Métodos e soluções de teste para a sensibilidade de etiquetas RFID de ultra alta frequência

　　Etiquetas de ultra-alta frequência referem-se a etiquetas RFID passivas de 840M a 960MHz. Os selos dessa banda têm origem no padrão EPCglobal Classe 1 Geração 2. Entre elas, a EPCglobal é a organização para padrões eletrônicos de codificação de produtos, e os padrões RFID de primeira classe e segunda geração são frequentemente abreviados como C1G2. Esse padrão especifica o protocolo de identificação por radiofrequência na faixa de frequência ultra-alta de 860M-960MHz. Este protocolo apresenta resposta de nível de micro-segundo entre leitor e etiqueta e um mecanismo científico de prevenção de colisões para permitir leitura e escrita rápida de etiquetas em dezenas de metros. Idealmente, pode contar de duzentos a trezentos rótulos por segundo, com uma distância de leitura de cerca de 30 metros, que antes era altamente considerada o padrão para a logística inteligente de próxima geração. Mais tarde, a organização ISO aceitou essa norma e a fez a transição para a ISO 18000-6C. Nos últimos anos, a China também inovou nessa tecnologia, lançando seu próprio padrão GB/T 29768, que especifica frequências em 840-845MHz e 920M-925MHz, evitando as faixas de serviço GSM adjacentes.

　　Atualmente, esses protocolos são coletivamente chamados de RFID ultra-alta frequência (UHF) de 800-900MHz. Esses protocolos herdam recursos como resposta de alta velocidade, inventário rápido e longas distâncias de leitura/escrita. O desempenho desses populares produtos de protocolo é fundamental para seu uso. Entre elas, as gravadoras estão no centro de uma competição acirrada. As etiquetas RFID têm um preço unitário relativamente baixo, mas são usadas em grandes quantidades, o que exige mais design e fabricação. Devido a defeitos e instabilidade na tecnologia de design de rótulos e nos processos de produção, os testes de desempenho são essenciais para o controle.

　　No entanto, como esse teste de sensibilidade envolve medição de RF sem contato, vários desafios técnicos precisam ser superados. Este artigo foca em apresentar os métodos teóricos e os aspectos práticos desses métodos.

　　Método de teste de sensibilidade para etiquetas RF de ultra-alta frequência

　　Configuração básica

　　O teste de etiquetas UHF é frequentemente realizado em câmaras anecoicas de micro-ondas ou laboratórios escuros, mas também pode ser realizado em semi-laboratórios ou locais de campo com menos interferência. No entanto, como as etiquetas UHF têm frequências relativamente altas e comprimentos de onda de apenas cerca de 1/3 de metro, os requisitos para tamanho de câmara anecoica não são muito altos, tornando-as economicamente mais fáceis de suportar. Quanto à configuração física do teste de etiquetas, existem dois métodos principais: antena dupla e antena única. Para desempenho máximo, EPCglobal e ISO defendem o método de antena dupla. Esse método utiliza um par de antenas de polarização circular esquerda-direita, uma transmissora e outra receptiva, alcançando o máximo isolamento de transmissão e recepção, permitindo que o sistema de teste transmita em alta potência e receba com alta sensibilidade, lidando assim com etiquetas de menor sensibilidade. Para conveniência, um looper também é usado para combinar antenas duplas em uma configuração única com duplex transmissor/recepção. Devido às características de reflexão da antena, o desempenho geral do sistema é inferior ao das configurações de antena dupla.

　　Figura 1 Diagrama esquemático da configuração de teste de etiquetas de antena dupla

　　Indica a unidade

　　A sensibilidade do rótulo geralmente é expressa em termos de potência ou intensidade de campo. O EPCglobal é mais prático, usando RIPTUT, que é a potência de radiação unipolar recebida pela etiqueta. Simplificando, é a intensidade do campo RF na qual a etiqueta pode operar que é a potência recebida por uma antena monopolo ideal. Sua unidade é dBm.

　　A intensidade de campo de teste ISO é expressa como a intensidade mínima de campo necessária para que o rótulo funcione corretamente. Sua unidade é V/m.

　　Esses dois resultados de teste podem parecer diferentes, mas, na verdade, ambos são calculados usando a potência transmitida pelo testador.

　　A tag EPCglobal recebe fórmula de cálculo de potência monopolo:

　　RIP=EIRP-PL Fórmula 1

　　EIRP = P + GTx Fórmula 2

　　Onde EIRP é a potência monopola equivalente (dBm) do instrumento, PL é a perda de transmissão em espaço livre da antena transmitida para a etiqueta (dB), P é a potência de entrada da antena transmissora (dBm) e GTx é o ganho da antena transmissora (dB).

