Testmethoden und Lösungen für die Empfindlichkeit ultrahochfrequenter RFID-Tags

　　Ultrahochfrequenz-Tags beziehen sich auf passive RFID-Tags von 840M bis 960 MHz. Die Bezeichnungen dieses Bands stammen aus dem EPCglobal Class 1 Generation 2 Standard. Unter ihnen ist EPCglobal die Organisation für elektronische Produktcodierungsstandards, und die erstklassigen RFID-Standards der zweiten Generation werden oft als C1G2 abgekürzt. Dieser Standard spezifiziert das Funkfrequenz-Identifikationsprotokoll im Ultrahochfrequenzbereich von 860M–960 MHz. Dieses Protokoll verfügt über eine Mikrosekunden-Leser-zu-Tag-Antwort und einen wissenschaftlichen Kollisionsvermeidungsmechanismus, der schnelles Tag-Lesen und Schreiben über Dutzend Meter ermöglicht. Idealerweise kann er zwei bis dreihundert Etiketten pro Sekunde zählen, mit einer Lesedistanz von etwa 30 Metern, was einst als Standard für die nächste Generation intelligenter Logistik galt. Später akzeptierte die ISO-Organisation diesen Standard und wandelte ihn auf ISO 18000-6C um. In den letzten Jahren hat China auch in dieser Technologie innoviert und seinen eigenen Standard GB/T 29768 eingeführt, der Frequenzen in 840-845 MHz und 920M-925 MHz angibt und die benachbarten GSM-Versorgungsbänder umgeht.

　　Derzeit werden diese Protokolle zusammenfassend als 800-900 MHz Ultrahochfrequenz-RFID (UHF) bezeichnet. Diese Protokolle übernehmen alle Eigenschaften wie Hochgeschwindigkeitsreaktion, schnelle Inventarisierung und lange Lese-/Schreibdistanzen. Die Leistung dieser beliebten Protokollprodukte ist entscheidend für ihre Nutzung. Unter ihnen stehen Labels im Zentrum erbitterter Konkurrenz. RFID-Tags haben einen relativ niedrigen Stückpreis, werden aber in großen Mengen verwendet, was höhere Anforderungen an Design und Fertigung stellt. Aufgrund von Mängeln und Instabilität in der Etikettendesign-Technologie und Produktionsprozessen ist Leistungstests für die Kontrolle unerlässlich.

　　Da dieser Tag-Sensitivitätstest jedoch eine kontaktlose RF-Messung beinhaltet, müssen verschiedene technische Herausforderungen überwunden werden. Dieser Artikel konzentriert sich darauf, die theoretischen Methoden und praktischen Aspekte dieser Methoden einzuführen.

　　Empfindlichkeitstestmethode für ultrahochfrequente HF-Tags

　　Grundaufstellung

　　UHF-Tag-Tests werden häufig in Mikrowellen-anechoischen Kammern oder Dunkelkammern durchgeführt, können aber auch in Halbdunkelkammern oder Feldstandorten mit weniger Störungen durchgeführt werden. Da UHF-Tags jedoch relativ hohe Frequenzen und Wellenlängen von nur etwa einem Drittel Meter haben, sind die Anforderungen an die anechoische Kammergröße nicht sehr hoch, was sie wirtschaftlich leichter zu tragen macht. Bezüglich des physischen Aufbaus der Label-Tests gibt es zwei Hauptmethoden: Dual-Antenne und Single-Antenne. Für maximale Leistung empfehlen EPCglobal und ISO die Dual-Antenne-Methode. Diese Methode verwendet ein Paar von links-rechts zirkulären Polarisationsantennen, eine sendend und eine empfangend, wodurch maximale Sende- und Empfangsisolation erreicht wird, sodass das Testsystem mit hoher Leistung senden und mit hoher Empfindlichkeit empfangen kann, wodurch Etiketten mit geringerer Empfindlichkeit verarbeitet werden können. Zur Bequemlichkeit wird ein Looper auch verwendet, um Doppelantennen zu einer einzigen Antennenkonfiguration mit Sende-/Empfangsduplex zu kombinieren. Aufgrund der Antennenreflexionseigenschaften ist die Gesamtleistung des Systems niedriger als bei Dual-Antennen-Konfigurationen.

