Ein Verfahren zur breitbandigen Impedanzmessung von RFID Transponderantennen

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1 1 Ein Verfahren zur breitbandigen Impedanzmessung von RFID Transponderantennen Prof. Dr.-Ing. Hermann Eul Appelstraße 9 A D-3167 Hannover

2 2 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 Netzwerkanalysators und koaxialer Messspitzen Simulationsmodelle und Messaufbau Die Berechnung der Transponderimpedanz Vergleich von Simulations- und Messergebnissen Weiterentwicklung des Verfahrens Software zur Durchführung hrung der Feldsimulationen: Ansoft HFSS

3 Problemstellung und Anwendungsbereich 3 Antennendesign - Parametrisierte Antennen Problemstellung: 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? Systembeispiel: Verwendung einer resonanten Meanderlinestruktur als Transponderantenne in einem UHF RFID-System Meanderline Dipol ε U = Smart Card Smart Card Daten Länge=86.5mm Breite=54mm Tiefe=.76mm ε r =2.25 (Polyethylen)

4 Problemstellung und Anwendungsbereich 4 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

5 Problemstellung und Anwendungsbereich Parametrisierte Simulationsmodelle von Transponderantennen 5 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. Modulation der Länge Winkelmodulation Radiale Modulation

6 Problemstellung und Anwendungsbereich 6 Messtechnische Verifzierung der Qualität und Reproduzierbarkeit eines Produktionsverfahrens zur Herstellung eines UHF-Transponders Die Aufbau- und Verbindungstechnologie beeinflusst die Impedanzanpassung zwischen Chip und Antenne. Die elektromagnetischen Eigenschaften der Transponderantenne sind abhängig vom Produktionsverfahren. Flip Chip Bond Wires TSSOP Ätzverfahren R BW L BW R TSSOP L TSSOP Erzeugung der metallisierten Antennenstruktur Sputter Technologie Laserstrukturierung Z A R FC C FC Z Chip Z A Z Chip Z A Vereinfachte Ersatzschaltbilder C TSSOP Z Chip Siebdruckverfahren Temperatur, Druck und die spezifischen Eigenschaften eines optional verwendeten Klebers bestimmen die zur Anpassung an die Antenne relevante Impedanz. 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. Messung von Z Chip unter Berücksichtigung der Aufbau- und Verbindungstechnologie. Messung der Antennenimpedanz Z A. Optimierte Transponder für die Anwendung im UHF Frequenzbereich.

7 Problemstellung und Anwendungsbereich 7 Messverfahren zur Impedanzbestimmung Impedanzmessung unter Verwendung eines LCR-Meters Agilent RF LCR Meter 4287A 1 MHz 3 GHz Bestimmung der Impedanz einer induktiven Schleifenantenne für HF-RFID Transponder Frequenzbereich: 1 MHz 3 GHz, in 1 khz Schritten Impedanzbereich: 2 mω 3 kω Messgenauigkeit: 1% Highspeed Messung: 9 ms Gerätepreis: ~3. US$

8 Problemstellung und Anwendungsbereich 8 Messverfahren zur Impedanzbestimmung Impedanzmessung unter Verwendung einer Kombination aus Netzwerkanalysator und On-Wafer-Prober Agilent Network Analyzer 1 MHz 11 GHz PNA E8361A Süss Microtec On-Wafer-Prober 1 MHz 11 GHz PA 2 HS PNA E8361A Network Analyzer Frequenzbereich: 1 MHz 67 GHz, mit Frequenzbereichserweiterung 1 MHz 11 GHz Dynamikbereich: > 9 db Messgeschwindigkeit: < 26 µs/point Gerätepreis: ~ 145. US$ mit Frequenzbereichserweiterung ~ 25. US$ On-Wafer-Prober Frequenzbereich: DC 11 GHz Messspitzen: Süss Z Probe, koplanar PA 2 HS Probe Frequenzbereichserweiterung Transponderchips

9 Problemstellung und Anwendungsbereich Messverfahren zur Impedanzbestimmung 9 Vergleich der Messgenauigkeiten von Netzwerkanalysator und Impedanzanalysator Darstellung der 1% Genauigkeitsgrenzen bei der Messung der frequenzabhängigen Impedanz von Kondensatoren (1 pf und 1 pf) mit einem Netzwerkanalysator und einem Impedanzanalysator. Quelle: The University of Texas at Austin, Dept. of Electrical and Computer Engineering MicroElectromagnetics Device Group Chipimpedanzen bei f = 868 MHz: Philips UCode EPC 1.19 Z Chip ( 4 j 8 ) Atmel ATA559 Z Chip ( 1 j 2 ) Impinj Monza Z Chip ( 35 j 11 ) Die Verwendung des Netzwerkanalysators ist möglich. = Ω = Ω = Ω

