Méthodes et solutions de test pour la sensibilité des étiquettes RFID ultra-haute fréquence

　　Les balises ultra-haute fréquence désignent des balises RFID passives allant de 840M à 960MHz. Les labels de ce groupe proviennent de la norme EPCglobal Classe 1 Génération 2. Parmi elles, EPCglobal est l’organisation des normes de codage électronique des produits, et les normes RFID de première classe et de deuxième génération sont souvent abrégées en C1G2. Cette norme spécifie le protocole d’identification par radiofréquence dans la plage ultra-haute fréquence de 860M-960MHz. Ce protocole propose une réponse lecteur à tag de niveau microseconde et un mécanisme scientifique de prévention des collisions permettant une lecture et une écriture rapides des tags sur des dizaines de mètres. Idéalement, il peut compter entre deux et trois cents labels par seconde, avec une distance de lecture d’environ 30 mètres, autrefois très réputée comme la norme pour la logistique intelligente de nouvelle génération. Par la suite, l’organisation ISO a accepté cette norme et l’a transférée à l’ISO 18000-6C. Ces dernières années, la Chine a également innové dans cette technologie, lançant sa propre norme GB/T 29768, qui spécifie les fréquences 840-845MHz et 920M-925MHz, évitant ainsi les bandes de service GSM adjacentes.

　　Actuellement, ces protocoles sont collectivement appelés RFID ultra-haute fréquence (UHF) 800-900MHz. Ces protocoles héritent tous de caractéristiques telles que la réponse à haute vitesse, l’inventaire rapide et les longues distances de lecture/écriture. La performance de ces produits protocolaires populaires est essentielle à leur utilisation. Parmi eux, les labels sont au centre d’une concurrence féroce. Les balises RFID ont un prix unitaire relativement bas mais sont utilisées en grande quantité, ce qui impose des exigences plus élevées à la conception et à la fabrication. En raison des défauts et de l’instabilité dans la technologie de conception des étiquettes et les processus de production, les tests de performance sont essentiels pour le contrôle.

　　Cependant, comme ce test de sensibilité à l’étiquette implique une mesure RF sans contact, divers défis techniques doivent être surmontés. Cet article se concentre sur la présentation des méthodes théoriques et des aspects pratiques de ces méthodes.

　　Méthode de test de sensibilité pour les étiquettes RF ultra-haute fréquence

　　Configuration de base

　　Le test de balisage UHF est souvent réalisé dans des chambres anéchoïques micro-ondes ou des chambres noires, mais peut aussi être réalisé dans des semi-chambres noires ou des sites de terrain avec moins d’interférences. Cependant, comme les étiquettes UHF ont des fréquences relativement élevées et des longueurs d’onde d’environ 1/3 de mètre, les exigences pour la taille de la chambre anéchoïque ne sont pas très élevées, ce qui les rend économiquement plus faciles à supporter. Concernant la configuration physique des tests d’étiquettes, il existe deux méthodes principales : double antenne et antenne simple. Pour des performances maximales, EPCglobal et ISO préconisent la méthode à double antenne. Cette méthode utilise une paire d’antennes à polarisation circulaire gauche-droite, l’une émettrice et l’autre réceptrice, assurant une isolation maximale de transmission et de réception, permettant au système de test d’émettre à haute puissance et de recevoir avec une grande sensibilité, gérant ainsi les labels à faible sensibilité. Pour plus de commodité, un looper est également utilisé pour combiner deux antennes en une configuration à une seule antenne avec un duplex transmission/réception. En raison des caractéristiques de réflexion de l’antenne, la performance globale du système est inférieure à celle des configurations à deux antennes.

　　Figure 1 Schéma de la configuration du test de balises à double antenne

　　Indique l’unité

　　La sensibilité à l’étiquette s’exprime généralement en termes de puissance ou de force de champ. EPCglobal est plus pratique, utilisant RIPTUT, qui est la puissance de rayonnement unipolaire reçue par l’étiquette. En termes simples, c’est la force du champ RF à laquelle la balise peut fonctionner qui correspond à la puissance reçue par une antenne monopôle idéale. Son unité est le dBm.

　　La force de champ de test ISO est exprimée comme la force minimale de champ requise pour que l’étiquette fonctionne correctement. Son unité est V/m.

　　Ces deux résultats de test peuvent sembler différents, mais en réalité, les deux sont calculés en utilisant la puissance transmise par le testeur.

　　L’étiquette EPCglobal reçoit la formule de calcul de la puissance monopole :

　　RIP=EIRP-PL Formule 1

　　EIRP = P + GTx Formule 2

　　Où EIRP est la puissance de rayonnement monopôle équivalente (dBm) de l’instrument, PL est la perte de transmission en espace libre de l’antenne transmettant à l’étagère (dB), P est la puissance d’entrée de l’antenne émettrice (dBm), et GTx est le gain de l’antenne émettrice (dB).