　　Abbildung 1 Schaltplan der Dual-Antenne-Tag-Testkonfiguration

　　Zeigt die Einheit an

　　Die Etikettsensitivität wird üblicherweise in Form von Leistung oder Feldstärke angegeben. EPCglobal ist praktischer und verwendet RIPTUT, das die vom Tag empfangene unipolare Strahlungsleistung darstellt. Einfach ausgedrückt ist die HF-Feldstärke, mit der das Tag arbeiten kann, die Leistung einer idealen Monopolantenne. Seine Einheit ist dBm.

　　Die ISO-Testfeldstärke wird als die minimale Feldstärke angegeben, die erforderlich ist, damit das Etikett ordnungsgemäß funktioniert. Seine Einheit ist V/m.

　　Diese beiden Testergebnisse können unterschiedlich aussehen, werden aber tatsächlich beide mit der übertragenen Leistung des Prüfers berechnet.

　　Das EPCglobal-Tag erhält die Formel zur Berechnung der Monopolleistung:

　　RIP=EIRP-PL Formel 1

　　EIRP = P + GTx Formel 2

　　Dabei ist EIRP die äquivalente Monopolstrahlungsleistung des Instruments (dBm), PL der Freiraum-Übertragungsverlust der Antenne, die zum Tag sendet (dB), P die Eingangsleistung der sendenden Antenne (dBm) und GTx der Gewinn der sendenden Antenne (dB).

　　Hier ist PRx die empfangene Leistung, PTx die erzeugte Leistung, Ae die äquivalente Aperturfläche der Antenne und R der Abstand zwischen Sende- und Empfangsantenne. Diese Formel beschreibt die Beziehung zwischen Fernfeldübertragungsverlust und Abstand zwischen idealen Monopolantennen. Im Folgenden präsentieren wir mehrere typische Stichprobenfrequenzpunkte mit Freiraum-Übertragungsverlust auf typischen Testdistanzen, gemessen in dB.

　　Beachten Sie, dass die obigen Berechnungen auf dem Fernfeld-Kugelwellenmodell basieren. Wenn die Sende-/Empfangsdistanz zu kurz ist, weichen die Berechnungsergebnisse ab. EPCglobal gibt eine Entfernung von 0,8 bis 1 Meter an. ISO 18046-3 legt die nächstgelegene Testdistanz fest.

　　Hier ist R die Testdistanz und L die maximale Seitenlänge (Durchmesser) der sendenden Antenne. Im Folgenden geben wir ISO-Anforderungen für Testdistanzen bei typischen Antennengrößen und -frequenzen auf.

　　Mehrere Testaufgaben

　　Vorwärtsverbindungsentfernung

　　Bei Tag-Sensitivitätstests hören oft Fragen zur Tag-Lese-/Schreibdistanz. Die Lese-/Schreibdistanz steht im Zusammenhang mit der Tag-Empfindlichkeit und der Reflexionsleistung, aber in praktischen Anwendungen hängt sie auch mit der Leistung des Lesers zusammen. Daher wird bei Tests angenommen, dass der Leser/Schreiber mit 35 dBm Leistung über eine ideale Monopolantenne sendet und so eine Lese-/Schreibdistanz erreicht. Hier ist also die Frage: Der Ultra-Hochfrequenz-Tag hat eine sehr lange Lese-/Schreibdistanz. Sollten wir eine ultragroße RF-Kammer ausrüsten? SenseTech ist es nicht. Wir messen die minimale Betriebsleistung des Tags unter den oben genannten Fernfeldbedingungen, subtrahieren die Antennenverstärkung und erhalten die äquivalente Monopolstrahlungsleistung EIRPTX. Dann können wir basierend auf dem Prinzip, dass die räumliche Übertragungsdämpfung proportional zum Quadrat der Entfernung ist, die Lese-/Schreibdistanz abschätzen:

　　Die Vorwärtsverbindungsreichweite, auch als Lesedistanz bekannt, hängt von der für die Aktivierung erforderlichen Feldstärke ab.

