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時(shí)間:2018/12/24閱讀:1782 關(guān)鍵詞:電子發(fā)燒友
超高頻標(biāo)簽是指840M到960MHz無源射頻識(shí)別標(biāo)簽。這個(gè)波段的標(biāo)簽起源自EPCglobal Class 1 Generation 2標(biāo)準(zhǔn)。 其中EPCglobal是電子產(chǎn)品編碼標(biāo)準(zhǔn)組織,第一類第二代RFID標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常也被縮寫為C1G2。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了超高頻860M-960MHz范圍的射頻識(shí)別協(xié)議。這個(gè)協(xié)議的特點(diǎn)是通過微秒級(jí)的讀寫器-標(biāo)簽應(yīng)答,和較科學(xué)的防碰撞機(jī)制,實(shí)現(xiàn)快速、幾十米距離的標(biāo)簽讀寫。理想情況下每秒盤點(diǎn)標(biāo)簽可達(dá)兩三百個(gè),識(shí)讀距離可以達(dá)到30米左右,曾經(jīng)一度被熱捧為下一代智能物流的標(biāo)準(zhǔn)。其后ISO組織接受這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),轉(zhuǎn)為ISO 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)。近年來我國也在這個(gè)技術(shù)上發(fā)展革新,推出了自有標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29768,其頻率規(guī)定在840-845MHz 和 920M-925MHz,避開了臨近的GSM業(yè)務(wù)波段。
目前這些協(xié)議被統(tǒng)稱為800-900MHz超高頻射頻識(shí)別。而這些協(xié)議都繼承了高速應(yīng)答,快速盤點(diǎn),讀寫距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)。而這些熱門協(xié)議產(chǎn)品的性能成為使用的關(guān)鍵。其中尤其是標(biāo)簽,處于競爭激烈的中心。射頻識(shí)別標(biāo)簽單價(jià)較低,但是用量很大,對(duì)于設(shè)計(jì)制造就要求更高。由于標(biāo)簽設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)工藝的缺陷和不穩(wěn)定,就必須由性能測試來把關(guān)。
而這個(gè)標(biāo)簽靈敏度測試由于是非接觸射頻測量,又有各種技術(shù)問題需要克服。本文著重介紹其中的方法理論和實(shí)踐情況。
超高頻射頻標(biāo)簽靈敏度測試方法
基本設(shè)置
超高頻標(biāo)簽測試往往在微波暗箱或暗室進(jìn)行,也可以在半暗室和干擾較小的野外場地進(jìn)行。但是由于超高頻標(biāo)簽的頻率較高,波長只有1/3米左右,對(duì)暗室尺寸要求不太高,經(jīng)濟(jì)比較容易承受。關(guān)于標(biāo)簽測試的物理設(shè)置,有雙天線和單天線兩種主要方法。為了最大性能,EPCglobal、ISO倡導(dǎo)了雙天線法。這個(gè)方法采用一對(duì)左右圓極化天線,一發(fā)一收,達(dá)到最大收發(fā)隔離,使得測試系統(tǒng)可以用高功率發(fā)射,高靈敏度接收,從而應(yīng)對(duì)更差靈敏度的標(biāo)簽。為了方便起見,也有用環(huán)行器將雙天線合并為收發(fā)雙工的單天線配置,由于天線反射特性,總體系統(tǒng)性能低于雙天線配置。
超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽靈敏度的測試方法及解決方案
圖1雙天線標(biāo)簽測試配置示意圖
表示單位
標(biāo)簽靈敏度通??梢杂霉β驶驁鰪?qiáng)表示。EPCglobal比較實(shí)用,采用了RIPTUT,亦即標(biāo)簽接收到的單極子輻射功率。用通俗的話講,就是標(biāo)簽剛好可以工作的射頻場強(qiáng)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(qiáng)表示,也就是使得標(biāo)簽正常工作的最小場強(qiáng)。它的單位是V/m。
這兩個(gè)測試結(jié)果看上去不同,但實(shí)際上都是通過測試儀發(fā)射功率計(jì)算來的。
EPCglobal標(biāo)簽接收單極子功率計(jì)算公式:
RIP=EIRP-PL 公式 1
EIRP=P+GTx 公式 2
其中EIRP是儀器發(fā)射等效單極子輻射功率(dBm),PL是儀器發(fā)射天線到標(biāo)簽的自由空間傳輸損耗(dB),P是發(fā)射天線輸入功率(dBm),GTx是發(fā)射天線增益(dB)。
超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽靈敏度的測試方法及解決方案
其中PRx是接收功率,PTx是發(fā)生功率,Ae是天線等效孔徑面積,R是收發(fā)天線距離。這個(gè)公式描述了理想單極子天線間遠(yuǎn)場傳輸損耗和距離的關(guān)系。下面我們給出幾個(gè)典型樣本頻點(diǎn),在典型測試距離上的自由空間傳輸損耗,單位是dB.
