Phương pháp và giải pháp kiểm tra độ nhạy của thẻ RFID tần số cực cao

　　Thẻ tần số cực cao đề cập đến thẻ RFID thụ động từ 840M đến 960MHz. Nhãn cho dây đeo này có nguồn gốc từ tiêu chuẩn EPCglobal Class 1 Thế hệ 2. Trong số đó, EPCglobal là tổ chức về các tiêu chuẩn mã hóa sản phẩm điện tử và các tiêu chuẩn RFID hạng nhất, thế hệ thứ hai thường được viết tắt là C1G2. Tiêu chuẩn này quy định giao thức nhận dạng tần số vô tuyến trong dải tần số cực cao 860M-960MHz. Giao thức này có tính năng phản hồi từ đầu đọc đến thẻ ở cấp độ micro giây và cơ chế ngăn ngừa va chạm khoa học để cho phép đọc và ghi thẻ nhanh trên hàng chục mét. Lý tưởng nhất là nó có thể đếm từ hai đến ba trăm nhãn mỗi giây, với khoảng cách đọc khoảng 30 mét, từng được đánh giá cao là tiêu chuẩn cho hậu cần thông minh thế hệ tiếp theo. Sau đó, tổ chức ISO đã chấp nhận tiêu chuẩn này và chuyển sang ISO 18000-6C. Trong những năm gần đây, Trung Quốc cũng đã đổi mới công nghệ này, tung ra tiêu chuẩn GB / T 29768 của riêng mình, quy định tần số ở 840-845MHz và 920M-925MHz, tránh các băng tần dịch vụ GSM liền kề.

　　Hiện tại, các giao thức này được gọi chung là RFID tần số cực cao (UHF) 800-900MHz. Tất cả các giao thức này đều kế thừa các tính năng như phản hồi tốc độ cao, kiểm kê nhanh và khoảng cách đọc/ghi dài. Hiệu suất của các sản phẩm giao thức phổ biến này là chìa khóa để sử dụng chúng. Trong số đó, nhãn hiệu là trung tâm của sự cạnh tranh khốc liệt. Thẻ RFID có đơn giá tương đối thấp nhưng được sử dụng với số lượng lớn, điều này đặt ra yêu cầu cao hơn về thiết kế và sản xuất. Do các khiếm khuyết và sự không ổn định trong công nghệ thiết kế nhãn và quy trình sản xuất, kiểm tra hiệu suất là điều cần thiết để kiểm soát.

　　Tuy nhiên, vì kiểm tra độ nhạy thẻ này liên quan đến phép đo RF không tiếp xúc, nên cần phải vượt qua các thách thức kỹ thuật khác nhau. Bài viết này tập trung vào việc giới thiệu các phương pháp lý thuyết và các khía cạnh thực tiễn của các phương pháp này.

　　Phương pháp kiểm tra độ nhạy cho thẻ RF tần số cực cao

　　Thiết lập cơ bản

　　Thử nghiệm thẻ UHF thường được tiến hành trong buồng không dội âm vi sóng hoặc phòng tối, nhưng cũng có thể được tiến hành trong phòng bán tối hoặc các địa điểm hiện trường ít bị nhiễu hơn. Tuy nhiên, do thẻ UHF có tần số và bước sóng tương đối cao chỉ khoảng 1/3 mét nên yêu cầu về kích thước buồng không dội âm không cao lắm, khiến chúng dễ chịu hơn về mặt kinh tế. Về thiết lập vật lý của thử nghiệm nhãn, có hai phương pháp chính: ăng-ten kép và ăng-ten đơn. Để có hiệu suất tối đa, EPCglobal và ISO ủng hộ phương pháp ăng-ten kép. Phương pháp này sử dụng một cặp ăng-ten phân cực tròn trái-phải, một truyền và một nhận, đạt được khả năng cách ly truyền và nhận tối đa, cho phép hệ thống thử nghiệm truyền ở công suất cao và nhận với độ nhạy cao, do đó xử lý các nhãn có độ nhạy thấp hơn. Để thuận tiện, một looper cũng được sử dụng để kết hợp ăng-ten kép thành một cấu hình ăng-ten duy nhất với song công truyền / nhận. Do đặc tính phản xạ của ăng-ten, hiệu suất tổng thể của hệ thống thấp hơn so với cấu hình ăng-ten kép.