　　Rückwärtsverbindungsdistanz

　　Die Größe der reflektierten Tag-Leistung bestimmt, wie weit der Leser lesen kann, sodass der Reverse-Link-Bereich anhand der Tag-Reflexionsleistung geschätzt werden kann. Die umgekehrte Verbindungsdistanz ist die Distanz, auf der die reflektierte Leistung von einem Leser mit Antennengewinn von 5 dBil und einer Empfangsempfindlichkeit von -70 dBm abgelesen wird. Der EPCglobal-Standard [2] bietet eine Berechnungsmethode, und die Ergebnisse sind in der Regel größer als die Vorwärtsverbindungsdistanz.

　　Hier ist EIRPTx0 die sendeäquivalente Monopolleistung, die für die Rückwärtsverbindungsempfindlichkeit erforderlich ist, definiert als Vorwärtsverbindungsempfindlichkeit plus 2 dB; PRx0 ist die Tag-Reflexionsleistung, die unter EIRPTx0-Übertragungsbedingungen empfangen wird; GRx ist der Gewinn der Empfangsantenne.

　　Empfindlichkeit verschiedener Tag-Betriebsmodi

　　Der für Tags erforderliche Stromverbrauch variiert in den Betriebsmodi – das Lesen von ID-Nummern, das Lesen von Registerinformationen und das Schreiben von Registerinformationen, was bedeutet, dass die Empfindlichkeit dieser drei Modi unterschiedlich ist. Dies führt zu drei Testmodi: Erkennung, Lese- und Schreibempfindlichkeit. Die oben genannten Mindestbetriebsleistungen, minimale Feldstärke sowie Vorwärts- und Rückwärtslesedistanzen haben alle Anzeigen unter diesen drei Betriebsmodi, und jeder unterscheidet sich.

　　EIRP und ERP

　　Unter vielen Standards ist die äquivalente Monopolübertragungsleistung häufiger, aber auch ERP wird verwendet. Im 2013 veröffentlichten Standard der State Grid Corporation bezeichnet ERP die Sendeleistung einer äquivalenten Dipolantenne. Der ideale Dipolantennengewinn beträgt etwa 2,2, sodass der Unterschied zwischen beiden nur eine konstante ist.

　　Parameterbeispiele

　　Wir nehmen an, dass sowohl die Sende- als auch die Empfangsantenne einen Gewinn von 6 dB haben, die Testdistanz beträgt 1 Meter, der Tag-Antennengewinn 2 dB und der Tag-Reflexionsverlust 5 dB. Wenn das Gerät mit 915 MHz sendet und die Leistung PTx beträgt, erhält das Tag die Leistung.

　　PTag=PTx+6-31.7+2=PTx-23.7

　　Formel 11

　　Angenommen, die reflektierte Leistung des Tags beträgt ein Drittel der empfangenen Leistung, etwa -5 dB. Die vom Testempfänger empfangene Leistung ist wie folgt:

　　PRx=PTag-5+2-31.7+6= PTag-28.7

　　Formel 12 berechnet die vom Chip und Empfänger empfangene Leistung für verschiedene Übertragungsleistungen gemäß diesen beiden Formeln:

　　Mit anderen Worten: Unter idealen Bedingungen ist die reflektierte Leistung des ultrahochfrequenten Tags, der aus einer Entfernung von 1 Meter empfangen wird, etwa 62 dB geringer als die gesendete Leistung. Derzeit können die besten Labels eine Eröffnungsleistung von etwa -18 dBm erreichen, sodass das vom Tester empfangene Tag-Signal in der Regel eine Leistung über -47,4 dBm hat. In der Praxis ist aufgrund des Antennendesigns die Verstärkung kleiner als 2 oder eine Dämpfung durch Impedanzanpassung, was zu einem Tag-Reflexionsverhältnis von -5 dB führt. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren liegt die empfangene Leistung bei der Annahme, dass die Wirkung 10 dB nicht überschreitet, über -60 dBm.

　　Daher erfordert RFID-Tag-Empfindlichkeitstest nicht, dass das Gerät eine extrem niedrige Empfindlichkeit wie ein Leser aufweist; vielmehr sind Testgenauigkeit und Kalibrierung die wichtigsten Indikatoren. Einfach ausgedrückt ist ein Instrument ein Werkzeug für präzise Messungen und gleichzeitig die Übertragung der gemessenen Werte sicherstellt. Der Vergleich ist präzise, im Gegensatz zum gemessenen Etikett, das sich auf Empfindlichkeit und Lese-/Schreibdistanz konzentriert.

