Ultra yüksek frekanslı RFID etiketlerinin hassasiyeti için test yöntemleri ve çözümleri

　　Ultra yüksek frekans etiketleri, 840M'den 960MHz'e kadar pasif RFID etiketlerini ifade eder. Bu grubun etiketleri EPCglobal Class 1 Generation 2 standardından gelmektedir. Bunlar arasında EPCglobal, elektronik ürün kodlama standartları için çalışan kuruluştur ve birinci sınıf, ikinci nesil RFID standartları genellikle C1G2 olarak kısaltılır. Bu standart, 860M-960MHz ultra-yüksek frekans aralığında radyo frekansı tanımlama protokolünü belirler. Bu protokol, mikrosaniye düzeyinde okuyucu-etiket tepkisi ve onlarca metre boyunca hızlı etiket okuma ve yazma mümkün kılan bilimsel bir çarpışma önleme mekanizması içerir. İdeal olarak, saniyede iki ila üç yüz etiket sayabilir, yaklaşık 30 metre okuma mesafesi var; bir zamanlar yeni nesil akıllı lojistik için yüksek kabul görülen bir yöntemdi. Daha sonra ISO organizasyonu bu standardı kabul etti ve ISO 18000-6C'ye geçirdi. Son yıllarda Çin de bu teknolojide yenilik yaparak kendi GB/T 29768 standartını piyasaya sürdü; bu standart, 840-845MHz ve 920M-925MHz frekanslarını belirledi ve bitişik GSM hizmet bantlarından kaçındı.

　　Şu anda bu protokoller topluca 800-900MHz ultra yüksek frekanslı RFID (UHF) olarak adlandırılmaktadır. Bu protokollerin hepsi yüksek hızlı yanıt, hızlı envanter ve uzun okuma/yazma mesafeleri gibi özellikleri devralır. Bu popüler protokol ürünlerinin performansı, kullanımlarının anahtarıdır. Bunlar arasında, etiketler yoğun rekabetin merkezinde. RFID etiketlerinin birim fiyatı nispeten düşüktür ancak büyük miktarlarda kullanılır, bu da tasarım ve üretim için daha yüksek talepler getirir. Etiket tasarım teknolojisi ve üretim süreçlerindeki kusurlar ve istikrarsızlıklar nedeniyle, performans testi kontrol için gereklidir.

　　Ancak, bu etiket hassasiyet testi temassız RF ölçümü içerdiğinden, çeşitli teknik zorlukların aşılması gerekir. Bu makale, bu yöntemlerin teorik yöntemlerini ve pratik yönlerini tanıtmaya odaklanmaktadır.

　　Ultra yüksek frekanslı RF etiketleri için hassasiyet testi yöntemi

　　Temel kurulum

　　UHF etiket testi genellikle mikrodalga yankı odalarında veya karanlık odalarda yapılır, ancak yarı karanlık odalarda veya saha alanlarında da daha az parazitle yapılabilir. Ancak, UHF etiketleri nispeten yüksek frekanslara ve dalga boylarına sadece yaklaşık 1/3 metre olduğundan, yankı odası boyutu gereksinimleri çok yüksek değildir, bu da onları ekonomik olarak taşımayı kolaylaştırır. Etiket testinin fiziksel kurulumu ile ilgili olarak iki ana yöntem vardır: çift anten ve tek anten. Maksimum performans için EPCglobal ve ISO çift antenli yöntemi savunur. Bu yöntem, biri ileten diğeri alıcı olan sol-sağ dairesel polarizasyon antenlerinden oluşan çift kullanır; maksimum iletim ve alım izolasyonu sağlar; böylece test sistemi yüksek güçte iletim ve yüksek hassasiyetle alabilir ve böylece daha düşük hassasiyetli etiketleri işleyebilir. Konforluk için, bir looper ayrıca çift antenleri iletim/alım dupleksi ile tek bir anten konfigürasyonunda birleştirmek için kullanılır. Anten yansıma özellikleri nedeniyle, genel sistem performansı çift antenli konfigürasyonlara göre daha düşüktür.

