超高頻射頻識別標簽靈敏度測試

超高頻標簽是指840M到960MHz無(wú)源射頻識別標簽。這個(gè)波段的標簽起源自EPCglobal Class 1 Generation 2標準。 其中EPCglobal是電子產(chǎn)品編碼標準組織，第一類(lèi)第二代RFID標準經(jīng)常也被縮寫(xiě)為C1G2。這個(gè)標準規定了超高頻860M-960MHz范圍的射頻識別協(xié)議。這個(gè)協(xié)議的特點(diǎn)是通過(guò)微秒級的讀寫(xiě)器-標簽應答，和較科學(xué)的防碰撞機制，實(shí)現快速、幾十米距離的標簽讀寫(xiě)。理想情況下每秒盤(pán)點(diǎn)標簽可達兩三百個(gè)，識讀距離可以達到30米左右，曾經(jīng)一度被熱捧為下一代智能物流的標準。其后ISO組織接受這個(gè)標準，轉為ISO 18000-6C標準。近年來(lái)我國也在這個(gè)技術(shù)上發(fā)展革新，推出了自有標準GB/T 29768，其頻率規定在840-845MHz 和 920M-925MHz，避開(kāi)了臨近的GSM業(yè)務(wù)波段。

目前這些協(xié)議被統稱(chēng)為800-900MHz超高頻射頻識別。而這些協(xié)議都繼承了高速應答，快速盤(pán)點(diǎn)，讀寫(xiě)距離較遠的特點(diǎn)。而這些熱門(mén)協(xié)議產(chǎn)品的性能成為使用的關(guān)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(jià)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(shù)和生產(chǎn)工藝的缺陷和不穩定，就必須由性能測試來(lái)把關(guān)。

而這個(gè)標簽靈敏度測試由于是非接觸射頻測量，又有各種技術(shù)問(wèn)題需要克服。本文著(zhù)重介紹其中的方法理論和實(shí)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(jìn)行，也可以在半暗室和干擾較小的野外場(chǎng)地進(jìn)行。但是由于超高頻標簽的頻率較高，波長(cháng)只有1/3米左右，對暗室尺寸要求不太高，經(jīng)濟比較容易承受。關(guān)于標簽測試的物理設置，有雙天線(xiàn)和單天線(xiàn)兩種主要方法。為了最大性能，EPCglobal、ISO倡導了雙天線(xiàn)法。這個(gè)方法采用一對左右圓極化天線(xiàn)，一發(fā)一收，達到最大收發(fā)隔離，使得測試系統可以用高功率發(fā)射，高靈敏度接收，從而應對更差靈敏度的標簽。為了方便起見(jiàn)，也有用環(huán)行器將雙天線(xiàn)合并為收發(fā)雙工的單天線(xiàn)配置，由于天線(xiàn)反射特性，總體系統性能低于雙天線(xiàn)配置。

圖1雙天線(xiàn)標簽測試配置示意圖

表示單位

標簽靈敏度通?？梢杂霉β驶驁?chǎng)強表示。EPCglobal比較實(shí)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(huà)講，就是標簽剛好可以工作的射頻場(chǎng)強用理想單極子天線(xiàn)接收到的功率。它的單位是dBm。

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

這兩個(gè)測試結果看上去不同，但實(shí)際上都是通過(guò)測試儀發(fā)射功率計算來(lái)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(fā)射等效單極子輻射功率(dBm)，PL是儀器發(fā)射天線(xiàn)到標簽的自由空間傳輸損耗(dB)，P是發(fā)射天線(xiàn)輸入功率(dBm)，GTx是發(fā)射天線(xiàn)增益(dB)。

ISO標簽處場(chǎng)強計算公式：

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

計算和推算

單極子天線(xiàn)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(xiàn)等效孔徑面積，R是收發(fā)天線(xiàn)距離。這個(gè)公式描述了理想單極子天線(xiàn)間遠場(chǎng)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.

表格1自由空間傳輸損耗和距離、頻率的關(guān)系

要注意的，上述是遠場(chǎng)球面波模型下推算的，收發(fā)距離太近會(huì )使得計算結果偏離。EPCglobal規定在0.8-1米距離。ISO 18046-3規定最近測試距離。

其中，R是測試距離，L是發(fā)射天線(xiàn)最大邊長(cháng)(直徑)。下面我們給出典型天線(xiàn)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(xiàn)尺寸、頻率的關(guān)系

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(jīng)常聽(tīng)到詢(xún)問(wèn)標簽讀寫(xiě)距離。讀寫(xiě)距離和標簽靈敏度、標簽反射功率有關(guān)，但是實(shí)際應用當中又和讀寫(xiě)器性能有關(guān)。所以在測試中假設讀寫(xiě)器用35dBm功率通過(guò)理想單極子天線(xiàn)發(fā)射，可以讀寫(xiě)的距離。那么問(wèn)題來(lái)了，超高頻標簽讀寫(xiě)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(chǎng)條件測量標簽最小工作功率，減去發(fā)射天線(xiàn)增益，得到等效單極子輻射功率EIRPTX然后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(xiě)距離：

正向連接距離(forward link range)啊啊也稱(chēng)為讀取距離，取決于標簽開(kāi)啟工作所需要的場(chǎng)強。

反向連接距離

標簽反射的功率大小決定了讀寫(xiě)器可以在多遠讀到，所以可從標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(xiàn)增益5dBil、接收靈敏度-70dBm的閱讀器識讀的距離。EPCglobal標準[2]提供了計算方法，且結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簽反射功率;GRx是接收天線(xiàn)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(xiě)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。這也就有了識別、讀取、寫(xiě)入靈敏度3個(gè)測試模式。上述工作最低功率、最小場(chǎng)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。