Методы тестирования и решения для чувствительности сверхвысокочастотных RFID-меток

　　Метки с ультравысокой частотой относятся к пассивным RFID-меткам от 840 М до 960 МГц. Этикетки этой группы происходят от стандарта EPCglobal Class 1 Generation 2. Среди них EPCglobal является организацией, занимающейся стандартами кодирования электронных продуктов, а стандарты RFID первого класса второго поколения часто сокращаются как C1G2. Этот стандарт определяет протокол радиочастотной идентификации в сверхвысокочастотном диапазоне 860 М до 960 МГц. Этот протокол включает микросекундную реакцию считывателя на метку и научный механизм предотвращения столкновений, позволяющий быстро считывать и записывать метки на протяжении десятков метров. В идеале он может считать от двухсот до трёхсот меток в секунду с расстоянием считывания около 30 метров, что когда-то считалось стандартом для интеллектуальной логистики следующего поколения. Позже организация ISO приняла этот стандарт и перевела его на ISO 18000-6C. В последние годы Китай также внедряет инновации в этой технологии, выпустив собственный стандарт GB/T 29768, который устанавливает частоты 840-845 МГц и 920-925 МГц, избегая соседних диапазонов GSM.

　　В настоящее время эти протоколы вместе называются сверхвысокочастотными RFID (UHF) с частотой 800-900 МГц. Все эти протоколы наследуют такие функции, как высокая скорость отклика, быстрая инвентаризация и большие расстояния чтения/записи. Производительность этих популярных протокольных продуктов является ключом к их использованию. Среди них лейблы находятся в центре ожесточённой конкуренции. RFID-метки имеют относительно низкую единичную цену, но используются в больших количествах, что создаёт более высокие требования к проектированию и производству. Из-за дефектов и нестабильности в технологиях проектирования этикеток и производственных процессах тестирование производительности имеет решающее значение для контроля.

　　Однако, поскольку этот тест на чувствительность метки включает бесконтактное радиочастотное измерение, необходимо преодолеть различные технические трудности. В этой статье сосредоточена на введении теоретических методов и практических аспектов этих методов.

　　Метод тестирования чувствительности для сверхвысокочастотных радиочастотных меток

　　Основная настройка

　　Тестирование UHF-меток часто проводится в микроволновых безэховых камерах или темных камерах, но также может проводиться в полу-тёмных лабораториях или полевых площадках с меньшими помехами. Однако, поскольку UHF-метки имеют относительно высокие частоты и длину волн всего около 1/3 метра, требования к размеру безэховой камеры не очень высоки, что делает их экономически более удобными для переноса. Что касается физической настройки тестирования с метками, существует два основных метода: с двойной антенной и с одной антенной. Для максимальной производительности EPCglobal и ISO рекомендуют метод с двумя антеннами. Этот метод использует пару круглых поляризационных антенн с лево-правой стороны — одну передающую и другую приёмную, что обеспечивает максимальную изоляцию передачи и приёма, что позволяет тестовой системе передавать с высокой мощностью и принимать с высокой чувствительностью, тем самым обрабатывая метки с меньшей чувствительностью. Для удобства также используется лупер для объединения двух антенн в одну антенну с дуплексом передачи/приёма. Из-за характеристик отражения антенны общая производительность системы ниже, чем у конфигураций с двумя антеннами.

　　Рисунок 1 Схематическая схема конфигурации тестового метки с двумя антеннами

　　Обозначает единицу

　　Чувствительность к меткам обычно выражается в выражении мощности или напряжённости поля. EPCglobal более практичн, используя RIPTUT — однополярную мощность излучения, получаемую меткой. Проще говоря, именно мощность РЧ-поля, при которой может работать метка, — это мощность, получаемая идеальной монопольной антенной. Его единица — дБм.

　　Интенсивность поля для тестирования ISO выражается как минимальная напряжённость поля, необходимая для правильной работы маркировки. Её единица — V/m.

　　Эти два результата могут выглядеть по-разному, но на самом деле оба рассчитываются с использованием передаваемой мощности тестера.

　　Тег EPCglobal получает формулу расчёта мощности монополя:

　　RIP=EIRP-PL Формула 1

　　EIRP = P + GTx Формула 2

　　Где EIRP — эквивалентная мощность монопольного излучения прибора (дБм), PL — это потеря передачи в свободном пространстве от антенны, передающей на метку (дБ), P — входная мощность передающей антенны (дБм), а GTx — усиление передающей антенны (дБ).