　　Şekil 1 Çift antenli etiket test konfigürasyonunun şematik diyagramı

　　Birimi gösterir

　　Etiket hassasiyeti genellikle güç veya alan gücü olarak ifade edilir. EPCglobal daha pratiktir; etiketin aldığı tek polarlı radyasyon gücü olan RIPTUT kullanır. Basitçe söylemek gerekirse, etiketin çalışabildiği RF alan gücü, ideal bir monopol antenin aldığı güçtür. Birimi dBm'dir.

　　ISO test alan gücü, etiketin düzgün çalışması için gereken minimum alan gücü olarak ifade edilir. Birimi V/m'dir.

　　Bu iki test sonucu farklı görünebilir, ancak aslında her ikisi de test cihazının iletim gücü kullanılarak hesaplanır.

　　EPCglobal etiketi monopol güç hesaplama formülünü alır:

　　RIP=EIRP-PL Formula 1

　　EIRP = P + GTx Formula 2

　　EIRP cihazın eşdeğer monopol radyasyon gücü (dBm) olduğunda, PL antenden etikete ileten serbest alan iletim kaybıdır (dB), P ileten antenin giriş gücü (dBm) ve GTx ileten antenin kazancı (dB) olarak belirtilir.

　　Burada PRx, alınan güç, PTx üretilen güç, Ae antenin eşdeğer diyafram alanı ve R, ileten ve alıcı antenler arasındaki mesafedir. Bu formül, uzak alan iletim kaybı ile ideal monopol antenler arasındaki mesafe arasındaki ilişkiyi tanımlar. Aşağıda, tipik test mesafelerinde serbest alan iletim kaybı olan birkaç tipik örnek frekans noktasını dB cinsinden ölçülerek sunuyoruz.

　　Yukarıdaki hesaplamaların uzak alan küresel dalga modeline dayandığını unutmayın. Gönderme/alım mesafesi çok kısa, hesaplama sonuçları sapacaktır. EPCglobal 0,8-1 metre mesafe belirtir. ISO 18046-3, en yakın test mesafesini belirtir.

　　Burada, R test mesafesi, L ise ileten antenin maksimum yan uzunluğu (çapı) şeklindedir. Aşağıda, tipik anten boyutları ve frekanslarındaki test mesafeleri için ISO gereksinimlerini sunuyoruz.

　　Birden fazla test öğesi

　　İleri bağlantı mesafesi

　　Etiket hassasiyet testlerinde, insanlar genellikle etiket okuma/yazma mesafesi hakkında sorular duyarlar. Okuma/yazma mesafesi, etiket hassasiyeti ve yansıma gücüyle ilişkilidir, ancak pratik uygulamalarda okuyucunun performansıyla da ilişkilidir. Bu nedenle, testlerde, okuyucu/yazıcının ideal bir monopol anten üzerinden 35dBm güçle iletim yaptığı ve bir okuma/yazma mesafesi elde ettiği varsayılmaktadır. Yani şu soru şu: ultra yüksek frekans etiketi çok uzun bir okuma/yazma mesafesine sahip. Ultra büyük bir RF odası takmalı mıyız? SenseTech donatmıyor. Yukarıdaki uzak alan koşullarında etiketin minimum çalışma gücünü ölçüyor, ileten anten kazancını çıkarır ve eşdeğer monopol radyasyon gücü EIRPTX'i elde ederiz. Sonra, uzaysal iletim zayıflamasının mesafenin karesiyle orantılı olduğu ilkesine dayanarak, okuma/yazma mesafesini tahmin edebiliriz:

　　İleri bağlantı menzili, okuma mesafesi olarak da bilinir, etiket aktivasyonu için gereken alan gücüne bağlıdır.

　　Ters bağlantı mesafesi

　　Etiketin yansıtılan gücünün büyüklüğü, okuyucunun ne kadar okuyabileceğini belirler, böylece geri bağlantı aralığı etiket yansıtma gücünden tahmin edilebilir. Ters bağlantı mesafesi, anten kazancı 5dBil ve alım hassasiyeti -70dBm olan bir okuyucu tarafından yansıtılan gücün okunduğu mesafedir. EPCglobal standart [2] bir hesaplama yöntemi sunar ve sonuçlar genellikle ileri bağlantı mesafesinden daha fazladır.

