روش ها و راه حل های آزمایش حساسیت برچسب های RFID با فرکانس فوق العاده بالا

　　برچسب های فرکانس فوق العاده بالا به برچسب های RFID غیرفعال از 840M تا 960MHz اشاره دارند. برچسب های این باند از استاندارد نسل دوم کلاس ۱ EPCglobal گرفته شده اند. در میان آن ها، EPCglobal سازمان استانداردهای کدگذاری محصولات الکترونیکی است و استانداردهای RFID نسل دوم درجه اول اغلب به صورت C1G2 مخفف می شوند. این استاندارد پروتکل شناسایی فرکانس رادیویی را در بازه فرکانس فوق العاده بالا 860M تا 960MHz مشخص می کند. این پروتکل دارای پاسخ خواندن به برچسب در سطح میکروثانیه و مکانیزم علمی پیشگیری از برخورد است که امکان خواندن و نوشتن سریع برچسب ها در ده ها متر را فراهم می کند. به طور ایده آل، می تواند دو تا سیصد برچسب در ثانیه را با فاصله خواندن حدود ۳۰ متر بشمارد، که زمانی به عنوان استاندارد لجستیک هوشمند نسل بعدی شناخته می شد. بعدها، سازمان ISO این استاندارد را پذیرفت و آن را به ISO 18000-6C منتقل کرد. در سال های اخیر، چین نیز در این فناوری نوآوری کرده و استاندارد GB/T 29768 خود را معرفی کرده است که فرکانس های 840-845MHz و 920M-925MHz را مشخص می کند و از باندهای سرویس GSM مجاور اجتناب می کند.

　　در حال حاضر، این پروتکل ها به طور جمعی با عنوان RFID فرکانس فوق العاده بالا (UHF) 800-900MHz شناخته می شوند. این پروتکل ها همگی ویژگی هایی مانند پاسخ دهی با سرعت بالا، موجودی سریع و فواصل طولانی خواندن/نوشتن را به ارث می برند. عملکرد این محصولات پروتکل محبوب کلید استفاده از آن هاست. در میان آن ها، شرکت های ضبط در مرکز رقابت شدید قرار دارند. برچسب های RFID قیمت واحد نسبتا پایینی دارند اما در مقادیر زیاد استفاده می شوند که این موضوع نیازهای بیشتری برای طراحی و ساخت ایجاد می کند. به دلیل نقص ها و ناپایداری در فناوری طراحی برچسب و فرآیندهای تولید، تست عملکرد برای کنترل ضروری است.

　　با این حال، از آنجا که این آزمون حساسیت برچسب شامل اندازه گیری RF غیرتماسی است، چالش های فنی مختلفی باید برطرف شوند. این مقاله بر معرفی روش های نظری و جنبه های عملی این روش ها تمرکز دارد.

　　روش آزمون حساسیت برای برچسب های RF با فرکانس فوق العاده بالا

　　تنظیمات پایه

　　آزمایش برچسب UHF اغلب در اتاق های مایکروویو بی اکو یا اتاق های تاریک انجام می شود، اما می تواند در اتاق های نیمه تاریک یا سایت های میدانی با تداخل کمتر نیز انجام شود. با این حال، از آنجا که برچسب های UHF فرکانس ها و طول موج های نسبتا بالایی حدود ۱/۳ متر دارند، الزامات اندازه محفظه بی پژواک چندان بالا نیست و این باعث می شود تحمل آن ها از نظر اقتصادی آسان تر باشد. در مورد تنظیمات فیزیکی آزمایش برچسب، دو روش اصلی وجود دارد: دو آنتن و تک آنتن. برای حداکثر عملکرد، EPCglobal و ISO روش دو آنتن را توصیه می کنند. این روش از دو آنتن قطبش دایره ای چپ-راست استفاده می کند، یکی ارسال کننده و دیگری دریافتی، که حداکثر جداسازی ارسال و دریافت را به دست می آورد و به سیستم آزمایش اجازه می دهد با توان بالا ارسال کند و با حساسیت بالا دریافت کند و در نتیجه برچسب های با حساسیت کمتر را مدیریت کند. برای راحتی، لوپر همچنین برای ترکیب آنتن های دوگانه در یک پیکربندی آنتن واحد با دوپلکس ارسال/دریافت استفاده می شود. به دلیل ویژگی های بازتاب آنتن، عملکرد کلی سیستم پایین تر از پیکربندی های دو آنتن است.

