超高頻射頻識別標簽靈敏度的測試方法及解決方案
来源: RFID世界网    发布时间: 2019-03-14 11:34   163 次浏览   大小:  16px  14px  12px
超高頻射頻識別標簽靈敏度的測試方法及解決方案

  超高频标签是指840M到960MHz无源射频识别标签。这个波段的标签起源自EPCglobal Class 1 Generation 2标准。 其中EPCglobal是电子天天看高清编码标准组织,第一类第二代RFID标准经常也被缩写为C1G2。这个标准规定了超高频860M-960MHz范围的射频识别协议。这个协议的特点是通过微秒级的读写器-标签应答,和较科学的防碰撞机制,实现快速、几十米距离的标签读写。理想情况下每秒盘点标签可达两三百个,识读距离可以达到30米左右,曾经一度被热捧为下一代智能物流的标准。其后ISO组织接受这个标准,转为ISO 18000-6C标准。近年来我国也在这个技术上发展革新,推出了自有标准GB/T 29768,其频率规定在840-845MHz 和 920M-925MHz,避开了临近的GSM业务波段。

  目前這些協議被統稱爲800-900MHz超高頻射頻識別。而這些協議都繼承了高速應答,快速盤點,讀寫距離較遠的特點。而這些熱門協議天天看高清的性能成爲使用的關鍵。其中尤其是標簽,處于競爭激烈的中心。射頻識別標簽單價較低,但是用量很大,對于設計制造就要求更高。由于標簽設計技術和生産工藝的缺陷和不穩定,就必須由性能測試來把關。

  而這個標簽靈敏度測試由于是非接觸射頻測量,又有各種技術問題需要克服。本文著重介紹其中的方法理論和實踐情況。

  超高頻射頻標簽靈敏度測試方法

  基本設置

  超高頻標簽測試往往在微波暗箱或暗室進行,也可以在半暗室和幹擾較小的野外場地進行。但是由于超高頻標簽的頻率較高,波長只有1/3米左右,對暗室尺寸要求不太高,經濟比較容易承受。關于標簽測試的物理設置,有雙天線和單天線兩種主要方法。爲了最大性能,EPCglobal、ISO倡導了雙天線法。這個方法采用一對左右圓極化天線,一發一收,達到最大收發隔離,使得測試系統可以用高功率發射,高靈敏度接收,從而應對更差靈敏度的標簽。爲了方便起見,也有用環行器將雙天線合並爲收發雙工的單天線配置,由于天線反射特性,總體系統性能低于雙天線配置。

  圖1雙天線標簽測試配置示意圖

  表示單位

  標簽靈敏度通常可以用功率或場強表示。EPCglobal比較實用,采用了RIPTUT,亦即標簽接收到的單極子輻射功率。用通俗的話講,就是標簽剛好可以工作的射頻場強用理想單極子天線接收到的功率。它的單位是dBm。

  ISO測試用場強表示,也就是使得標簽正常工作的最小場強。它的單位是V/m。

  這兩個測試結果看上去不同,但實際上都是通過測試儀發射功率計算來的。

  EPCglobal標簽接收單極子功率計算公式:

  RIP=EIRP-PL 公式 1

  EIRP=P+GTx 公式 2

  其中EIRP是儀器發射等效單極子輻射功率(dBm),PL是儀器發射天線到標簽的自由空間傳輸損耗(dB),P是發射天線輸入功率(dBm),GTx是發射天線增益(dB)。

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  其中PRx是接收功率,PTx是發生功率,Ae是天線等效孔徑面積,R是收發天線距離。這個公式描述了理想單極子天線間遠場傳輸損耗和距離的關系。下面我們給出幾個典型樣本頻點,在典型測試距離上的自由空間傳輸損耗,單位是dB.

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  要注意的,上述是远场球面波模型下推算的,收发距离太近会使得计算结果偏离。EPCglobal规定在0.8-1米距离。ISO 18046-3规定最近测试距离。

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  其中,R是測試距離,L是發射天線最大邊長(直徑)。下面我們給出典型天線尺寸和典型頻率下ISO對測試距離的要求。

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  多種測試項目

  正向連接距離

  在標簽靈敏度測試當中,大家經常聽到詢問標簽讀寫距離。讀寫距離和標簽靈敏度、標簽反射功率有關,但是實際應用當中又和讀寫器性能有關。所以在測試中假設讀寫器用35dBm功率通過理想單極子天線發射,可以讀寫的距離。那麽問題來了,超高頻標簽讀寫距離很遠,是否要裝備超大的射頻暗室呢?非也。我們在上述遠場條件測量標簽最小工作功率,減去發射天線增益,得到等效單極子輻射功率EIRPTX然後根據空間傳輸衰減和距離平方成正比的原理,可以推算出讀寫距離:

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  正向連接距離(forward link range)啊啊也称为读取距离,取决于标签开启工作所需要的场强。

