超高頻標(biāo)簽是指840M到960MHz的無(wú)源RFID標(biāo)簽。此頻段的標(biāo)簽源自EPCglobal Class 1 Generation 2標(biāo)準(zhǔn)。EPCglobal是電子產(chǎn)品編碼標(biāo)準(zhǔn)組織，第二代RFID標(biāo)準(zhǔn)的第一類?？s寫為C1G2。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了860M-960MHz超高頻范圍內(nèi)的射頻識(shí)別協(xié)議。該協(xié)議的特點(diǎn)是微秒級(jí)的讀寫器-標(biāo)簽響應(yīng)和科學(xué)的防碰撞機(jī)制，可以在幾十米的距離內(nèi)快速讀寫標(biāo)簽。理想情況下，每秒鐘有兩三百個(gè)庫(kù)存標(biāo)簽，閱讀距離可以達(dá)到30米左右。一度被譽(yù)為下一代智能物流的標(biāo)準(zhǔn)。之后，ISO接受了這一標(biāo)準(zhǔn)，并將其更改為icub c標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，我國(guó)也在該技術(shù)上有所發(fā)展和創(chuàng)新，推出了自己的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29768，其頻率設(shè)置在840-845MHz和920M-925MHz，避開(kāi)了相鄰的GSM業(yè)務(wù)頻段。

目前，這些協(xié)議統(tǒng)稱為800-900MHz超高頻RFID。這些協(xié)議繼承了響應(yīng)速度快、盤點(diǎn)速度快、讀寫距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。這些流行協(xié)議產(chǎn)品的性能成為使用的關(guān)鍵。其中，標(biāo)簽處于激烈競(jìng)爭(zhēng)的中心。RFID標(biāo)簽單價(jià)低，但使用量大，對(duì)設(shè)計(jì)和制造要求較高。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)定性，必須通過(guò)性能測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)。

然而，由于非接觸式射頻測(cè)量，這種標(biāo)簽靈敏度測(cè)試有各種技術(shù)問(wèn)題要克服。本文著重研究方法、理論和實(shí)踐。

超高頻射頻標(biāo)簽靈敏度測(cè)試方法

基本設(shè)置

UHF標(biāo)簽測(cè)試往往在微波黑盒或暗室中進(jìn)行，也可以在干擾較少的半暗室和野外進(jìn)行。但由于UHF標(biāo)簽的頻率很高，波長(zhǎng)只有1/3米左右，對(duì)暗室尺寸的要求也不太高，所以經(jīng)濟(jì)上相對(duì)容易承受。標(biāo)簽測(cè)試的物理設(shè)置主要有兩種方法，即雙天線和單天線。為了獲得最佳性能，EPCglobal和ISO提倡使用雙天線方法。這種方法使用一對(duì)左右圓極化天線，一個(gè)發(fā)射一個(gè)接收，實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的最大隔離，使測(cè)試系統(tǒng)可以高功率發(fā)射，高靈敏度接收，以應(yīng)對(duì)靈敏度更差的標(biāo)簽。為了方便起見(jiàn)，循環(huán)器也用于將雙天線組合成具有雙工收發(fā)器的單天線配置。由于天線反射特性，整體系統(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

代表單位

標(biāo)簽的靈敏度通?？梢杂霉β驶驁?chǎng)強(qiáng)來(lái)表示。Epc比較實(shí)用，用的是RIPTUT，也就是標(biāo)簽接收到的單極輻射功率。通俗地說(shuō)，就是標(biāo)簽在理想單極天線接收到的功率下剛好可以工作的射頻場(chǎng)強(qiáng)。它的單位是dBm。

ISO測(cè)試用場(chǎng)強(qiáng)表示，即使標(biāo)簽正常工作的最小場(chǎng)強(qiáng)。它的單位是伏特/米。

兩個(gè)測(cè)試結(jié)果看起來(lái)不一樣，實(shí)際上是由測(cè)試人員的發(fā)射功率計(jì)算出來(lái)的。

EPCglobal標(biāo)簽接收單極功率計(jì)算公式:

RIP=EIRP-PL方程1

EIRP=P+GTx公式2

其中EIRP是儀器發(fā)射的等效單極輻射功率(dBm)，PL是儀器發(fā)射天線到標(biāo)簽的自由空傳輸損耗(dB)，p是發(fā)射天線的輸入功率(dBm)，GTx是發(fā)射天線增益(dB)。