　　شکل ۱: نمودار شماتیک پیکربندی تست برچسب دو آنتن

　　واحد را نشان می دهد

　　حساسیت برچسب معمولا بر حسب توان یا شدت میدان بیان می شود. EPCglobal عملی تر است و از RIPTUT استفاده می کند که توان تابش تک قطبی دریافتی توسط برچسب است. به طور ساده، شدت میدان RF که تگ می تواند در آن عمل کند، همان توان دریافتی توسط یک آنتن مونوپل ایده آل است. واحد آن dBm است.

　　شدت میدان آزمون ISO به عنوان حداقل شدت میدان مورد نیاز برای عملکرد صحیح برچسب بیان می شود. واحد آن V/m است.

　　این دو نتیجه ممکن است متفاوت به نظر برسند، اما در واقع هر دو با استفاده از توان ارسالی تستر محاسبه می شوند.

　　برچسب EPCglobal فرمول محاسبه توان مونوپل را دریافت می کند:

　　RIP=فرمول ۱ EIRP-PL

　　EIRP = P + GTx فرمول ۲

　　در حالی که EIRP توان تابش تک قطبی معادل (dBm) دستگاه است، PL افت انتقال فضای آزاد از آنتن فرستنده به برچسب (dB)، P توان ورودی آنتن فرستنده (dBm) و GTx بهره آنتن فرستنده (dB) است.

　　در اینجا، PRx توان دریافتی، PTx توان تولیدشده، Ae ناحیه معادل دیافراگم آنتن و R فاصله بین آنتن های فرستنده و گیرنده است. این فرمول رابطه بین تلفات انتقال میدان دور و فاصله بین آنتن های ایده آل تک قطبی را توصیف می کند. در ادامه، چند نقطه فرکانس نمونه معمولی با افت انتقال در فضای آزاد در فواصل آزمایشی معمولی که بر حسب دسی بل اندازه گیری می شوند، ارائه می دهیم.

　　توجه داشته باشید که محاسبات فوق بر اساس مدل موج کروی میدان دور است. اگر فاصله ارسال/دریافت خیلی کوتاه باشد، نتایج محاسبه منحرف خواهد شد. EPCglobal فاصله ۰.۸ تا ۱ متر را مشخص می کند. ISO 18046-3 نزدیک ترین فاصله آزمایش را مشخص می کند.

　　در اینجا، R فاصله آزمایش و L حداکثر طول جانبی (قطر) آنتن فرستنده است. در ادامه، الزامات ISO برای فواصل آزمایش در اندازه ها و فرکانس های معمول آنتن ارائه شده است.

　　آیتم های متعدد آزمون

　　فاصله اتصال رو به جلو

　　در تست های حساسیت به برچسب، افراد اغلب سوالاتی درباره فاصله خواندن/نوشتن برچسب می شنوند. فاصله خواندن/نوشتن به حساسیت برچسب و قدرت بازتاب مرتبط است، اما در کاربردهای عملی، به عملکرد خواننده نیز مربوط می شود. بنابراین، در آزمایش ها فرض می شود که خواننده/نویسنده با توان ۳۵ دسی بل متر از طریق یک آنتن مونوپل ایده آل ارسال می کند و به فاصله خواندن/نوشتن دست می یابد. پس سوال این است: برچسب فرکانس فوق العاده بالا فاصله خواندن/نوشتن بسیار طولانی دارد. آیا باید یک محفظه RF فوق العاده بزرگ را تجهیز کنیم؟ SenseTech این کار را نمی کند. ما حداقل توان عملیاتی برچسب را تحت شرایط میدان دور فوق اندازه گیری می کنیم، بهره آنتن فرستنده را کم می کنیم و توان تابش مونوپول معادل EIRPTX را به دست می آوریم. سپس، بر اساس اصل اینکه تضعیف انتقال فضایی متناسب با مجذور فاصله است، می توانیم فاصله خواندن/نوشتن را تخمین بزنیم:

　　برد پیوند رو به جلو، که به عنوان فاصله خواندن نیز شناخته می شود، به شدت میدان مورد نیاز برای فعال سازی برچسب بستگی دارد.