超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽靈敏度的測試方法及解決方案
要注意的,上述是遠(yuǎn)場球面波模型下推算的,收發(fā)距離太近會(huì)使得計(jì)算結(jié)果偏離。EPCglobal規(guī)定在0.8-1米距離。ISO 18046-3規(guī)定最近測試距離。
超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽靈敏度的測試方法及解決方案
其中,R是測試距離,L是發(fā)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(duì)測試距離的要求。
超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽靈敏度的測試方法及解決方案
多種測試項(xiàng)目
正向連接距離
在標(biāo)簽靈敏度測試當(dāng)中,大家經(jīng)常聽到詢問標(biāo)簽讀寫距離。讀寫距離和標(biāo)簽靈敏度、標(biāo)簽反射功率有關(guān),但是實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中又和讀寫器性能有關(guān)。所以在測試中假設(shè)讀寫器用35dBm功率通過理想單極子天線發(fā)射,可以讀寫的距離。那么問題來了,超高頻標(biāo)簽讀寫距離很遠(yuǎn),是否要裝備超大的射頻暗室呢?非也。我們?cè)谏鲜鲞h(yuǎn)場條件測量標(biāo)簽最小工作功率,減去發(fā)射天線增益,得到等效單極子輻射功率EIRPTX然后根據(jù)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:
超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽靈敏度的測試方法及解決方案
正向連接距離(forward link range)啊啊也稱為讀取距離,取決于標(biāo)簽開啟工作所需要的場強(qiáng)。
反向連接距離
標(biāo)簽反射的功率大小決定了讀寫器可以在多遠(yuǎn)讀到,所以可從標(biāo)簽反射功率推算反向連接距離(reverse link range)。反向連接距離就是反射功率被天線增益5dBil、接收靈敏度-70dBm的閱讀器識(shí)讀的距離。EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)[2]提供了計(jì)算方法,且結(jié)果通常大于正向連接距離。
超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽靈敏度的測試方法及解決方案
其中,EIRPTx0是反向連接靈敏度需要的發(fā)射等效單極子功率,定義為正向連接靈敏度加2dB;PRx0是EIRPTx0發(fā)射條件下接收到的標(biāo)簽反射功率;GRx是接收天線增益。
不同標(biāo)簽工作模式的靈敏度
標(biāo)簽在被識(shí)讀ID號(hào)、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(gè)工作模式的靈敏度是不一樣的。這也就有了識(shí)別、讀取、寫入靈敏度3個(gè)測試模式。上述工作最低功率、最小場強(qiáng)、前向和反向讀取距離,都有這3中工作模式下的指標(biāo),且各不相同。
EIRP和ERP
在諸多標(biāo)準(zhǔn)里面用等效單極子發(fā)射功率較多,但是也有用ERP的。ERP在2013年發(fā)布的國家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)里面是指等效偶極子天線發(fā)射功率。理想的偶極子天線增益是2.2左右,所以兩者就差了這么一個(gè)常量。
參數(shù)舉例
我們假設(shè)發(fā)射和接收天線增益都是6dBi,測試距離1米,標(biāo)簽天線增益2dB,標(biāo)簽反射損耗5dB,當(dāng)儀器發(fā)射頻率915MHz,功率PTx時(shí),標(biāo)簽接收到功率。
PTag=PTx+6-31.7+2=PTx-23.7
公式 11
假設(shè)標(biāo)簽反射功率是接收功率的1/3,大約-5dB。那么測試儀接收機(jī)接收到的功率如下:
PRx=PTag-5+2-31.7+6= PTag-28.7
公式 12 根據(jù)這兩個(gè)公式計(jì)算不同發(fā)射功率對(duì)應(yīng)芯片和接收機(jī)接收到的功率:
超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽靈敏度的測試方法及解決方案
也就是說在較理想情況,1米距離測試超高頻標(biāo)簽接收到的標(biāo)簽反射功率比發(fā)射功率小大約62dB。目前最好的標(biāo)簽可以達(dá)到-18dBm左右的開啟功率,所以,測試儀接收到的標(biāo)簽信號(hào)功率一般在-47.4dBm以上。實(shí)際情況下,由于標(biāo)簽天線設(shè)計(jì),使得其增益小于2或者阻抗匹配帶來衰減,標(biāo)簽反射比-5dB小一些??紤]到這些因素,假設(shè)不超過10dB影響,接收功率在-60dBm以上。
所以RFID標(biāo)簽靈敏度測試并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(jì)量校準(zhǔn)是最關(guān)鍵的指標(biāo)。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(biāo)簽比的是靈敏度和讀寫距離。
測試實(shí)例
筆者使用聚星儀器的第二代RFID綜合測試儀,在暗箱環(huán)境測試了2款超高頻標(biāo)簽的靈敏度。其中一個(gè)被測標(biāo)簽是EPC C1G2另一個(gè)是國標(biāo)800/900MHz標(biāo)簽。每一個(gè)標(biāo)簽測試10遍,得到其重復(fù)精度。
超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽靈敏度的測試方法及解決方案
(a)EPCUHF樣本標(biāo)準(zhǔn)差<0.04dBm
(b) 國標(biāo)樣本標(biāo)準(zhǔn)差<0.07dBm
圖2兩種標(biāo)簽的識(shí)別最小開啟功率
圖2展示了重復(fù)度測試的曲線。其中(a)是EPCglobalC1G2 UHF樣品標(biāo)簽的識(shí)別功率,(b)是國標(biāo)800/900M標(biāo)簽樣品的識(shí)別功率。可以看到這組樣品中,國標(biāo)標(biāo)簽靈敏度優(yōu)于EPC標(biāo)簽,而我們發(fā)現(xiàn)國標(biāo)標(biāo)簽在臨界功率下能否啟動(dòng)有更大隨機(jī)性,所以其標(biāo)準(zhǔn)差略大于EPC樣本標(biāo)簽。總之,在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中展示了儀器重復(fù)度優(yōu)于0.1dB的重復(fù)度。而通常低端用讀寫器芯片或類似技術(shù)組裝的測
試設(shè)備重復(fù)精度遠(yuǎn)差于本儀器的性能,從而給計(jì)量準(zhǔn)確性帶來較大問題。
在計(jì)量校準(zhǔn)方面,國家計(jì)量院體系已經(jīng)具備RFID測試儀校準(zhǔn)方法和設(shè)施,同時(shí)也具備了天線增益測量的設(shè)備。筆者送檢4個(gè)RFID測試天線,測試其增益,并且和實(shí)驗(yàn)室兩兩天線對(duì)射驗(yàn)證,達(dá)到很高的一致性和重復(fù)精度。
總結(jié)
超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽測試是通過高精度儀器和天線,在計(jì)量校準(zhǔn)保證下實(shí)現(xiàn)的高精度可溯源測試。儀器通過空中接口指令與被測標(biāo)簽應(yīng)答,在較近的距離測試標(biāo)簽識(shí)別、讀取、和寫入需要的入射最小功率,和標(biāo)簽反射功率。然后根據(jù)這個(gè)最小工作功率計(jì)算標(biāo)簽的等效單極子天線接收功率靈敏度、前向連接距離;根據(jù)功率靈敏度和反射功率計(jì)算反向連接距離。
對(duì)于測試條件和測量單位,EPCglobal和ISO有不同規(guī)定。EPCglobal采用等效功率和距離,ISO采用場強(qiáng)和反射雷達(dá)截面積變化率。前者更接近使用場景,后者更接近物理原理,但是兩者實(shí)際上都是相同物理量測量的推算結(jié)果,沒有優(yōu)劣之分。
根據(jù)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,標(biāo)簽測試距離大多在1米以內(nèi),發(fā)射功率在0-30dBm,接收信號(hào)功率大多在-60dBm以上。
在測量儀器方面,高精度的儀器是基礎(chǔ),精確計(jì)量和校準(zhǔn)包括儀器射頻收發(fā)和天線增益是精度保障。目前高端儀器測量精度可達(dá)0.3dB,而重復(fù)度可優(yōu)于0.1dB。