　　Hình 1 Sơ đồ cấu hình kiểm tra thẻ ăng-ten kép

　　Cho biết đơn vị

　　Độ nhạy của nhãn thường được thể hiện bằng công suất hoặc cường độ trường. EPCglobal thực tế hơn, sử dụng RIPTUT, là công suất bức xạ đơn cực nhận được bởi thẻ. Nói một cách đơn giản, đó là cường độ trường RF mà thẻ có thể hoạt động là công suất nhận được bởi một ăng-ten đơn cực lý tưởng. Đơn vị của nó là dBm.

　　Cường độ trường thử nghiệm ISO được biểu thị bằng cường độ trường tối thiểu cần thiết để nhãn hoạt động bình thường. Đơn vị của nó là V / m.

　　Hai kết quả thử nghiệm này có thể trông khác nhau, nhưng trên thực tế, cả hai đều được tính bằng công suất truyền của người thử nghiệm.

　　Thẻ EPCglobal nhận công thức tính công suất đơn cực:

　　RIP = Công thức 1 EIRP-PL

　　EIRP = P + GTx Công thức 2

　　Trong đó EIRP là công suất bức xạ đơn cực tương đương của thiết bị (dBm), PL là tổn thất truyền không gian tự do từ ăng-ten truyền đến thẻ (dB), P là công suất đầu vào của ăng-ten phát (dBm) và GTx là độ lợi của ăng-ten phát (dB).

　　Ở đây, PRx là công suất nhận được, PTx là công suất tạo ra, Ae là diện tích khẩu độ tương đương của ăng-ten và R là khoảng cách giữa ăng-ten phát và nhận. Công thức này mô tả mối quan hệ giữa suy hao truyền trường xa và khoảng cách giữa các ăng-ten đơn cực lý tưởng. Dưới đây, chúng tôi trình bày một số điểm tần số mẫu điển hình với tổn thất truyền không gian tự do ở khoảng cách thử nghiệm điển hình, được đo bằng dB.

　　Lưu ý rằng các tính toán trên dựa trên mô hình sóng cầu trường xa. Nếu khoảng cách truyền/nhận quá ngắn, kết quả tính toán sẽ bị lệch. EPCglobal quy định khoảng cách 0,8-1 mét. ISO 18046-3 quy định khoảng cách thử nghiệm gần nhất.

　　Ở đây, R là khoảng cách thử nghiệm và L là chiều dài cạnh (đường kính) tối đa của ăng-ten phát. Dưới đây, chúng tôi cung cấp các yêu cầu ISO đối với khoảng cách thử nghiệm ở kích thước và tần số ăng-ten điển hình.

　　Nhiều mục kiểm tra

　　Khoảng cách kết nối chuyển tiếp

　　Trong các bài kiểm tra độ nhạy của thẻ, mọi người thường nghe thấy các câu hỏi về khoảng cách đọc/ghi thẻ. Khoảng cách đọc / ghi có liên quan đến độ nhạy của thẻ và công suất phản xạ, nhưng trong các ứng dụng thực tế, nó cũng liên quan đến hiệu suất của đầu đọc. Do đó, trong thử nghiệm, giả định rằng đầu đọc / ghi truyền ở công suất 35dBm thông qua ăng-ten đơn cực lý tưởng, đạt được khoảng cách đọc / ghi. Vì vậy, đây là câu hỏi: thẻ tần số cực cao có khoảng cách đọc/ghi rất dài. Chúng ta có nên trang bị một buồng RF siêu lớn không? SenseTech thì không. Chúng tôi đo công suất hoạt động tối thiểu của thẻ trong các điều kiện trường xa ở trên, trừ đi độ lợi ăng-ten phát và thu được công suất bức xạ đơn cực tương đương EIRPTX. Sau đó, dựa trên nguyên tắc suy giảm truyền dẫn không gian tỷ lệ thuận với bình phương của khoảng cách, chúng ta có thể ước tính khoảng cách đọc / ghi:

　　Phạm vi liên kết chuyển tiếp, còn được gọi là khoảng cách đọc, phụ thuộc vào cường độ trường cần thiết để kích hoạt thẻ.

　　Khoảng cách kết nối ngược

　　Độ lớn của công suất phản xạ thẻ xác định khoảng cách mà người đọc có thể đọc, vì vậy phạm vi liên kết ngược có thể được ước tính từ công suất phản xạ của thẻ. Khoảng cách kết nối ngược là khoảng cách mà tại đó công suất phản xạ được đọc bởi đầu đọc có độ lợi ăng-ten là 5dBil và độ nhạy thu -70dBm. Tiêu chuẩn toàn cầu EPC [2] cung cấp một phương pháp tính toán và kết quả thường lớn hơn khoảng cách kết nối thuận.

