超高周波RFIDタグの感度に関する試験方法と解決策

　　超高周波タグとは、840Mから960MHzまでのパッシブRFIDタグを指します。 このバンドのラベルはEPCglobalのクラス1ジェネレーション2標準に由来しています。 その中でも、EPCglobalは電子製品コーディング標準の組織であり、第一級の第2世代RFID規格はしばしばC1G2と略されます。 この規格は、860Mから960MHzの超高周波帯域における無線周波数識別プロトコルを規定しています。 このプロトコルはマイクロ秒レベルのリーダーからタグへの応答と科学的な衝突防止機構を特徴とし、数十メートル先の高速タグ読み書きを可能にします。 理想的には、1秒間に200から300枚のラベルを数えられ、読み取り距離は約30メートルで、かつては次世代のインテリジェント物流の標準として高く評価されていました。 その後、ISO組織はこの標準を受け入れ、ISO 18000-6Cへと移行しました。 近年、中国はこの技術にも革新を進めており、隣接するGSMサービス帯域を回避し、840-845MHzおよび920M-925MHzの周波数を指定する独自の標準GB/T 29768を発表しました。

　　現在、これらのプロトコルは総称して800〜900MHz超高周波RFID(UHF)と呼ばれています。 これらのプロトコルはすべて、高速応答、迅速なインベントリ、長い読み書き距離などの特徴を引き継いでいます。 これらの人気プロトコル製品の性能が、その利用の鍵となります。 その中でも、レーベルは激しい競争の中心に立っています。 RFIDタグは単価が比較的低いですが大量使用されるため、設計や製造に高い負担がかかります。 ラベル設計技術や製造プロセスの欠陥や不安定性のため、制御のために性能試験が不可欠です。

　　しかし、このタグ感度テストは非接触RF測定を伴うため、さまざまな技術的課題を克服する必要があります。 本記事では、これらの方法の理論的手法と実践的側面の紹介に焦点を当てます。

　　超高周波RFタグの感度試験方法

　　基本的なセットアップ

　　UHFタグ試験はしばしばマイクロ波無響室や暗室で行われますが、干渉の少ない半暗室や野外施設でも実施可能です。 しかし、UHFタグは比較的高い周波数と約1/3メートルの波長を持つため、無響室のサイズの要件はそれほど高くなく、経済的に持ち運びやすいです。 ラベル検査の物理的なセットアップに関しては、主に二重アンテナと単一アンテナの2つの方法があります。 最大性能のために、EPCglobalとISOはデュアルアンテナ方式を推奨しています。 この方法は左右の円偏波アンテナのペア(1つは送信用、もう1つは受信用)を使用し、最大限の送受信の絶縁を実現し、テストシステムは高出力で送信し高感度で受信できるため、低感度のラベル処理を可能にします。 利便性の上、ルーパーは二重アンテナを送受信二重の単一のアンテナ構成にまとめる場合にも使用されます。アンテナの反射特性により、システム全体の性能は二重アンテナ構成よりも劣ります。

　　図1 デュアルアンテナタグテスト構成の回路図

　　ユニットを示します

　　ラベル感度は通常、パワーまたは電界強度で表されます。 EPCglobalはより実用的で、タグが受信する単極放射電力であるRIPTUTを使用します。 簡単に言えば、タグが動作可能なRF電界強度は理想的なモノポールアンテナが受信する電力です。 その単位はdBmです。

　　ISO試験の電界強さは、ラベルが適切に機能するために必要な最小電界強さとして表されます。 その単位はV/mです。

　　これら2つのテスト結果は見た目が異なるかもしれませんが、実際にはどちらもテスターの送信電力を用いて計算されています。

　　EPCglobalタグはモノポールパワー計算式を受け取ります:

　　RIP=EIRP-PL フォーミュラ1

　　EIRP = P + GTx フォーミュラ2

　　ここでEIRPは機器の等価モノポール放射電力(dBm)、PLは送信アンテナからタグへの自由空間伝送損失(dB)、Pは送信アンテナの入力電力(dBm)、GTxは送信アンテナの利得(dB)です。