10 Impedanzmessung mit koaxialen Messspitzen Parametrisierte Simulationsmodelle unter Ansoft HFSS Bowtieantenne mit modulierter Berandungskurve 1 MBow 1 MBow 2 Anregung: Lumped Port y y MBow 3 x x

11 Impedanzmessung mit koaxialen Messspitzen 11 Simulationsmodelle mit koaxialer Speisung der Dipolantenne Für die Verifizierung des Verfahrens werden für den Vergleich zwischen Simulationsund Messergebnissen skalierte Modelle der Antennen MBow 2 und MBow 3 verwendet, deren erste Serienresonanz oberhalb von f=2 GHz auftritt. Die Antennen werden in einem fotolithografischen Prozess hergestellt. Seitenansicht Außenleiter Innenleiter Dielektrikum Tor 1 Substrat Innenleiter Deembeddinglänge Tor 2 3D Ansicht (ohne Substrat) Antennenarme Bezeichner Wellenwiderstand Materialdaten des Dielektrikums Abmessungen d I EZ86 5 Ω ε r = 2.7, µ r = 1 d d d I D A =.51 mm = 1.68 mm = 2.2 mm d A d D

12 Impedanzmessung mit koaxialen Messspitzen 12 Die Berechnung der Antennenimpedanz 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 Das Ersatzschaltbild des Simulationsmodells und Messaufbaus: [ S ] γl S = e S e γl 1 [ ] [ ] [ ] ([ ] [ ]) 1 B ([ ] [ ]) Z = Z E S E + S Z B U U U U U U Z in = = = + = Z 1 + Z 2 2 I I I I I [ ] det Z + Z 11 Z B,2 + Z 12 Z B,1 a Z 1 = Z + Z Z a Z 22 B,2 12 [ ] ( B ) det Z a + Z Z a + Z Z = Z + Z a Z 22 B,1 21 B,2 11,1 21, Z Z + Z a = Z Z + Z B, B,1 Anregungsvektor des Mehrleitersystems: U G 1 = U a

13 Impedanzmessung mit koaxialen Messspitzen Vergleich zwischen Simulations- und Messergebnissen 13 MBow Messung HFSS 1 HFSS 2 HFSS Messung HFSS 1 HFSS 2 HFSS Messung HFSS 1 HFSS 2 HFSS 3 S 11 / db 3 4 Re{Z in } / Ω 8 6 Im{Z in } / Ω Speisebereich der Antenne MBow S 11 / db Messung HFSS 1 HFSS 2 HFSS Re{Z in } / Ω MBow 3 Messung HFSS 1 HFSS 2 HFSS Im{Z in } / Ω Messung HFSS 1 HFSS 2 HFSS y / mm x / mm Strukturelle Variante des Antennenmodells durch Entfernen eines Streifens der Breite b über der Geometrieberandung

14 Impedanzmessung mit koaxialen Messspitzen 14 Anregungsvariante MBow 2 Antennenmodell MBow LP OCP EZ86 TCP EZ86 MBow LP OCP EZ86 TCP EZ86 Lumped Port Re{Z in } / Ω 8 6 Im{Z in } / Ω OCP EZ TCP EZ LP OCP EZ86 TCP EZ86 MBow LP OCP EZ86 TCP EZ86 Re{Z in } / Ω 5 4 Im{Z in } / Ω 1 TCP EZ

15 Weiterentwicklung des Verfahrens 15 Einsatz koaxialer Messspitzen mit möglichst kleinem Querschnitt EZ86 EZ34 d I =.51 mm d I =.2 mm d D =1.68 mm d D =.66 mm d A =2.2 mm d A =.88 mm Innenleiter der koaxialen Messspitzen Antennenarme Anwendung planarer Kalibrierverfahren Deembeding entfällt; Kalibrierstandards auf Antennensubstrat erforderlich Mechanische Positionierung zur Reproduktion der Messung Mikroskopaufnahme der Kontaktierung der Innenleiter der Koaxialkabel (EZ34) mit der Spiralantenne ohne Lötkontakt

16 16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!