　　فاصله اتصال معکوس

　　میزان توان بازتاب برچسب تعیین می کند که خواننده تا چه اندازه می تواند بخواند، بنابراین محدوده لینک معکوس را می توان از توان بازتاب برچسب تخمین زد. فاصله اتصال معکوس فاصله ای است که توان بازتاب شده توسط خواننده ای با بهره آنتن 5dBil و حساسیت دریافت -70dBm خوانده می شود. استاندارد EPCglobal [2] روشی برای محاسبه ارائه می دهد و نتایج معمولا بیشتر از فاصله اتصال رو به جلو است.

　　در اینجا، EIRPTx0 توان مونوپول معادل فرستنده مورد نیاز برای حساسیت اتصال معکوس است که به عنوان حساسیت اتصال رو به جلو به علاوه ۲ دسی بل تعریف می شود؛ PRx0 توان بازتاب برچسب دریافت شده در شرایط انتقال EIRPTx0 است؛ GRx بهره آنتن گیرنده است.

　　حساسیت حالت های مختلف عملکرد برچسب

　　مصرف توان مورد نیاز برای برچسب ها در حالت های کاری خواندن شماره شناسه، خواندن اطلاعات رجیستر و نوشتن اطلاعات رجیستر متفاوت است، به این معنی که حساسیت این سه حالت متفاوت است. این منجر به سه حالت آزمایشی می شود: شناسایی، خواندن و حساسیت نوشتن. حداقل توان عملیاتی، حداقل شدت میدان، فاصله های خواندن رو به جلو و عقب فوق همگی در این سه حالت عملیاتی دارای نشانگر هستند و هرکدام متفاوت هستند.

　　EIRP و ERP

　　در میان بسیاری از استانداردها، قدرت انتقال معادل مونوپل رایج تر است، اما ERP نیز استفاده می شود. در استاندارد شرکت شبکه ایالتی که در سال ۲۰۱۳ منتشر شد، ERP به توان فرستنده یک آنتن دوقطبی معادل اشاره دارد. بهره ایده آل آنتن دوقطبی حدود ۲.۲ است، بنابراین تفاوت بین این دو فقط یک ثابت است.

　　نمونه های پارامترها

　　فرض می کنیم هر دو آنتن فرستنده و گیرنده دارای بهره 6dBi هستند، فاصله آزمایش 1 متر، بهره آنتن تگ 2dB و افت بازتاب برچسب 5dB است. وقتی ابزار در 915MHz ارسال می کند و توان PTx است، تگ توان را دریافت می کند.

　　PTag=PTx+6-31.7+2=PTx-23.7

　　فرمول ۱۱

　　با فرض اینکه توان بازتاب شده تگ یک سوم توان دریافتی باشد، حدود -۵ دسی بل. توان دریافتی توسط گیرنده تستر به شرح زیر است:

　　PRx=PTag-5+2-31.7+6= PTag-28.7

　　فرمول ۱۲ توان دریافتی چیپ و گیرنده را برای توان های مختلف انتقال بر اساس این دو فرمول محاسبه می کند:

　　به عبارت دیگر، در شرایط ایده آل، توان بازتابی برچسب فرکانس فوق العاده بالا که از فاصله ۱ متر دریافت می شود، حدود ۶۲ دسی بل کمتر از توان ارسالی است. در حال حاضر، بهترین برچسب ها می توانند به توان باز شدن حدود -18dBm برسند، بنابراین سیگنال تگ دریافتی توسط تستر معمولا توان بالای -47.4dBm دارد. در عمل، به دلیل طراحی آنتن برچسب، بهره آن کمتر از ۲ است یا تضعیف ناشی از تطبیق امپدانس است که منجر به نسبت بازتاب برچسب -5dB می شود. با در نظر گرفتن این عوامل، با فرض اینکه برخورد از ۱۰ دسی بل تجاوز نکند، توان دریافتی بالاتر از -۶۰ دسی بل متر است.

　　بنابراین، آزمایش حساسیت برچسب RFID نیازمند حساسیت بسیار پایین مانند خواننده نیست؛ بلکه دقت تست و کالیبراسیون مهم ترین شاخص ها هستند. به طور ساده، ابزار ابزاری برای اندازه گیری دقیق است و در عین حال انتقال مقادیر اندازه گیری شده را تضمین می کند. مقایسه دقیق است، برخلاف برچسب اندازه گیری شده که بر حساسیت و فاصله خواندن/نوشتن تمرکز دارد.