　　Burada, EIRPTx0, ters bağlantı hassasiyeti için gereken eşdeğer monopol güçüdür ve ileri bağlantı hassasiyeti artı 2dB olarak tanımlanır; PRx0, EIRPTx0 iletim koşullarında alınan etiket yansıtma gücüdür; GRx, alıcı antenin kazancıdır.

　　Farklı etiket çalışma modlarının hassasiyeti

　　Etiketler için gereken güç tüketimi, kimlik numaralarını okuma, kayıt bilgilerini okuma ve kayıt bilgilerini yazma çalışma modlarında değişiklik gösterir; bu da bu üç modun hassasiyetinin farklı olduğu anlamına gelir. Bu, üç test moduna yol açar: tanıma, okuma ve yazma hassasiyeti. Yukarıdaki minimum çalışma gücü, minimum alan gücü, ileri ve geri okuma mesafelerinin hepsi bu üç çalışma modunda göstergelere sahiptir ve her biri farklıdır.

　　EIRP ve ERP

　　Birçok standart arasında, eşdeğer monopol iletim gücü daha yaygındır, ancak ERP de kullanılır. 2013'te yayımlanan State Grid Corporation standardında, ERP, eşdeğer bir dipol antenin iletim gücünü ifade eder. İdeal dipol anten kazancı yaklaşık 2.2'dir, yani ikisi arasındaki fark sadece bir sabittir.

　　Parametre örnekleri

　　Hem ileten hem de alıcı antenlerin kazancı 6dBi, test mesafesi 1 metre, etiket anten kazancı 2dB ve etiket yansıması kaybı 5dB olduğunu varsayıyoruz. Cihaz 915MHz hızında iletim yaptığında ve güç PTx olduğunda, etiket gücü alır.

　　PTag=PTx+6-31.7+2=PTx-23.7

　　Formula 11

　　Etiketin yansıtılan gücü alınan gücün üçte biri, yaklaşık -5dB olarak varsayılırsak. Test alıcısının aldığı güç aşağıdaki gibidir:

　　PRx=PTag-5+2-31.7+6= PTag-28.7

　　Formula 12, çip ve alıcının farklı iletim güçleri için aldığı gücü şu iki formüle göre hesaplar:

　　Başka bir deyişle, ideal koşullarda, 1 metre mesafeden alınan ultra-yüksek frekans etiketinin yansıtma gücü, iletilen güçten yaklaşık 62dB daha azdır. Şu anda en iyi etiketler yaklaşık -18dBm açılma gücüne ulaşabilir, bu yüzden test cihazının aldığı etiket sinyalinin gücü genellikle -47.4dBm'nin üzerindedir. Pratikte, etiket anten tasarımı nedeniyle, kazancı 2'den az veya empedans eşleştirmesinden kaynaklanan zayıflamadır; bu da etiket yansıma oranı -5dB'dir. Bu faktörler göz önüne alındığında, çarpmanın 10dB'yi aşmadığı varsayıldığı takdirde, alınan güç -60dBm'nin üzerindedir.

　　Bu nedenle, RFID etiketi hassasiyet testi, cihazın okuyucu gibi aşırı düşük hassasiyete sahip olmasını gerektirmez; bunun yerine, test doğruluğu ve kalibrasyon en kritik göstergelerdir. Basitçe söylemek gerekirse, bir cihaz, ölçülen değerlerin iletilmesini sağlarken hassas ölçüm için bir araçtır. Karşılaştırma, hassasiyet ve okuma/yazma mesafesine odaklanan ölçülen etiketin aksine, hassasiyettir.

　　Test örneği

　　Yazar, Juxing Instruments'ın ikinci nesil RFID kapsamlı test cihazını kullanarak karanlık kutu ortamında iki ultra yüksek frekanslı etiketin hassasiyetini test etti. Test edilen etiketlerden biri EPC C1G2, diğeri ise ulusal standart 800/900MHz etiketidir. Her etiket, tekrarlanabilirlik sağlamak için 10 kez test edilir.