　　Aqui, PRx é a potência recebida, PTx é a potência gerada, Ae é a área de abertura equivalente da antena, e R é a distância entre as antenas transmissoras e receptoras. Essa fórmula descreve a relação entre perda de transmissão em campo distante e distância entre antenas monopolos ideais. Abaixo, apresentamos vários pontos típicos de frequência de amostragem com perda de transmissão em espaço livre em distâncias típicas de teste, medidas em dB.

　　Note que os cálculos acima são baseados no modelo de onda esférica de campo distante. Se a distância de transmissão/recepção for muito curta, os resultados do cálculo vão se desviar. O EPCglobal especifica uma distância de 0,8 a 1 metro. A ISO 18046-3 especifica a distância de teste mais próxima.

　　Aqui, R é a distância de teste, e L é o comprimento máximo do lado (diâmetro) da antena transmissora. Abaixo, fornecemos os requisitos ISO para distâncias de teste em tamanhos e frequências típicas de antena.

　　Itens de teste múltiplos

　　Distância de conexão direta

　　Em testes de sensibilidade de etiquetas, as pessoas frequentemente ouvem perguntas sobre a distância de leitura/gravação da etiqueta. A distância de leitura/gravação está relacionada à sensibilidade da etiqueta e ao poder de reflexão, mas em aplicações práticas, também se relaciona ao desempenho do leitor. Portanto, nos testes, assume-se que o leitor/escritor transmite a 35dBm de potência através de uma antena monopolo ideal, alcançando uma distância de leitura/gravação. Então aqui está a questão: a etiqueta de ultra-alta frequência tem uma distância de leitura/gravação muito longa. Devemos equipar uma câmara de RF ultragrande? A SenseTech não é. Medimos a potência operacional mínima da tag sob as condições de campo distante acima, subtraímos o ganho da antena transmissora e obtemos a potência equivalente de radiação monopola EIRPTX. Então, com base no princípio de que a atenuação da transmissão espacial é proporcional ao quadrado da distância, podemos estimar a distância de leitura/escrita:

　　O alcance do enlace frontal, também conhecido como distância de leitura, depende da intensidade do campo necessária para ativação da marca.

　　Distância de conexão reversa

　　A magnitude da potência refletida da etiqueta determina até onde o leitor pode ler, então a faixa reversa do link pode ser estimada a partir da potência de reflexão da etiqueta. A distância de conexão reversa é a distância na qual a potência refletida é lida por um leitor com ganho de antena de 5dBilhões e sensibilidade de recepção de -70dBm. O padrão EPCglobal [2] fornece um método de cálculo, e os resultados geralmente são maiores do que a distância de conexão direta.

　　Aqui, EIRPTx0 é a potência monopolo equivalente transmissora necessária para a sensibilidade reversa da conexão, definida como sensibilidade de conexão direta mais 2dB; PRx0 é a potência de reflexão da etiqueta recebida sob condições de transmissão EIRPTx0; GRx é o ganho da antena receptora.

　　Sensibilidade dos diferentes modos de operação da etiqueta

　　O consumo de energia necessário para as tags varia nos modos de operação de leitura de números ID, leitura de informações de registradores e escrita de informações de registro, o que significa que a sensibilidade desses três modos é diferente. Isso resulta em três modos de teste: reconhecimento, leitura e sensibilidade à escrita. A potência mínima de operação acima, a intensidade mínima do campo, as distâncias de leitura para frente e para trás possuem indicadores nesses três modos de operação, e cada um é diferente.

　　EIRP e ERP

　　Entre muitos padrões, a potência equivalente de transmissão monopolo é mais comum, mas também é utilizada ERP (ERP). No padrão da State Grid Corporation divulgado em 2013, ERP refere-se à potência de transmissão de uma antena dipolo equivalente. O ganho ideal da antena dipolo é cerca de 2,2, então a diferença entre os dois é apenas uma constante.

　　Exemplos de parâmetros

　　Assumimos que tanto a antena transmissora quanto a receptora têm ganhos de 6dBi, a distância de teste é de 1 metro, o ganho da antena da etiqueta é de 2dB e a perda de reflexão da etiqueta é de 5dB. Quando o instrumento transmite a 915MHz e a potência é PTx, a marca recebe a energia.