　　Ici, PRx est la puissance reçue, PTx est la puissance générée, Ae est l’aire d’ouverture équivalente de l’antenne, et R est la distance entre les antennes émettrices et réceptrices. Cette formule décrit la relation entre la perte de transmission en champ lointain et la distance entre les antennes monopôles idéales. Ci-dessous, nous présentons plusieurs points typiques de fréquence d’échantillonnage avec des pertes de transmission en espace libre à des distances d’essai typiques, mesurées en dB.

　　Notez que les calculs ci-dessus sont basés sur le modèle d’onde sphérique à champ lointain. Si la distance d’émission/réception est trop courte, les résultats du calcul s’écarteront. EPCglobal spécifie une distance de 0,8 à 1 mètre. L’ISO 18046-3 spécifie la distance d’essai la plus proche.

　　Ici, R est la distance d’essai, et L est la longueur maximale du côté (diamètre) de l’antenne émetteuse. Ci-dessous, nous fournissons les exigences ISO pour les distances de test à des tailles et fréquences d’antenne typiques.

　　Items de test multiples

　　Distance de connexion avant

　　Dans les tests de sensibilité aux étiquettes, on entend souvent des questions sur la distance de lecture/écriture des tags. La distance de lecture/écriture est liée à la sensibilité des balises et à la puissance de réflexion, mais dans les applications pratiques, elle concerne aussi les performances du lecteur. Ainsi, lors des tests, on suppose que le lecteur/écriveur transmet à une puissance de 35 dBm via une antenne monopole idéale, atteignant ainsi une distance de lecture/écriture. Voici donc la question : l’étiquette ultra-haute fréquence a une très longue distance de lecture/écriture. Devons-nous équiper une chambre RF ultra-grande ? SenseTech ne l’est pas. Nous mesurons la puissance minimale de fonctionnement de l’étagère dans les conditions de champ lointain ci-dessus, soustrayons le gain de l’antenne émettrice, et obtenons la puissance de rayonnement monopole équivalente EIRPTX. Ensuite, sur la base du principe que l’atténuation de la transmission spatiale est proportionnelle au carré de la distance, nous pouvons estimer la distance de lecture/écriture :

　　La portée de liaison directe, également appelée distance de lecture, dépend de la force de champ requise pour l’activation de la balise.

　　Distance de connexion inverse

　　L’ampleur de la puissance réfléchie de l’étiquette détermine la distance de lecture du lecteur, de sorte que la portée inversée du lien peut être estimée à partir de la puissance de réflexion de l’etiquetage. La distance de connexion inverse est la distance à laquelle la puissance réfléchie est lue par un lecteur avec un gain d’antenne de 5 milliards et une sensibilité de réception de -70 dBm. La norme EPCglobal [2] fournit une méthode de calcul, et les résultats sont généralement supérieurs à la distance de connexion directe.

　　Ici, EIRPTx0 est la puissance monopôle équivalente de transmission requise pour la sensibilité de la connexion inverse, définie comme la sensibilité de la connexion directe plus 2dB ; PRx0 est la puissance de réflexion de l’étiquette reçue dans les conditions de transmission EIRPTx0 ; GRx est le gain de l’antenne réceptrice.

　　Sensibilité des différents modes de fonctionnement des balises

　　La consommation d’énergie requise pour les tags varie selon les modes de fonctionnement de lecture des numéros d’identification, de lecture des informations de registre et d’écriture des informations de registre, ce qui signifie que la sensibilité de ces trois modes est différente. Cela entraîne trois modes de test : la reconnaissance, la lecture et la sensibilité à l’écriture. La puissance minimale de fonctionnement mentionnée ci-dessus, la force minimale du champ, les distances de lecture avant et arrière ont toutes des indicateurs sous ces trois modes de fonctionnement, et chacun diffère.

　　EIRP et ERP

　　Parmi de nombreuses normes, la puissance de transmission par monopole équivalente est plus courante, mais l’ERP est également utilisée. Dans la norme de la State Grid Corporation publiée en 2013, ERP fait référence à la puissance d’émission d’une antenne dipôle équivalente. Le gain idéal de l’antenne dipôle est d’environ 2,2, donc la différence entre les deux n’est qu’une constante.

　　Exemples de paramètres

　　Nous supposons que les antennes émettrices et réceptrices ont toutes deux des gains de 6 dBi, la distance de test est de 1 mètre, le gain de l’antenne de la marque est de 2 dB, et la perte de réflexion de la marque est de 5 dB. Lorsque l’instrument transmet à 915 MHz et que la puissance est PTx, la marque reçoit la puissance.