　　Здесь PRx — это принимаемая мощность, PTx — генерируемая мощность, Ae — эквивалентная площадь апертуры антенны, а R — расстояние между передающей и принимающей антенной. Эта формула описывает связь между потерями передачи в дальнем поле и расстоянием между идеальными монопольными антеннами. Ниже представлены несколько типичных точек частоты выборки с потерями пропускания в свободном пространстве на типичных тестовых расстояниях, измеренных в дБ.

　　Обратите внимание, что вышеуказанные расчёты основаны на модели сферической волны дальнего поля. Если расстояние передачи/приёма слишком короткое, результаты расчёта будут отклоняться. EPCglobal определяет расстояние от 0,8 до 1 метра. ISO 18046-3 определяет ближайшее испытательное расстояние.

　　Здесь R — это тестовое расстояние, а L — максимальная длина сторони (диаметр) передающей антенны. Ниже приведены требования ISO для тестовых расстояний при типичных размерах и частотах антенн.

　　Несколько тестовых заданий

　　Прямое расстояние соединения

　　В тестах на чувствительность тегов часто слышат вопросы о расстоянии чтения/записи тегов. Расстояние чтения/записи связано с чувствительностью метки и силой отражения, но на практике оно также связано с производительностью считывателя. Поэтому при тестировании предполагается, что считыватель/писатель передаёт сигнал с мощностью 35 дБм через идеальную монопольную антенну, достигая расстояния чтения/записи. Итак, вот вопрос: метка с ультравысокой частотой имеет очень большое расстояние чтения/записи. Стоит ли оснащивать ультра-большую радиочастотную камеру? SenseTech — нет. Измеряем минимальную рабочую мощность метки при вышеуказанных условиях дальнего поля, вычитаем усиление передающей антенны и получаем эквивалентную мощность монопольного излучения EIRPTX. Затем, основываясь на принципе, что пространственное затухание передачи пропорционально квадрату расстояния, можно оценить расстояние чтения/записи:

　　Дальность прямого звена, также известная как расстояние считывания, зависит от интенсивности поля, необходимого для активации метки.

　　Расстояние обратного соединения

　　Величина отражённой мощности метки определяет, насколько далеко считыватель может читать, поэтому диапазон обратного канала можно оценить по силе отражения метки. Обратное расстояние соединения — это расстояние, на котором считыватель считывает отражённую мощность с усилением антенны 5 дБ и чувствительностью к приёму -70 дБм. Стандарт EPCglobal [2] предоставляет метод расчёта, и результаты обычно превышают расстояние прямого соединения.

　　Здесь EIRPTx0 — это эквивалентная монопольная мощность, необходимая для чувствительности обратного соединения, определяемая как чувствительность прямого соединения плюс 2 дБ; PRx0 — это отражательная мощность, получаемая в условиях передачи EIRPTx0; GRx — это усиление принимающей антенны.

　　Чувствительность различных режимов работы тегов

　　Энергопотребление, необходимое для меток, варьируется в режимах чтения ID-номеров, информации о регистрах чтения и записи регистров, что означает, что чувствительность этих трёх режимов отличается. Это приводит к трём режимам тестирования: распознавание, чувствительность чтения и запись. Вышеуказанные минимальные рабочие мощности, минимальная нагрузка поля, дальности вперёд и обратно считывания имеют индикаторы в этих трёх режимах работы, и каждый из них отличается.

　　EIRP и ERP

　　Среди многих стандартов более распространена эквивалентная монопольная мощность передачи, но также используется ERP. В стандарте State Grid Corporation, опубликованном в 2013 году, ERP означает мощность передачи эквивалентной дипольной антенны. Идеальное усиление дипольной антенны составляет около 2,2, поэтому разница между ними — всего одна константа.

　　Примеры параметров

　　Мы предполагаем, что и передающая, и принимающая антенны имеют усиление 6 дБи, тестовое расстояние — 1 метр, усиление антенны метки — 2 дБ, а потеря отражения от метки — 5 дБ. Когда прибор передаёт на частоте 915 МГц и мощность PTx, метка принимает питание.

