e S e
γ γ− ′ = ⋅ ⋅
1 2 1 2 1 2
1 2
1 1 1 1 2
in
U U U U U UZ Z Z
I I I I I
−= = − = + = +
22 21 ,2
11 12 ,1
B
B
Z Z Za
Z Z Z
− += −
− +
[ ]
[ ]( )
11 ,2 12 ,1
1
22 ,2 12
22 ,1 21 ,2
2
11 ,1 21
det
det
B B
B
B B
B
Z Z Z Z Z aZ
Z Z Z a
Z a Z Z a Z ZZ
Z Z a Z
+ ⋅ + ⋅ ⋅=
+ − ⋅
⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅=
+ ⋅ −
,
1GU U
a
= ⋅
Anregungsvektor des Mehrleitersystems:
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13Impedanzmessung mit koaxialen Messspitzen
Vergleich zwischen Simulations- und Messergebnissen
−2 −1 0 1 2−2
−1.5
−1
−0.5
0
0.5
1
1.5
2
x / mm
y /
mm
Strukturelle Variante des Antennen-modells durch Entfernen eines Streifens
der Breite b über der Geometrieberandung
Speisebereich der Antenne MBow3
MBow2
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3−70
−60
−50
−40
−30
−20
−10
0
|S1
1| /
dB
f / GHz
2 3 4 5 60
200
400
600
800
1000
1200
1400
Re
Zin
/
Ω
f / GHz2 3 4 5 6
−800
−600
−400
−200
0
200
400
600
ImZ
in /
Ω
f / GHz
MessungHFSS
1HFSS
2HFSS
3
MessungHFSS
1HFSS
2HFSS
3MessungHFSS
1HFSS
2HFSS
3
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3−50
−45
−40
−35
−30
−25
−20
−15
−10
−5
0
|S1
1| /
dB
f / GHz
2 3 4 5 60
100
200
300
400
500
600
700
800
Re
Zin
/
Ω
f / GHz2 3 4 5 6
−400
−300
−200
−100
0
100
200
300
ImZ
in /
Ω
f / GHz
MessungHFSS
1HFSS
2HFSS
3
MessungHFSS
1HFSS
2HFSS
3
MessungHFSS
1HFSS
2HFSS
3
MBow3
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AntennenmodellAnregungs-variante MBow2 MBow3
Lumped Port
OCPEZ86
TCPEZ86
TCPEZ34
2 3 4 5 6−800
−600
−400
−200
0
200
400
600
ImZ
in /
Ω
f / GHz
LPOCP
EZ86TCP
EZ86
MBow2
2 3 4 5 6−400
−300
−200
−100
0
100
200
300
ImZ
in /
Ω
f / GHz
LPOCP
EZ86TCP
EZ86
3 2 3 4 5 60
200
400
600
800
1000
1200
1400
Re
Zin
/
Ω
f / GHz
LPOCP
EZ86TCP
EZ86
3 2 3 4 5 60
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Re
Zin
/
Ω
f / GHz
LPOCP
EZ86TCP
EZ86
MBow3
Impedanzmessung mit koaxialen Messspitzen
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Mikroskopaufnahme der Kontaktierung der Innenleiter der Koaxialkabel (EZ34)mit der Spiralantenne ohne Lötkontakt
Weiterentwicklung des Verfahrens
• Einsatz koaxialer Messspitzen mitmöglichst kleinem Querschnitt
• Anwendung planarer Kalibrier-verfahren → Deembeding entfällt;
Kalibrierstandards auf Antennen-
substrat erforderlich
• Mechanische Positionierung zur
Reproduktion der Messung
dA=0.88 mmdD=0.66 mmdI=0.2 mmEZ34
dA=2.2 mmdD=1.68 mmdI=0.51 mmEZ86
Antennen-arme
Innenleiter der koaxialen Mess-spitzen
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Vielen Dank fVielen Dank fVielen Dank fVielen Dank füüüür Ihre r Ihre r Ihre r Ihre Aufmerksamkeit !Aufmerksamkeit !Aufmerksamkeit !Aufmerksamkeit !