　　(a) EPCUHF örneğinin standart sapması 0.04dBm <

　　(b) Ulusal standart örneklemin standart sapması < 0,07dBm

　　Şekil 2 İki etiketin tanımlanması için minimum açılma gücü

　　Şekil 2, tekrarlanabilirlik testinin eğrisini göstermektedir. Burada (a) EPCglobalC1G2 UHF örnek etiketinin tanıma gücü, (b) ise ulusal standart 800/900M etiket örneğinin tanıma gücü. Bu örneklem setinde, ulusal standart etiketin EPC etiketinden daha iyi bir hassasiyete sahip olduğu görülebilir ve ulusal standart etiketin kritik güçte etkinleştirilemeyeceği konusunda daha fazla rastgeleliğe sahip olduğunu gördük; bu nedenle standart sapma, EPC örnek etiketinden biraz daha büyüktür. Özetle, bu deney enstrüman tekrarlanabilirliğini 0.1dB'den daha iyi göstermiştir. Genellikle, düşük seviye test cihazları okuyucu çipleri veya benzer teknolojiler kullanılarak bir araya getirir

　　Test ekipmanının tekrarlanabilirliği, bu cihazın performansından çok daha düşüktür ve bu da ölçüm doğruluğunda önemli sorunlar yaratır.

　　Metrolo kalibrasyonu açısından, Ulusal Metroloji Enstitüsü sistemi zaten RFID test cihazı kalibrasyon yöntemleri ve tesislerine, ayrıca anten kazanç ölçümü için ekipmanlara sahiptir. Yazar, kazançlarını değerlendirmek için dört RFID test anteni gönderdi ve laboratuvar antenleriyle çapraz ateş ederek çok yüksek tutarlılık ve tekrarlanabilirlik elde etti.

　　Özet

　　Ultra yüksek frekanslı RFID etiket testi, yüksek hassasiyetli cihazlar ve antenler aracılığıyla gerçekleştirilen yüksek hassasiyetli, izlenebilir bir testtir ve metroloji kalibrasyonu garanti edilir. Cihaz, test etiketine hava arayüzü komutları aracılığıyla yanıt verir; yakın mesafede etiket tanıma, okuma ve yazma için gereken minimum gelen güç ve etiket yansıtma gücünü test eder. Sonra, bu minimum çalışma gücüne dayanarak, etiketin eşdeğer monopol anten alım güç hassasiyeti ve ileri bağlantı mesafesi hesaplanır; Güç hassasiyeti ve yansıtılan güce dayalı olarak ters bağlantı mesafesini hesaplayın.

　　EPCglobal ve ISO test koşulları ve ölçüm birimleri konusunda farklı düzenlemelere sahiptir. EPCglobal eşdeğer güç ve mesafe kullanırken, ISO alan gücü ve yansıma radarı kesit alan değişim hızını kullanır. İlki kullanım senaryosuna daha yakın, ikincisi ise fiziksel prensiplere daha yakındır, ancak gerçekte her ikisi de aynı fiziksel miktar ölçümüyle hesaplanmış sonuçlardır ve net bir avantaj veya eksiklik yoktur.

　　Çeşitli standartlar ve spesifikasyonlara göre, etiketlerin test mesafesi çoğunlukla 1 metre içindedir, iletim gücü 0 ila 30 dBm arasında değişir ve sinyal gücü çoğunlukla -60 dBm'nin üzerinde alınır.

　　Ölçüm aletleri açısından yüksek hassasiyetli cihazlar temel önemdedir. RF vericisi ve anten kazancı dahil olmak üzere doğru ölçüm ve kalibrasyon, doğruluğun sağlanmasında anahtardır. Şu anda, üst düzey cihazlar 0.3dB'ye kadar ölçüm doğruluğu elde edebilirken, tekrarlanabilirlik 0.1dB'den daha iyi olabilir.