　　PTag=PTx+6-31.7+2=PTx-23.7

　　Формула-11

　　При условии, что отражённая мощность метки составляет треть от принятой мощности, примерно -5 дБ. Питание, получаемое приемником-тестёром, следующее:

　　PRx=PTag-5+2-31.7+6= PTag-28.7

　　Формула 12 Вычисляет мощность, поступаемую чипом и приёмником для различных мощностей передачи по следующим двум формулам:

　　Другими словами, при идеальных условиях отражённая мощность метки ультравысокой частоты, принимаемая с расстояния 1 метр, примерно на 62 дБ меньше, чем передаваемая мощность. В настоящее время лучшие метки могут достигать степени открытия около -18 дБм, поэтому сигнал метки, принимаемый тестером, обычно имеет мощность выше -47,4 дБм. На практике, из-за конструкции антенны с меткой, её усиление меньше 2 или затухание из-за согласования импеданса, что приводит к коэффициенту отражения метки -5 дБ. Учитывая эти факторы, при условии, что воздействие не превышает 10 дБ, принимаемая мощность превышает -60 дБм.

　　Поэтому тестирование чувствительности RFID-меток не требует, чтобы прибор обладал крайне низкой чувствительностью, как у считывателя; напротив, точность и калибровка теста являются самыми критическими показателями. Проще говоря, прибор — это инструмент для точного измерения при обеспечении передачи измеренных значений. Сравнение — это точность, в отличие от измеренной метки, которая сосредоточена на чувствительности и расстоянии чтения/записи.

　　Пример теста

　　Автор использовал комплексный RFID-тестер второго поколения Juxing Instruments для проверки чувствительности двух сверхвысокочастотных меток в тёмной коробке. Один из протестируемых меток — EPC C1G2, а другой — национальный стандарт 800/900 МГц. Каждая метка тестируется 10 раз для получения повторяемости.

　　(a) Стандартное отклонение образца EPCUHF < 0,04 дБм

　　(b) Стандартное отклонение национального стандартного образца < 0,07 дБм

　　Рисунок 2 Минимальная мощность открытия для идентификации двух меток

　　Рисунок 2 показывает кривую теста повторяемости. где (a) — степень распознавания метки EPCglobalC1G2 UHF сэмпла, а (b) — степень распознавания национального стандартного сэмпла 800/900M. Видно, что в этом наборе выборки национальный стандартный метка обладает лучшей чувствительностью, чем EPC-метка, и мы обнаружили, что национальный стандартный метка обладает большей случайностью в том, можно ли его активировать при критической мощности, поэтому его стандартное отклонение немного больше, чем у EPC-метки. В итоге, этот эксперимент продемонстрировал повторяемость приборов лучше 0,1 дБ. Обычно малобюджетные тестировщики собираются с помощью чипов считывателя или аналогичных технологий

　　Повторяемость испытательного оборудования значительно уступает производительности этого прибора, что создаёт значительные проблемы с точностью измерений.

　　Что касается метрологической калибровки, система Национального института метрологии уже располагает методами и оборудованием для калибровки RFID-тестеров, а также оборудованием для измерения усиления антенны. Автор отправил четыре RFID-тестовые антенны для проверки их усиления и проверил их, сопоставив их с лабораторными антеннами, достигнув очень высокой консистенции и повторяемости.

　　Краткое содержание

　　Ультравысокочастотное RFID-тестирование — это высокоточный, отслеживаемый тест, осуществляемый с помощью высокоточных приборов и антенн с гарантированной метрологической калибровкой. Прибор реагирует на тестовую метку с помощью команд воздушного интерфейса, проверяя минимальную мощность падающей и отражающую мощность метки, необходимую для распознавания, чтения и записи метки на близком расстоянии. Затем, исходя из этой минимальной рабочей мощности, рассчитывается эквивалентная чувствительность мощности приёма монопольной антенны и прямое расстояние соединения; Рассчитайте расстояние обратного соединения на основе чувствительности питания и отражённой мощности.

　　EPCglobal и ISO имеют разные правила относительно условий испытаний и единиц измерения. EPCglobal использует эквивалентную мощность и расстояние, ISO — скорость изменения площади поперечного сечения с напряжённостью поля и отражения. Первая ближе к сценарию использования, вторая — к физическим принципам, но на практике оба являются рассчитанными результатами одного и того же измерения физического количества, без явного преимущества или неполноценности.

　　Согласно различным стандартам и спецификациям, тестовое расстояние для меток в основном составляет 1 метр, при этом мощность передачи составляет от 0 до 30 дБм, а мощность принимаемого сигнала — в основном выше -60 дБм.

　　Что касается измерительных приборов, высокоточные приборы являются фундаментальными. Точные измерения и калибровка, включая усиление радиочастотного передатчика и антенны, являются ключом к обеспечению точности. В настоящее время высококлассные приборы могут достигать точности измерения до 0,3 дБ, а повторяемость может быть выше 0,1 дБ.