  反向連接距離

  标签反射的功率大小决定了读写器可以在多远读到,所以可从标签反射功率推算反向连接距离(reverse link range)。反向连接距离就是反射功率被天线增益5dBil、接收灵敏度-70dBm的阅读器识读的距离。EPCglobal标准[2]提供了计算方法,且结果通常大于正向连接距离。

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  其中,EIRPTx0是反向連接靈敏度需要的發射等效單極子功率,定義爲正向連接靈敏度加2dB;PRx0是EIRPTx0發射條件下接收到的標簽反射功率;GRx是接收天線增益。

  不同標簽工作模式的靈敏度

  標簽在被識讀ID號、讀取寄存器信息、寫入寄存器信息的工作模式下需要消耗的功率不同,也就是這3個工作模式的靈敏度是不一樣的。這也就有了識別、讀取、寫入靈敏度3個測試模式。上述工作最低功率、最小場強、前向和反向讀取距離,都有這3中工作模式下的指標,且各不相同。

  EIRP和ERP

  在諸多標准裏面用等效單極子發射功率較多,但是也有用ERP的。ERP在2013年發布的國家電網公司標准裏面是指等效偶極子天線發射功率。理想的偶極子天線增益是2.2左右,所以兩者就差了這麽一個常量。

  參數舉例

  我們假設發射和接收天線增益都是6dBi,測試距離1米,標簽天線增益2dB,標簽反射損耗5dB,當儀器發射頻率915MHz,功率PTx時,標簽接收到功率。

  PTag=PTx+6-31.7+2=PTx-23.7

  公式 11

  假設標簽反射功率是接收功率的1/3,大約-5dB。那麽測試儀接收機接收到的功率如下:

  PRx=PTag-5+2-31.7+6= PTag-28.7

  公式 12  根据这两个公式计算不同发射功率对应芯片和接收机接收到的功率:

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  也就是說在較理想情況,1米距離測試超高頻標簽接收到的標簽反射功率比發射功率小大約62dB。目前最好的標簽可以達到-18dBm左右的開啓功率,所以,測試儀接收到的標簽信號功率一般在-47.4dBm以上。實際情況下,由于標簽天線設計,使得其增益小于2或者阻抗匹配帶來衰減,標簽反射比-5dB小一些。考慮到這些因素,假設不超過10dB影響,接收功率在-60dBm以上。

  所以RFID標簽靈敏度測試並不要求測試儀器像讀寫器那樣有極低的靈敏度,反而,測試精度和計量校准是最關鍵的指標。簡單來說,儀器是在保證量值傳遞的條件下精確測量的工具,比的是精度,不像被測標簽比的是靈敏度和讀寫距離。

  測試實例

  笔者使用聚星仪器的第二代RFID综合测试仪,在暗箱环境测试了2款超高频标签的灵敏度。其中一个被测标签是EPC C1G2另一个是国标800/900MHz标签。每一个标签测试10遍,得到其重复精度。

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  (a)EPCUHF樣本標准差<0.04dBm

  (b) 国标样本标准差<0.07dBm

  圖2兩種標簽的識別最小開啓功率

  图2展示了重复度测试的曲线。其中(a)是EPCglobalC1G2 UHF样品标签的识别功率,(b)是国标800/900M标签样品的识别功率。可以看到这组样品中,国标标签灵敏度优于EPC标签,而我们发现国标标签在临界功率下能否启动有更大随机性,所以其标准差略大于EPC样本标签。总之,在这个实验中展示了仪器重复度优于0.1dB的重复度。而通常低端用读写器芯片或类似技术组装的测

  試設備重複精度遠差于本儀器的性能,從而給計量准確性帶來較大問題。

  在計量校准方面,國家計量院體系已經具備RFID測試儀校准方法和設施,同時也具備了天線增益測量的設備。筆者送檢4個RFID測試天線,測試其增益,並且和實驗室兩兩天線對射驗證,達到很高的一致性和重複精度。

  總結

  超高頻射頻識別標簽測試是通過高精度儀器和天線,在計量校准保證下實現的高精度可溯源測試。儀器通過空中接口指令與被測標簽應答,在較近的距離測試標簽識別、讀取、和寫入需要的入射最小功率,和標簽反射功率。然後根據這個最小工作功率計算標簽的等效單極子天線接收功率靈敏度、前向連接距離;根據功率靈敏度和反射功率計算反向連接距離。

  對于測試條件和測量單位,EPCglobal和ISO有不同規定。EPCglobal采用等效功率和距離,ISO采用場強和反射雷達截面積變化率。前者更接近使用場景,後者更接近物理原理,但是兩者實際上都是相同物理量測量的推算結果,沒有優劣之分。

  根據各項標准規範,標簽測試距離大多在1米以內,發射功率在0-30dBm,接收信號功率大多在-60dBm以上。

  在測量儀器方面,高精度的儀器是基礎,精確計量和校准包括儀器射頻收發和天線增益是精度保障。目前高端儀器測量精度可達0.3dB,而重複度可優于0.1dB。

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