超高頻射頻識別標籤靈敏度的測試方法及解決方案

　　超高頻標籤是指840M到960MHz無源射頻識別標籤。這個波段的標籤起源自EPCglobal Class 1 Generation 2標準。 其中EPCglobal是電子產品編碼標準組織，第一類第二代RFID標準經常也被縮寫為C1G2。這個標準規定了超高頻860M-960MHz範圍的射頻識別協議。這個協議的特點是通過微秒級的讀寫器-標籤應答，和較科學的防碰撞機制，實現快速、幾十米距離的標籤讀寫。理想情況下每秒盤點標籤可達兩三百個，識讀距離可以達到30米左右，曾經一度被熱捧為下一代智能物流的標準。其後ISO組織接受這個標準，轉為ISO 18000-6C標準。近年來我國也在這個技術上發展革新，推出了自有標準GB/T 29768，其頻率規定在840-845MHz 和 920M-925MHz，避開了臨近的GSM業務波段。

　　目前這些協議被統稱為800-900MHz超高頻射頻識別。而這些協議都繼承了高速應答，快速盤點，讀寫距離較遠的特點。而這些熱門協議產品的性能成為使用的關鍵。其中尤其是標籤，處於競爭激烈的中心。射頻識別標籤單價較低，但是用量很大，對於設計製造就要求更高。由於標籤設計技術和生產工藝的缺陷和不穩定，就必須由性能測試來把關。

　　而這個標籤靈敏度測試由於是非接觸射頻測量，又有各種技術問題需要克服。本文著重介紹其中的方法理論和實踐情況。

　　超高頻射頻標籤靈敏度測試方法

　　基本設置

　　超高頻標籤測試往往在微波暗箱或暗室進行，也可以在半暗室和幹擾較小的野外場地進行。但是由於超高頻標籤的頻率較高，波長只有1/3米左右，對暗室尺寸要求不太高，經濟比較容易承受。關於標籤測試的物理設置，有雙天線和單天線兩種主要方法。為了最大性能，EPCglobal、ISO倡導了雙天線法。這個方法採用一對左右圓極化天線，一發一收，達到最大收發隔離，使得測試系統可以用高功率發射，高靈敏度接收，從而應對更差靈敏度的標籤。為了方便起見，也有用環行器將雙天線合併為收發雙工的單天線配置，由於天線反射特性，總體系統性能低於雙天線配置。

　　圖1雙天線標籤測試配置示意圖

　　表示單位

　　標籤靈敏度通常可以用功率或場強表示。EPCglobal比較實用，採用了RIPTUT，亦即標籤接收到的單極子輻射功率。用通俗的話講，就是標籤剛好可以工作的射頻場強用理想單極子天線接收到的功率。它的單位是dBm。

　　ISO測試用場強表示，也就是使得標籤正常工作的最小場強。它的單位是V/m。

　　這兩個測試結果看上去不同，但實際上都是通過測試儀發射功率計算來的。

　　EPCglobal標籤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是儀器發射等效單極子輻射功率(dBm)，PL是儀器發射天線到標籤的自由空間傳輸損耗(dB)，P是發射天線輸入功率(dBm)，GTx是發射天線增益(dB)。

　　其中PRx是接收功率，PTx是發生功率，Ae是天線等效孔徑面積，R是收發天線距離。這個公式描述了理想單極子天線間遠場傳輸損耗和距離的關係。下面我們給出幾個典型樣本頻點，在典型測試距離上的自由空間傳輸損耗，單位是dB.

　　要注意的，上述是遠場球面波模型下推算的，收發距離太近會使得計算結果偏離。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。

　　多種測試項目

　　正向連接距離

　　在標籤靈敏度測試當中，大家經常聽到詢問標籤讀寫距離。讀寫距離和標籤靈敏度、標籤反射功率有關，但是實際應用當中又和讀寫器性能有關。所以在測試中假設讀寫器用35dBm功率通過理想單極子天線發射，可以讀寫的距離。那麼問題來了，超高頻標籤讀寫距離很遠，是否要裝備超大的射頻暗室呢?非也。我們在上述遠場條件測量標籤最小工作功率，減去發射天線增益，得到等效單極子輻射功率EIRPTX然後根據空間傳輸衰減和距離平方成正比的原理，可以推算出讀寫距離：

　　正向連接距離(forward link range)啊啊也稱為讀取距離，取決於標籤開啟工作所需要的場強。

　　反向連接距離

　　標籤反射的功率大小決定了讀寫器可以在多遠讀到，所以可從標籤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標準[2]提供了計算方法，且結果通常大於正向連接距離。