　　Ở đây, EIRPTx0 là công suất đơn cực tương đương truyền cần thiết cho độ nhạy kết nối ngược, được định nghĩa là độ nhạy kết nối thuận cộng với 2dB; PRx0 là công suất phản xạ thẻ nhận được trong điều kiện truyền EIRPTx0; GRx là độ lợi của ăng-ten thu.

　　Độ nhạy của các chế độ hoạt động thẻ khác nhau

　　Mức tiêu thụ điện năng cần thiết cho thẻ khác nhau ở các chế độ hoạt động đọc số ID, đọc thông tin thanh ghi và ghi thông tin thanh ghi, có nghĩa là độ nhạy của ba chế độ này là khác nhau. Điều này dẫn đến ba chế độ kiểm tra: nhận dạng, đọc và ghi độ nhạy Công suất hoạt động tối thiểu ở trên, cường độ trường tối thiểu, khoảng cách đọc tiến và lùi đều có các chỉ báo trong ba chế độ hoạt động này và mỗi chế độ khác nhau.

　　EIRP và ERP

　　Trong số nhiều tiêu chuẩn, công suất truyền đơn cực tương đương phổ biến hơn, nhưng ERP cũng được sử dụng. Trong tiêu chuẩn của Tổng công ty Lưới điện Nhà nước được công bố vào năm 2013, ERP đề cập đến công suất phát của ăng-ten lưỡng cực tương đương. Độ lợi của ăng-ten lưỡng cực lý tưởng là khoảng 2.2, vì vậy sự khác biệt giữa hai chỉ là một hằng số.

　　Ví dụ về thông số

　　Chúng tôi giả sử cả ăng-ten phát và nhận đều có độ lợi 6dBi, khoảng cách thử nghiệm là 1 mét, độ lợi ăng-ten thẻ là 2dB và suy hao phản xạ thẻ là 5dB. Khi thiết bị truyền ở tốc độ 915MHz và công suất là PTx, thẻ sẽ nhận được nguồn.

　　PTag=PTx+6-31.7+2=PTx-23.7

　　Công thức 11

　　Giả sử công suất phản xạ của thẻ là một phần ba công suất nhận được, khoảng -5dB. Công suất nhận được bởi bộ thu thử nghiệm như sau:

　　PRx=PTag-5+2-31.7+6= PTag-28.7

　　Công thức 12 Tính công suất mà chip và bộ thu nhận được cho các công suất truyền khác nhau theo hai công thức sau:

　　Nói cách khác, trong điều kiện lý tưởng, công suất phản xạ của thẻ tần số cực cao nhận được từ khoảng cách 1 mét nhỏ hơn khoảng 62dB so với công suất truyền. Hiện tại, các nhãn tốt nhất có thể đạt công suất mở khoảng -18dBm, vì vậy tín hiệu thẻ mà người thử nghiệm nhận được thường có công suất trên -47.4dBm. Trong thực tế, do thiết kế ăng-ten thẻ, độ lợi của nó nhỏ hơn 2 hoặc suy giảm do khớp trở kháng, dẫn đến tỷ lệ phản xạ thẻ là -5dB. Có tính đến các yếu tố này, giả sử tác động không vượt quá 10dB, công suất nhận được trên -60dBm.

　　Do đó, kiểm tra độ nhạy thẻ RFID không yêu cầu thiết bị có độ nhạy cực thấp như đầu đọc; thay vào đó, độ chính xác và hiệu chuẩn của thử nghiệm là các chỉ số quan trọng nhất. Nói một cách đơn giản, một thiết bị là một công cụ để đo lường chính xác trong khi vẫn đảm bảo truyền các giá trị đo được. Việc so sánh là độ chính xác, không giống như nhãn đo tập trung vào độ nhạy và khoảng cách đọc/ghi.

　　Ví dụ thử nghiệm

　　Tác giả đã sử dụng máy kiểm tra toàn diện RFID thế hệ thứ hai của Juxing Instruments để kiểm tra độ nhạy của hai thẻ tần số cực cao trong môi trường hộp tối. Một trong những thẻ được thử nghiệm là EPC C1G2 và thẻ còn lại là thẻ 800 / 900MHz tiêu chuẩn quốc gia. Mỗi nhãn được kiểm tra 10 lần để có được độ lặp lại.