　　ここで、PRxは受信電力、PTxは生成電力、Aeはアンテナの等価開口面積、Rは送信アンテナと受信アンテナ間の距離です。 この式は遠方場伝送損失と理想的なモノポールアンテナ間の距離との関係を記述します。 以下では、典型的な試験距離で自由空間伝送損失を持つ典型的なサンプル周波数点(dB単位)をいくつか提示します。

　　上記の計算は遠方場球面波モデルに基づいていることに注意してください。送受信距離が短すぎると計算結果がずれます。 EPCglobalは距離を0.8〜1メートルと指定しています。 ISO 18046-3は最も近い試験距離を規定しています。

　　ここで、Rはテスト距離、Lは送信アンテナの最大辺長(直径)です。 以下に、典型的なアンテナサイズと周波数での試験距離に関するISO要件を示します。

　　複数のテスト項目

　　順方向接続距離

　　タグ感度テストでは、タグの読み書き距離についてよく質問されます。 読み書き距離はタグ感度や反射力に関連していますが、実用的にはリーダーの性能にも関係します。 したがって、テストではリーダー/ライターが理想的なモノポールアンテナを通じて35dBmの出力で送信し、読み書き距離を達成していると仮定されます。 そこで質問です:超高周波タグは非常に長い読み書き距離を持っています。超大型のRFチャンバーを装備すべきでしょうか?SenseTechは装備していません。 上記の遠方場条件下でタグの最小動作電力を測定し、送信アンテナ利得を差し引いて、等価の単極子放射電力EIRPTXを得ます。次に、空間伝送減衰が距離の二乗に比例するという原理に基づき、読み書き距離を推定できます:

　　前方リンクの距離(リード距離とも呼ばれる)は、タグの活性化に必要な電界強度に依存します。

　　逆接続距離

　　タグ反射パワーの大きさがリーダーが読み取れる距離を決定するため、逆リンク範囲はタグ反射パワーから推定できます。 逆接続距離とは、アンテナ利得5dBil、受信感度-70dBmのリーダーが反射電力を読み取る距離です。 EPCglobal標準[2]は計算方法を提供しており、その結果は通常、前方接続距離よりも大きくなります。

　　ここで、EIRPTx0は逆接続感度に必要な送信等価モノポール電力であり、順方向接続感度に2dBを加えたものと定義されます。 PRx0はEIRPTx0伝送条件下で受信されるタグ反射電力です。 GRxは受信アンテナの利得値です。

　　異なるタグ動作モードの感度

　　タグに必要な消費電力は、ID番号の読み取り、レジスタ情報の読み込み、レジスタ情報の書き込みという動作モードで異なり、これら3つのモードの感度は異なります。 これにより、認識、読み取り、書き込みの3つのテストモードが生まれます。 上記の最小動作出力、最小電界強度、順方向および後方向の読み取り距離はすべて、これら3つの動作モードでインジケーターを持ち、それぞれ異なります。

　　EIRPとERP

　　多くの規格の中では、等価のモノポール送電電力がより一般的ですが、ERPも使われます。 2013年に発表されたステートグリッドコーポレーションの標準では、ERPは同等のダイポールアンテナの送信出力を指します。 理想的なダイポールアンテナ利得は約2.2なので、両者の差は1つの定数に過ぎません。

　　パラメータの例

　　送信アンテナと受信アンテナの両方が6dBi、テスト距離は1メートル、タグアンテナの利得は2dB、タグ反射損失は5dBであると仮定します。機器が915MHzで送信し、出力がPTxの場合、タグがその電力を受け取ります。

　　PTag=PTx+6-31.7+2=PTx-23.7

　　フォーミュラ11

　　タグの反射電力が受信電力の3分の1、約-5dBであると仮定します。 テスター受信機が受け取る電力は以下の通りです:

　　PRx=PTag-5+2-31.7+6= PTag-28.7

　　フォーミュラ12は、チップと受信機が異なる伝送電力に対して以下の2つの式に従って受け取る電力を計算します。

　　言い換えれば、理想的な条件下では、1メートル距離から受信される超高周波タグの反射電力は送信電力より約62dB低いのです。 現在、最良のラベルは約-18dBmの開閉出力に達するため、テスターが受信するタグ信号は通常-47.4dBmを超える出力を持ちます。 実際にはタグアンテナ設計のため、利得は2未満、すなわちインピーダンス整合による減衰となり、タグ反射比は-5dBとなります。 これらの要因を考慮すると、衝撃が10dBを超えなければ、受信電力は-60dBmを超えます。

　　したがって、RFIDタグ感度試験では、読み取り機のように非常に低い感度を持つ必要はありません。むしろ、テストの精度と校正が最も重要な指標です。 簡単に言えば、機器とは測定値の伝送を確実にしつつ、正確な測定を行うためのツールです。比較は精度であり、測定ラベルは感度や読み書き距離に焦点を当てています。

　　テスト例

　　著者はJuxing Instrumentsの第2世代RFID総合テスターを用いて、ダークボックス環境下で2つの超高周波タグの感度をテストしました。 テストされたタグの一つはEPC C1G2で、もう一つは国家標準の800/900MHzタグです。 各ラベルは再現性を確保するために10回テストされます。

　　(a)EPCUHFサンプルの標準偏差<0.04dBmです

　　(b) 国家標準サンプルの標準偏差<0.07dBm

　　図2 2つのタグ識別における最小開口力

　　図2は再現性検定の曲線を示しています。 ここで(a)はEPCglobalC1G2 UHFサンプルラベルの認識能力、(b)は国家標準800/900Mラベルサンプルの認識能力です。 このサンプルセットでは、国家標準タグの方がEPCタグよりも感度が高く、国家標準タグの方が臨界出力で活性化できるかどうかのランダム性が高いため、標準偏差はEPCサンプルラベルよりやや大きいことがわかりました。 まとめると、この実験は0.1dBよりも優れた機器の再現性を示しました。 通常、低価格のテスターはリーダーチップや類似技術を使って組み立てます

　　試験機器の再現性はこの機器の性能に大きく劣っており、測定精度に大きな問題をもたらしています。

　　計測校正に関しては、国立計測研究所システムにはすでにRFIDテスターの校正方法と設備、アンテナ利得測定用の機器が備わっています。 著者は4つのRFIDテストアンテナを検査のために送り、その利得を評価するために送り、実験室アンテナとクロスファイアすることで検証し、非常に高い一貫性と再現性を実現しました。

　　概要

　　超高周波RFIDタグテストは、高精度な機器やアンテナを通じて実施される高精度でトレーサブルなテストであり、計測校正が保証されています。 機器は空気インターフェースコマンドでテストタグに応答し、近距離でのタグ認識、読み取り、書き込みに必要な最小入射電力とタグ反射電力をテストします。 この最小動作出力に基づいて、タグの等価モノポールアンテナ受信感度と前方接続距離を計算します。 電力感度と反射電力に基づいて逆接続距離を計算します。

　　EPCglobalとISOは、試験条件や測定単位に関して異なる規制を持っています。 EPCglobalは同等の出力と距離を用い、ISOは電界強度と反射レーダーの断面積変化率を使用します。 前者は使用シナリオにより近く、後者は物理原理に近いが、実際にはどちらも同じ物理量の測定から計算された結果であり、明確な優劣性はない。

　　さまざまな規格や仕様によると、タグのテスト距離は主に1メートル以内で、送信出力は0から30 dBm、受信信号出力は主に-60 dBm以上です。

　　測定機器に関しては、高精度の機器が基本です。RFトランシーバーやアンテナ利得を含む正確な測定と校正が、精度を確保する鍵となります。 現在、高性能機器は最大0.3dBの測定精度を実現でき、再現性は0.1dBを超えることがあります。