超高頻射頻標(biāo)簽測(cè)靈敏度的方法理論和實(shí)踐

超高頻標(biāo)簽是指840M到960MHz無(wú)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(guò)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(lái)我國(guó)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(jìng)爭(zhēng)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(cè)試來(lái)把關(guān)。

而這個(gè)標(biāo)簽靈敏度測(cè)試由于是非接觸射頻測(cè)量，又有各種技術(shù)問(wèn)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(cè)試方法

RFID

超高頻標(biāo)簽測(cè)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(biāo)簽的頻率較高，波長(zhǎng)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(cè)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(cè)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。

圖1雙天線標(biāo)簽測(cè)試配置示意圖

表示單位

標(biāo)簽靈敏度通?？梢杂霉β驶驁?chǎng)強(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(chǎng)強(qiáng)用理想單極子天線接收到的功率。它的單位是dBm。

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

這兩個(gè)測(cè)試結(jié)果看上去不同，但實(shí)際上都是通過(guò)測(cè)試儀發(fā)射功率計(jì)算來(lái)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)。

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(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(cè)試距離上的自由空間傳輸損耗，單位是dB.

要注意的，上述是遠(yuǎn)場(chǎng)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(cè)試距離。

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

多種測(cè)試項(xiàng)目

正向連接距離

在標(biāo)簽靈敏度測(cè)試當(dāng)中，大家經(jīng)常聽到詢問(wèn)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(cè)試中假設(shè)讀寫器用35dBm功率通過(guò)理想單極子天線發(fā)射，可以讀寫的距離。那么問(wèn)題來(lái)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(chǎng)條件測(cè)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(chǎng)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。

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(cè)試模式。上述工作最低功率、最小場(chǎng)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(guó)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(cè)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(cè)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：

也就是說(shuō)在較理想情況，1米距離測(cè)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(cè)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(lái)衰減，標(biāo)簽反射比-5dB小一些?？紤]到這些因素，假設(shè)不超過(guò)10dB影響，接收功率在-60dBm以上。

所以RFID標(biāo)簽靈敏度測(cè)試并不要求測(cè)試儀器像讀寫器那樣有極低的靈敏度，反而，測(cè)試精度和計(jì)量校準(zhǔn)是最關(guān)鍵的指標(biāo)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，儀器是在保證量值傳遞的條件下精確測(cè)量的工具，比的是精度，不像被測(cè)標(biāo)簽比的是靈敏度和讀寫距離。

測(cè)試實(shí)例

筆者使用聚星儀器的第二代RFID綜合測(cè)試儀，在暗箱環(huán)境測(cè)試了2款超高頻標(biāo)簽的靈敏度。其中一個(gè)被測(cè)標(biāo)簽是EPC C1G2另一個(gè)是國(guó)標(biāo)800/900MHz標(biāo)簽。每一個(gè)標(biāo)簽測(cè)試10遍，得到其重復(fù)精度。

(a)EPCUHF樣本標(biāo)準(zhǔn)差<0.04dBm

(b) 國(guó)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(cè)試的曲線。其中(a)是EPCglobalC1G2 UHF樣品標(biāo)簽的識(shí)別功率，(b)是國(guó)標(biāo)800/900M標(biāo)簽樣品的識(shí)別功率?？梢钥吹竭@組樣品中，國(guó)標(biāo)標(biāo)簽靈敏度優(yōu)于EPC標(biāo)簽，而我們發(fā)現(xiàn)國(guó)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?？傊?，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(cè)

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(lái)較大問(wèn)題。

在計(jì)量校準(zhǔn)方面，國(guó)家計(jì)量院體系已經(jīng)具備RFID測(cè)試儀校準(zhǔn)方法和設(shè)施，同時(shí)也具備了天線增益測(cè)量的設(shè)備。筆者送檢4個(gè)RFID測(cè)試天線，測(cè)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(cè)試是通過(guò)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(cè)試。儀器通過(guò)空中接口指令與被測(cè)標(biāo)簽應(yīng)答，在較近的距離測(cè)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(cè)試條件和測(cè)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(chǎng)強(qiáng)和反射雷達(dá)截面積變化率。前者更接近使用場(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)量?jī)x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(cè)量精度可達(dá)0.3dB，而重復(fù)度可優(yōu)于0.1dB。