　　نمونه آزمایش

　　نویسنده با استفاده از تستر جامع RFID نسل دوم شرکت Juxing Instruments، حساسیت دو برچسب فرکانس فوق العاده بالا را در محیط جعبه تاریک آزمایش کرد. یکی از برچسب های آزمایش شده EPC C1G2 است و دیگری تگ استاندارد ملی 800/900MHz است. هر برچسب ۱۰ بار آزمایش می شود تا تکرارپذیری به دست آید.

　　(الف) انحراف معیار نمونه EPCUHF < 0.04dBm

　　(ب) انحراف معیار نمونه استاندارد ملی < 0.07dBm

　　شکل ۲: حداقل قدرت باز شدن برای شناسایی دو برچسب

　　شکل ۲ منحنی آزمون تکرارپذیری را نشان می دهد. که (الف) قدرت شناسایی برچسب نمونه UHF EPCglobalC1G2 است و (ب) قدرت شناسایی نمونه استاندارد ملی برچسب 800/900M است. می توان دید که در این مجموعه نمونه، برچسب استاندارد ملی حساسیت بهتری نسبت به برچسب EPC دارد و ما دریافتیم که برچسب استاندارد ملی تصادفی بودن بیشتری در فعال سازی در توان بحرانی دارد، بنابراین انحراف معیار آن کمی بیشتر از برچسب نمونه EPC است. خلاصه اینکه، این آزمایش تکرارپذیری ابزار را بهتر از ۰.۱ دسی بل نشان داد. معمولا تسترهای رده پایین با استفاده از تراشه های خواننده یا فناوری های مشابه مونتاژ می کنند

　　تکرارپذیری تجهیزات تست بسیار پایین تر از عملکرد این ابزار است که مشکلات قابل توجهی در دقت اندازه گیری ایجاد می کند.

　　از نظر کالیبراسیون متروژی، سیستم مؤسسه ملی مترولوژی هم اکنون روش ها و امکانات کالیبراسیون تستر RFID و همچنین تجهیزات اندازه گیری بهره آنتن را دارد. نویسنده چهار آنتن آزمایشی RFID را برای بررسی جهت ارزیابی بهره آن ها فرستاد و با شلیک متقابل با آنتن های آزمایشگاهی، آن ها را تأیید کرد و به ثبات و تکرارپذیری بسیار بالایی دست یافت.

　　خلاصه

　　آزمایش تگ RFID با فرکانس فوق العاده بالا، آزمایشی با دقت بالا و قابل ردیابی است که از طریق ابزارها و آنتن های با دقت بالا انجام می شود و کالیبراسیون مترولوژی تضمین شده است. این ابزار از طریق فرمان های رابط هوایی به برچسب آزمایشی پاسخ می دهد و حداقل توان برخورد و توان بازتاب برچسب مورد نیاز برای شناسایی، خواندن و نوشتن برچسب در فاصله نزدیک را آزمایش می کند. سپس، بر اساس این حداقل توان عملیاتی، حساسیت توان دریافت آنتن مونوپل معادل برچسب و فاصله اتصال رو به جلو محاسبه می شود؛ فاصله اتصال معکوس را بر اساس حساسیت توان و توان بازتابی محاسبه کنید.

　　EPCglobal و ISO مقررات متفاوتی در زمینه شرایط آزمایش و واحدهای اندازه گیری دارند. EPCglobal از توان و فاصله معادل استفاده می کند، ISO از شدت میدان و نرخ تغییر سطح مقطع رادار بازتاب بهره می برد. اولی به سناریوی کاربرد نزدیک تر است و دومی به اصول فیزیکی، اما در واقع هر دو حاصل یک اندازه گیری کمیت فیزیکی یکسان هستند و مزیت یا ضعف واضحی ندارند.

　　بر اساس استانداردها و مشخصات مختلف، فاصله آزمایش برای برچسب ها عمدتا در حدود ۱ متر است، با توان انتقال بین ۰ تا ۳۰ دسی بل متر و توان سیگنال دریافتی عمدتا بالاتر از -۶۰ دسی بل میلی تر.

　　از نظر ابزارهای اندازه گیری، ابزارهای با دقت بالا بنیادی هستند. اندازه گیری و کالیبراسیون دقیق، از جمله فرستنده-گیرنده RF و بهره آنتن، کلید تضمین دقت هستند. در حال حاضر، ابزارهای رده بالا می توانند دقت اندازه گیری تا ۰.۳ دسی بل را به دست آورند، در حالی که تکرارپذیری می تواند بهتر از ۰.۱ دسی بل باشد.