其中，PRx是接收功率，PTx是產(chǎn)生的功率，Ae是天線的等效孔徑面積，R是發(fā)射天線和接收天線之間的距離。該公式描述了遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸損耗與理想單極天線之間距離的關(guān)系。下面，我們給出幾個(gè)典型的采樣頻點(diǎn)，以及典型測(cè)試距離上free 空之間的傳輸損耗，單位為dB。

需要注意的是，上述計(jì)算是基于遠(yuǎn)場(chǎng)球面波模型，如果收發(fā)距離太近，計(jì)算結(jié)果會(huì)有偏差。Epc規(guī)定的距離為0.8-1m。ISO 18046-3規(guī)定了最近的測(cè)試距離。

其中r是測(cè)試距離，l是發(fā)射天線的最大邊長(zhǎng)(直徑)。我們給出了ISO對(duì)典型天線尺寸和典型頻率下的測(cè)試距離的要求。

各種測(cè)試項(xiàng)目

正向連接距離

在標(biāo)簽敏感度測(cè)試中，人們經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到關(guān)于標(biāo)簽讀寫距離的問(wèn)題。讀寫距離與標(biāo)簽靈敏度和標(biāo)簽入射功率有關(guān)，但在實(shí)際應(yīng)用中與閱讀器性能有關(guān)。因此，在測(cè)試中，假設(shè)讀寫器可以通過(guò)理想單極天線以35dBm的功率讀寫。那么，問(wèn)題來(lái)了，超高頻標(biāo)簽的讀寫距離很長(zhǎng)。需要配備超大的射頻暗室嗎？不可以，我們測(cè)量標(biāo)簽在上述遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的最小工作功率，減去發(fā)射天線的增益，得到等效單極子輻射功率EIRPTX。然后根據(jù)空之間的傳輸衰減與距離的平方成正比的原理，我們可以計(jì)算出讀寫距離:

前向鏈接范圍，也稱為閱讀距離，取決于標(biāo)簽打開(kāi)所需的場(chǎng)強(qiáng)。

反向連接距離

標(biāo)簽的反射功率決定了讀取器能讀取多遠(yuǎn)，因此可以根據(jù)標(biāo)簽的入射功率計(jì)算反向鏈路范圍。反接距離是天線增益為5dBil，接收靈敏度為-70dBm的閱讀器可以讀取入射功率的距離。Epc標(biāo)準(zhǔn)[2]提供了一種計(jì)算方法，結(jié)果通常大于正向連接距離。

其中EIRPTx0為反向連接靈敏度所需的傳輸?shù)刃螛O功率，定義為正向連接靈敏度加2dBPRx0為EIRPTx0傳輸條件下接收的標(biāo)簽入射功率；GRx是接收天線增益。

不同標(biāo)簽工作模式的靈敏度

標(biāo)簽在讀取ID號(hào)、讀取寄存器信息和寫入寄存器信息三種工作模式下消耗的功率不同，即這三種工作模式的靈敏度不同。測(cè)試模式有三種:識(shí)別、讀寫靈敏度。上面提到的最小工作功率、最小場(chǎng)強(qiáng)、正反向閱讀距離，這三種工作模式下都有指標(biāo)，而且是不一樣的。

EIRP和企業(yè)資源規(guī)劃

在許多標(biāo)準(zhǔn)中，等效單極用于傳輸更多功率，但ERP也很有用。在ERP 2013年發(fā)布的國(guó)家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)中，指的是等效偶極子天線發(fā)射功率。理想的偶極天線增益約為2.2，所以兩者之間存在這樣一個(gè)常數(shù)差。

參數(shù)示例

我們假設(shè)發(fā)射和接收天線的增益為6dBi，測(cè)試距離為1米，標(biāo)簽天線的增益為2dB，標(biāo)簽的反射損耗為5dB。當(dāng)儀器發(fā)射頻率為915MHz，功率為PTx時(shí)，標(biāo)簽接收功率。

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

公式11

假設(shè)標(biāo)簽入射功率是接收功率的1/3，約為-5dB。那么測(cè)試儀接收器接收的功率如下:

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

等式12根據(jù)這兩個(gè)等式計(jì)算對(duì)應(yīng)于不同發(fā)射功率的芯片和接收器接收的功率:

也就是說(shuō)，在理想情況下，在1米距離處測(cè)試的UHF標(biāo)簽接收的標(biāo)簽入射功率比發(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(kāi)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)際由于標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)，其增益小于2或者阻抗匹配引起的衰減，標(biāo)簽反射比小于-5dB?？紤]到這些因素，假設(shè)影響不超過(guò)10dB，接收功率在-60dBm以上。

因此，RFID標(biāo)簽靈敏度測(cè)試不需要測(cè)試儀器像讀寫器一樣具有極低的靈敏度。相反，測(cè)試精度和測(cè)量校準(zhǔn)是最關(guān)鍵的指標(biāo)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，儀器就是在保證量值傳遞的情況下，進(jìn)行精確測(cè)量的工具，是和準(zhǔn)確度比的，不像被測(cè)標(biāo)簽，是和靈敏度，讀寫距離比的。

測(cè)試示例

筆者利用聚星儀器第二代RFID綜合測(cè)試儀，在黑盒環(huán)境下測(cè)試了兩種UHF標(biāo)簽的靈敏度。測(cè)試的標(biāo)簽一個(gè)是EPC C1G2，一個(gè)是800/900MHz標(biāo)簽。每個(gè)標(biāo)簽測(cè)試10次，以獲得其重復(fù)精度。

(a)EPCUHF樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差

(b)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差

圖2識(shí)別兩種標(biāo)簽的最小開(kāi)度

圖2顯示了重復(fù)性測(cè)試的曲線。其中(a)為EPCglobalC1G2 UHF樣品標(biāo)簽的識(shí)別能力，(b)為國(guó)標(biāo)800/900M標(biāo)簽樣品的識(shí)別能力?？梢钥闯觯谶@組樣本中，國(guó)標(biāo)標(biāo)簽的靈敏度優(yōu)于EPC標(biāo)簽，并且我們發(fā)現(xiàn)國(guó)標(biāo)標(biāo)簽?zāi)芊裨谂R界功率啟動(dòng)的隨機(jī)性更大，因此其標(biāo)準(zhǔn)差略大于EPC樣本標(biāo)簽。總之，這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明儀器的重復(fù)性優(yōu)于0.1dB，通常低端用讀寫器芯片或者類似技術(shù)組裝。

測(cè)試設(shè)備的重復(fù)精度遠(yuǎn)不如這臺(tái)儀器的性能，給測(cè)量精度帶來(lái)很大問(wèn)題。

在計(jì)量校準(zhǔn)方面，國(guó)家計(jì)量院系統(tǒng)已經(jīng)具備RFID測(cè)試儀的校準(zhǔn)方法和設(shè)施，也具備天線增益測(cè)量的設(shè)備。筆者將四個(gè)RFID測(cè)試天線送檢，測(cè)試其增益，并在實(shí)驗(yàn)室用兩個(gè)天線進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到了較高的一致性和重復(fù)精度。

摘要

超高頻RFID標(biāo)簽測(cè)試是在計(jì)量校準(zhǔn)的保證下，利用高精度儀器和天線進(jìn)行的高精度溯源測(cè)試。儀器通過(guò)空中的接口指令響應(yīng)被測(cè)標(biāo)簽，測(cè)試標(biāo)簽識(shí)別、讀寫所需的最小入射功率，以及近距離下標(biāo)簽入射功率。然后根據(jù)這個(gè)最小工作功率，計(jì)算標(biāo)簽等效單極天線的接收功率靈敏度和前向連接距離。根據(jù)功率靈敏度和入射功率，計(jì)算反接距離。

EPCglobal和ISO對(duì)測(cè)試條件和測(cè)量單位有不同的規(guī)定。Epc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，但兩者其實(shí)都是同一物理量測(cè)量的計(jì)算結(jié)果，沒(méi)有優(yōu)劣之分。

根據(jù)各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，標(biāo)簽的測(cè)試距離大多在1m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)，精確的測(cè)量和校準(zhǔn)，包括儀器射頻收發(fā)和天線增益，是準(zhǔn)確度的保證。目前高端儀器的測(cè)量精度可以達(dá)到0.3dB，重復(fù)性可以優(yōu)于0.1dB。

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