　　PTag=PTx+6-31.7+2=PTx-23.7

　　Fórmula 11

　　Assumindo que a potência refletida da etiqueta seja um terço da potência recebida, cerca de -5dB. A potência recebida pelo receptor testador é a seguinte:

　　PRx=PTag-5+2-31.7+6= PTag-28.7

　　A Fórmula 12 calcula a potência recebida pelo chip e pelo receptor para diferentes potências de transmissão de acordo com estas duas fórmulas:

　　Em outras palavras, sob condições ideais, a potência refletida da etiqueta de ultra-alta frequência recebida a uma distância de 1 metro é cerca de 62dB menor que a potência transmitida. Atualmente, as melhores etiquetas podem atingir uma potência de abertura de cerca de -18dBm, então o sinal da etiqueta recebido pelo testador geralmente tem uma potência acima de -47,4dBm. Na prática, devido ao design da antena da etiqueta, seu ganho é menor que 2 ou a atenuação causada pela correspondência de impedância, resultando em uma razão de reflexão da etiqueta de -5dB. Levando esses fatores em consideração, assumindo que o impacto não exceda 10dB, a potência recebida é superior a -60dBm.

　　Portanto, o teste de sensibilidade com etiquetas RFID não exige que o instrumento tenha uma sensibilidade extremamente baixa como a de um leitor; ao contrário, a precisão e a calibração do teste são os indicadores mais críticos. Simplificando, um instrumento é uma ferramenta para medições precisas, garantindo a transmissão dos valores medidos. A comparação é precisa, ao contrário do rótulo medido, que foca na sensibilidade e na distância de leitura/gravação.

　　Exemplo de teste

　　O autor usou o testador abrangente de RFID de segunda geração da Juxing Instruments para testar a sensibilidade de duas etiquetas de ultrafrequência em um ambiente dark box. Uma das etiquetas testadas é EPC C1G2, e a outra é uma etiqueta padrão nacional de 800/900MHz. Cada etiqueta é testada 10 vezes para obter repetibilidade.

　　(a) O desvio padrão da amostra EPCUHF < 0,04dBm

　　(b) Desvio padrão da amostra padrão nacional < 0,07dBm

　　Figura 2 Poder mínimo de abertura para identificação de duas etiquetas

　　A Figura 2 mostra a curva do teste de repetibilidade. Onde (a) é o poder de reconhecimento do rótulo de amostra UHF EPCglobalC1G2, e (b) é o poder de reconhecimento da amostra de rótulo padrão nacional 800/900M. Pode-se observar que, nesse conjunto de amostras, a etiqueta padrão nacional tem maior sensibilidade do que a etiqueta EPC, e descobrimos que a etiqueta padrão nacional apresenta maior aleatoriedade quanto à sua capacidade de ativação em potência crítica, então seu desvio padrão é ligeiramente maior que o da etiqueta EPC. Em resumo, este experimento demonstrou uma repetibilidade do instrumento melhor que 0,1dB. Normalmente, testadores de baixo desempenho montam usando chips leitores ou tecnologias similares

　　A repetibilidade do equipamento de teste é muito inferior ao desempenho desse instrumento, o que apresenta problemas significativos com a precisão da medição.

　　Em termos de calibração de metrologia, o sistema do Instituto Nacional de Metrologia já possui métodos e instalações de calibração de testadores de RFID, além de equipamentos para medição de ganho de antena. O autor enviou quatro antenas de teste RFID para inspeção para avaliar seu ganho, e as verificou através de cross-fires com as antenas do laboratório, alcançando alta consistência e repetibilidade.

　　Resumo

　　O teste de etiquetas RFID de ultra-alta frequência é um teste de alta precisão e rastreável, realizado por meio de instrumentos e antenas de alta precisão, com calibração metrológica garantida. O instrumento responde à etiqueta de teste por meio de comandos de interface aérea, testando a potência mínima incidente e a potência de reflexão necessária para reconhecimento, leitura e gravação da etiqueta a curta distância. Depois, com base nessa potência mínima de operação, calcula-se a sensibilidade equivalente da antena monopolo da etiqueta e a distância de conexão direta; Calcule a distância de conexão reversa com base na sensibilidade de potência e na potência refletida.

　　EPCglobal e ISO possuem regulamentações diferentes quanto às condições de teste e unidades de medição. O EPCglobal usa potência e distância equivalentes, o ISO usa intensidade de campo e taxa de variação da seção transversal do radar de reflexão. O primeiro está mais próximo do cenário de uso, o segundo mais próximo dos princípios físicos, mas, na realidade, ambos são resultados calculados a partir da mesma medida de quantidade física, sem vantagem ou inferioridade clara.

　　De acordo com vários padrões e especificações, a distância de teste para etiquetas é geralmente dentro de 1 metro, com potência de transmissão variando de 0 a 30 dBm e potência de sinal recebida geralmente acima de -60 dBm.

　　Em termos de instrumentos de medição, instrumentos de alta precisão são fundamentais. Medições e calibrações precisas, incluindo ganho de transceptores RF e antenas, são fundamentais para garantir a precisão. Atualmente, instrumentos de alto desempenho podem alcançar precisão de medição de até 0,3dB, enquanto a repetibilidade pode ser melhor que 0,1dB.