　　(một) Độ lệch chuẩn của mẫu EPCUHF < 0,04dBm

　　(b) Độ lệch chuẩn của mẫu tiêu chuẩn quốc gia < 0,07dBm

　　Hình 2 Công suất mở tối thiểu để xác định hai tags

　　Hình 2 cho thấy đường cong của thử nghiệm độ lặp lại. Trong đó (a) là khả năng nhận dạng của EPCglobalC1G2 UHF sample nhãn và (b) là sức mạnh nhận dạng của nhãn 800 / 900M tiêu chuẩn quốc gia sample. Có thể thấy rằng trong bộ mẫu này, thẻ tiêu chuẩn quốc gia có độ nhạy tốt hơn thẻ EPC và chúng tôi nhận thấy rằng thẻ tiêu chuẩn quốc gia có độ ngẫu nhiên lớn hơn về việc liệu nó có thể được kích hoạt ở công suất tới hạn hay không, vì vậy độ lệch chuẩn của nó lớn hơn một chút so với nhãn mẫu EPC. Tóm lại, thí nghiệm này đã chứng minh độ lặp lại của thiết bị tốt hơn 0.1dB. Thông thường, máy kiểm tra cấp thấp lắp ráp bằng chip đọc hoặc các công nghệ tương tự

　　Độ lặp lại của thiết bị thử nghiệm kém hơn nhiều so với hiệu suất của thiết bị này, điều này đặt ra các vấn đề đáng kể về độ chính xác của phép đo.

　　Về hiệu chuẩn đo lường, hệ thống của Viện Đo lường Quốc gia đã có các phương pháp và cơ sở hiệu chuẩn máy kiểm tra RFID, cũng như thiết bị đo độ lợi ăng-ten. Tác giả đã gửi bốn ăng-ten thử nghiệm RFID để kiểm tra để đánh giá độ lợi của chúng và xác minh chúng bằng cách bắn chéo chúng với ăng-ten trong phòng thí nghiệm, đạt được tính nhất quán và độ lặp lại rất cao.

　　Tóm tắt

　　Kiểm tra thẻ RFID tần số cực cao là một thử nghiệm có độ chính xác cao, có thể truy xuất nguồn gốc đạt được thông qua các thiết bị và ăng-ten có độ chính xác cao, với hiệu chuẩn đo lường được đảm bảo. Thiết bị phản hồi với thẻ kiểm tra thông qua các lệnh giao diện không khí, kiểm tra công suất tới tối thiểu và công suất phản xạ thẻ cần thiết để nhận dạng thẻ nhận dạng, đọc và ghi ở cự ly gần. Sau đó, dựa trên công suất hoạt động tối thiểu này, hãy tính toán độ nhạy công suất thu ăng-ten đơn cực tương đương của thẻ và khoảng cách kết nối chuyển tiếp; Tính toán khoảng cách kết nối ngược dựa trên độ nhạy công suất và công suất phản xạ.

　　EPCglobal và ISO có các quy định khác nhau về điều kiện thử nghiệm và đơn vị đo lường. EPCglobal sử dụng công suất và khoảng cách tương đương, ISO sử dụng cường độ trường và tốc độ thay đổi diện tích mặt cắt ngang radar phản xạ. Cái trước gần với kịch bản sử dụng hơn, cái sau gần với các nguyên tắc vật lý hơn, nhưng trên thực tế, cả hai đều là kết quả tính toán từ cùng một phép đo đại lượng vật lý, không có lợi thế hay kém hơn rõ ràng.

　　Theo các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật khác nhau, khoảng cách kiểm tra thẻ chủ yếu trong vòng 1 mét, với công suất truyền từ 0 đến 30 dBm và công suất tín hiệu nhận được chủ yếu trên -60 dBm.

　　Về dụng cụ đo lường, các thiết bị có độ chính xác cao là nền tảng. Đo lường và hiệu chuẩn chính xác, bao gồm bộ thu phát RF và độ lợi ăng-ten, là chìa khóa để đảm bảo độ chính xác. Hiện tại, các thiết bị cao cấp có thể đạt được độ chính xác đo lên đến 0,3dB, trong khi độ lặp lại có thể tốt hơn 0,1dB.