　　PTag=PTx+6-31.7+2=PTx-23.7

　　Formule 11

　　En supposant que la puissance réfléchie de l’étiquette soit un tiers de la puissance reçue, environ -5 dB. L’alimentation reçue par le récepteur testeur est la suivante :

　　PRx=PTag-5+2-31.7+6= PTag-28.7

　　La formule 12 calcule la puissance reçue par la puce et le récepteur pour différentes puissances de transmission selon ces deux formules :

　　En d’autres termes, dans des conditions idéales, la puissance réfléchie de l’étiquette ultra-haute fréquence reçue à une distance d’un mètre est environ 62 dB inférieure à la puissance transmise. Actuellement, les meilleures marquages peuvent atteindre une puissance d’ouverture d’environ -18 dBm, donc le signal de l’étiquette reçu par le testeur a généralement une puissance supérieure à -47,4 dBm. En pratique, en raison de la conception de l’antenne de l’étiquette, son gain est inférieur à 2 ou une atténuation due à l’adaptation d’impédance, ce qui donne un rapport de réflexion de l’étiquette de -5 dB. En tenant compte de ces facteurs, en supposant que l’impact ne dépasse pas 10 dB, la puissance reçue est supérieure à -60 dBm.

　　Par conséquent, le test de sensibilité par étiquette RFID ne nécessite pas que l’instrument ait une sensibilité extrêmement faible comme un lecteur ; au contraire, la précision du test et l’étalonnage sont les indicateurs les plus critiques. En termes simples, un instrument est un outil pour la mesure précise tout en assurant la transmission des valeurs mesurées. La comparaison est la précision, contrairement à l’étiquette mesurée qui se concentre sur la sensibilité et la distance de lecture/écriture.

　　Exemple de test

　　L’auteur a utilisé le testeur RFID complet de deuxième génération de Juxing Instruments pour tester la sensibilité de deux étiquettes ultra-hautes fréquences dans un environnement boîte sombre. L’une des balises testées est l’EPC C1G2, et l’autre est une étiquette nationale standard 800/900MHz. Chaque label est testé 10 fois pour obtenir une répétabilité.

　　(a) L’écart-type de l’échantillon EPCUHF < 0,04 dBm

　　(b) Écart-type de l’échantillon standard national < 0,07 dBm

　　Figure 2 Puissance minimale d’ouverture pour l’identification de deux balises

　　La figure 2 montre la courbe du test de répétabilité. Où (a) est la puissance de reconnaissance de l’étiquette d’échantillon UHF EPCglobalC1G2, et (b) est la puissance de reconnaissance de l’échantillon de l’étiquette standard nationale 800/900M. On peut constater que dans cet ensemble d’échantillons, l’étiquette standard nationale a une meilleure sensibilité que l’étiquette EPC, et nous avons constaté que l’étiquette standard nationale présente une plus grande aléatoire quant à sa capacité d’activation à puissance critique, de sorte que son écart-type est légèrement plus grande que celle de l’étiquette EPC. En résumé, cette expérience a démontré une répétabilité de l’instrument supérieure à 0,1 dB. En général, les testeurs d’entrée de gamme assemblent en utilisant des puces lecteurs ou des technologies similaires

　　La répétabilité de l’équipement d’essai est bien inférieure à la performance de cet instrument, ce qui pose des problèmes importants de précision des mesures.

　　En ce qui concerne l’étalonnage de la métrologie, le système de l’Institut national de métrologie dispose déjà de méthodes et d’installations de calibration RFID pour les testeurs, ainsi que d’équipements pour la mesure du gain d’antenne. L’auteur a envoyé quatre antennes de test RFID pour inspection afin d’évaluer leur gain, et les a vérifiées en les faisant en cross-fire avec les antennes de laboratoire, atteignant ainsi une très grande cohérence et répétabilité.

　　Résumé

　　Le test d’étiquettes RFID ultra-haute fréquence est un test de haute précision et traçable, réalisé par des instruments et antennes de haute précision, avec une calibration métrologique garantie. L’instrument répond à la balise de test via des commandes d’interface aérienne, testant la puissance incidente minimale et la puissance de réflexion de la balise requises pour la reconnaissance, la lecture et l’écriture des balises à courte portée. Ensuite, sur la base de cette puissance minimale de fonctionnement, calculez la sensibilité équivalente de la puissance de réception de l’antenne monopole et la distance de connexion directe de l’étiquette ; Calculez la distance de connexion inverse en fonction de la sensibilité à la puissance et de la puissance réfléchie.

　　EPCglobal et ISO ont des réglementations différentes concernant les conditions d’essai et les unités de mesure. EPCglobal utilise une puissance et une distance équivalentes, ISO utilise l’intensité du champ et la vitesse de variation de la section transversale radar de réflexion. La première est plus proche du scénario d’utilisation, la seconde plus proche des principes physiques, mais en réalité, les deux sont des résultats calculés à partir de la même mesure de la quantité physique, sans avantage ni infériorité évidents.

　　Selon diverses normes et spécifications, la distance de test pour les balises est généralement inférieure à 1 mètre, avec une puissance de transmission allant de 0 à 30 dBm et une puissance de signal reçue généralement supérieure à -60 dBm.

　　En ce qui concerne les instruments de mesure, les instruments de haute précision sont fondamentaux. Des mesures et des étalonnages précis, y compris le gain du récepteur RF et de l’antenne, sont essentiels pour garantir la précision. Actuellement, les instruments haut de gamme peuvent atteindre une précision de mesure allant jusqu’à 0,3 dB, tandis que la répétabilité peut être supérieure à 0,1 dB.