　　Testbeispiel

　　Der Autor nutzte den umfassenden RFID-Tester der zweiten Generation von Juxing Instruments, um die Empfindlichkeit von zwei ultrahochfrequenten Tags in einer Darkbox-Umgebung zu testen. Einer der getesteten Tags ist EPC C1G2, der andere ein nationaler Standard für 800/900 MHz. Jedes Etikett wird zehnmal getestet, um Wiederholbarkeit zu erreichen.

　　(a) Die Standardabweichung der EPCUHF-Probe < 0,04 dBm

　　(b) Standardabweichung der nationalen Standardstichprobe < 0,07 dBm

　　Abbildung 2 Minimale Öffnungskraft zur Identifikation zweier Tags

　　Abbildung 2 zeigt die Kurve des Wiederholbarkeitstests. Dabei ist (a) die Erkennungskraft des EPCglobalC1G2 UHF-Sample-Labels und (b) die Erkennungskraft des nationalen Standards 800/900M-Label-Samples. Man sieht, dass in diesem Stichprobensatz der nationale Standard-Tag eine bessere Sensitivität aufweist als der EPC-Tag, und wir fanden heraus, dass der nationale Standard-Tag eine größere Zufälligkeit aufweist, ob er bei kritischer Leistung aktiviert werden kann, sodass seine Standardabweichung etwas größer ist als die des EPC-Stichprobenlabels. Zusammenfassend zeigte dieses Experiment eine Instrumentenwiederholbarkeit von besser als 0,1 dB. Typischerweise montieren Low-End-Tester mit Lesechips oder ähnlichen Technologien

　　Die Wiederholbarkeit der Testgeräte ist der Leistung dieses Instruments deutlich unterlegen, was erhebliche Probleme mit der Messgenauigkeit darstellt.

　　Im Bereich der metrologischen Kalibrierung verfügt das System des National Metrology Institute bereits über RFID-Test-Kalibrierungsmethoden und -einrichtungen sowie Ausrüstung zur Antennengewinnmessung. Der Autor schickte vier RFID-Testantennen zur Inspektion, um deren Gewinn zu bewerten, und überprüfte sie durch Kreuzschießen mit den Laborantennen, wodurch eine sehr hohe Konsistenz und Wiederholbarkeit erreicht wurde.

　　Zusammenfassung

　　Die Ultrahochfrequenz-RFID-Tag-Prüfung ist ein hochpräziser, nachverfolgbarer Test, der mit hochpräzisen Instrumenten und Antennen durchgeführt wird, wobei die metrologische Kalibrierung garantiert ist. Das Instrument reagiert auf den Testtag über Luftschnittstellenbefehle und testet die minimale Einschlagsleistung und Tag-Reflexionsleistung, die für Tagerkennung, Lesen und Schreiben auf kurze Distanz erforderlich ist. Dann berechnet man basierend auf dieser minimalen Betriebsleistung die äquivalente Empfangsleistung der Monopolantenne und die Vorwärtsverbindungsdistanz des Tags; Berechnen Sie die Rückwärtsverbindungsdistanz basierend auf Leistungsempfindlichkeit und reflektierter Leistung.

　　EPCglobal und ISO haben unterschiedliche Vorschriften bezüglich Testbedingungen und Messeinheiten. EPCglobal verwendet äquivalente Leistung und Entfernung, ISO verwendet Feldstärke und Reflexionsradar-Querschnittsrate der Flächenänderung. Ersteres ist näher am Anwendungsszenario, letzteres näher an physikalischen Prinzipien, aber in Wirklichkeit sind beide Ergebnisse aus derselben physikalischen Größenmessung berechnet, ohne klaren Vorteil oder Minderwertigkeit.

　　Nach verschiedenen Normen und Spezifikationen liegt die Testdistanz für Tags meist innerhalb von 1 Meter, mit einer Sendeleistung von 0 bis 30 dBm und der empfangenen Signalleistung meist über -60 dBm.

　　Im Hinblick auf Messinstrumente sind hochpräzise Instrumente grundlegend. Genaue Messung und Kalibrierung, einschließlich RF-Transceiver- und Antennengewinn, sind entscheidend für die Genauigkeit. Derzeit können High-End-Geräte eine Messgenauigkeit von bis zu 0,3 dB erreichen, während die Wiederholbarkeit besser als 0,1 dB sein kann.