超高頻射頻識別標(biāo)簽靈敏度測試

超高頻標(biāo)簽是指840M到960MHz無源射頻識別標(biāo)簽。這個波段的標(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。這個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了超高頻860M-960MHz范圍的射頻識別協(xié)議。這個協(xié)議的特點(diǎn)是通過微秒級的讀寫器-標(biāo)簽應(yīng)答，和較科學(xué)的防碰撞機(jī)制，實現(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，識讀距離可以達(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組織接受這個標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)為ISO 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)。近年來我國也在這個技術(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。射頻識別標(biāo)簽單價較低，但是用量很大，對于設(shè)計制造就要求更高。由于標(biāo)簽設(shè)計技術(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。這個方法采用一對左右圓極化天線，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。

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。

這兩個測試結(jié)果看上去不同，但實際上都是通過測試儀發(fā)射功率計算來的。

EPCglobal標(biāo)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(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)。

ISO標(biāo)簽處場強(qiáng)計算公式：

其中，P是發(fā)射功率(W)，G是發(fā)生天線增益，R是發(fā)生天線到標(biāo)簽距離(m)。這些公式的根本是自由空間傳輸損耗公式和天線增益定義推導(dǎo)而來。

計算和推算

單極子天線射頻傳輸公式：

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.

表格1自由空間傳輸損耗和距離、頻率的關(guān)系

要注意的，上述是遠(yuǎn)場球面波模型下推算的，收發(fā)距離太近會使得計算結(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。

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對測試距離的要求。

表格2 ISO最短測試距離和天線尺寸、頻率的關(guān)系

多種測試項目

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。我們在上述遠(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：

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的閱讀器識讀的距離。EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)[2]提供了計算方法，且結(jié)果通常大于正向連接距離。

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(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。