　　其中，EIRPTx0是反向連接靈敏度需要的發射等效單極子功率，定義為正向連接靈敏度加2dB;PRx0是EIRPTx0發射條件下接收到的標籤反射功率;GRx是接收天線增益。

　　不同標籤工作模式的靈敏度

　　標籤在被識讀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、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。

　　EIRP和ERP

　　在諸多標準裡面用等效單極子發射功率較多，但是也有用ERP的。ERP在2013年發布的國家電網公司標準裡面是指等效偶極子天線發射功率。理想的偶極子天線增益是2.2左右，所以兩者就差了這麼一個常量。

　　參數舉例

　　我們假設發射和接收天線增益都是6dBi，測試距離1米，標籤天線增益2dB，標籤反射損耗5dB，當儀器發射頻率915MHz，功率PTx時，標籤接收到功率。

　　PTag=PTx+6-31.7+2=PTx-23.7

　　公式 11

　　假設標籤反射功率是接收功率的1/3，大約-5dB。那麼測試儀接收機接收到的功率如下：

　　PRx=PTag-5+2-31.7+6= PTag-28.7

　　公式 12　　根據這兩個公式計算不同發射功率對應晶片和接收機接收到的功率：

　　也就是說在較理想情況，1米距離測試超高頻標籤接收到的標籤反射功率比發射功率小大約62dB。目前最好的標籤可以達到-18dBm左右的開啟功率，所以，測試儀接收到的標籤信號功率一般在-47.4dBm以上。實際情況下，由於標籤天線設計，使得其增益小於2或者阻抗匹配帶來衰減，標籤反射比-5dB小一些。考慮到這些因素，假設不超過10dB影響，接收功率在-60dBm以上。

　　所以RFID標籤靈敏度測試並不要求測試儀器像讀寫器那樣有極低的靈敏度，反而，測試精度和計量校準是最關鍵的指標。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，不像被測標籤比的是靈敏度和讀寫距離。

　　測試實例

　　筆者使用聚星儀器的第二代RFID綜合測試儀，在暗箱環境測試了2款超高頻標籤的靈敏度。其中一個被測標籤是EPC C1G2另一個是國標800/900MHz標籤。每一個標籤測試10遍，得到其重複精度。

　　(a)EPCUHF樣本標準差<0.04dBm

　　(b) 國標樣本標準差<0.07dBm

　　圖2兩種標籤的識別最小開啟功率

　　圖2展示了重複度測試的曲線。其中(a)是EPCglobalC1G2 UHF樣品標籤的識別功率，(b)是國標800/900M標籤樣品的識別功率。可以看到這組樣品中，國標標籤靈敏度優於EPC標籤，而我們發現國標標籤在臨界功率下能否啟動有更大隨機性，所以其標準差略大於EPC樣本標籤。總之，在這個實驗中展示了儀器重複度優於0.1dB的重複度。而通常低端用讀寫器晶片或類似技術組裝的測

　　試設備重複精度遠差於本儀器的性能，從而給計量準確性帶來較大問題。

　　在計量校準方面，國家計量院體系已經具備RFID測試儀校準方法和設施，同時也具備了天線增益測量的設備。筆者送檢4個RFID測試天線，測試其增益，並且和實驗室兩兩天線對射驗證，達到很高的一致性和重複精度。

　　總結

　　超高頻射頻識別標籤測試是通過高精度儀器和天線，在計量校準保證下實現的高精度可溯源測試。儀器通過空中接口指令與被測標籤應答，在較近的距離測試標籤識別、讀取、和寫入需要的入射最小功率，和標籤反射功率。然後根據這個最小工作功率計算標籤的等效單極子天線接收功率靈敏度、前向連接距離;根據功率靈敏度和反射功率計算反向連接距離。

　　對於測試條件和測量單位，EPCglobal和ISO有不同規定。EPCglobal採用等效功率和距離，ISO採用場強和反射雷達截面積變化率。前者更接近使用場景，後者更接近物理原理，但是兩者實際上都是相同物理量測量的推算結果，沒有優劣之分。

　　根據各項標準規範，標籤測試距離大多在1米以內，發射功率在0-30dBm，接收信號功率大多在-60dBm以上。

　　在測量儀器方面，高精度的儀器是基礎，精確計量和校準包括儀器射頻收發和天線增益是精度保障。目前高端儀器測量精度可達0.3dB，而重複度可優於0.1dB。

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