RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術之一，每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術的書籍。

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6.1.2閱讀器性能測試

閱讀器的核心指標是靈敏度（包含載波抵消）和輸出功率，當大家選型時會發(fā)現(xiàn)，閱讀器供應商的射頻參數(shù)都差不多，那么怎么樣才能知道閱讀器的性能好壞呢？本節(jié)不討論閱讀器的外圍接口和支持的特殊功能，只考慮閱讀器的輸出功率、靈敏度和多標簽性能。

01、閱讀器的輸出功率

閱讀器的輸出功率在符合射頻指標認證規(guī)范（6.2.2節(jié)有詳細介紹）的前提下，需要對其輸出功率的大小、精度以及工作頻率的精度進行測試。這些參數(shù)的測量需要一臺專用設備—頻譜分析儀。

頻譜分析儀是研究電信號頻譜結(jié)構的儀器，用于信號失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測量儀器，如圖6-17所示為一臺頻譜分析儀的照片。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等。

圖6-17頻譜分析儀

傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機，輸入信號經(jīng)變頻器變頻后由低通濾器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標圖，就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可以達到很寬的頻率，圖6-17的頻譜范圍為9kHz到26.5GHz。頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測量儀器之一。無論測量連續(xù)信號或調(diào)制信號，頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是，傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標量儀器而不是矢量儀器。早期超高頻RFID閱讀器的測試中，頻譜分析儀主要的功能是測試閱讀器的輸出頻率和輸出功率。

掌握頻譜分析儀的操作后，就可以對閱讀器進行測試了。首先需要測試其輸出功率的準確性，測試流程為：將閱讀器的輸出端口通過饋線連接衰減器和頻譜分析儀的輸入接口，這里連接衰減器的原因是閱讀器的輸出功率太大，會損壞頻譜分析儀，頻譜分析儀很貴，一定要愛護。圖6-17中頻譜儀的輸入端口下面有一排警示小字，說明該射頻的輸入功率不能超過30dBm。由于閱讀器的輸出功率大多超過30dBm，因此一定要增加一個衰減器，衰減值建議為20-30dB左右。然后啟動閱讀器發(fā)射特定功率的尋卡命令，此時頻譜分析儀的顯示屏上會顯示出信號的跳動，記錄最大功率；改變閱讀器的輸出功率后再次發(fā)送尋卡命令并記錄頻譜儀最大示數(shù)。對于頻率精度的測試，先固定一個頻率并設置閱讀器發(fā)送載波信號，再從頻譜分析儀上記錄中心頻率。如表6-2所示為測試記錄表示例，需要在多個功率點和多個頻率點進行測試并記錄。

表6-2 功率和頻率測試記錄表

測試結(jié)果需要關注的主要有三個參數(shù)，分別是：輸出的最大功率，一般情況下輸出功率越大工作距離越遠；功率精度，實測功率與設置功率差值越小越好；頻率精度，實測頻率與設置頻率差值越小越好。

02、閱讀器的靈敏度測試

超高頻RFID系統(tǒng)中的閱讀器靈敏度與載波泄漏關系很大，單純的通過閱讀器讀取標簽的距離無法評測閱讀器的靈敏度，因為系統(tǒng)中一般情況下為標簽能量受限，對于閱讀器的靈敏度沒有指導意義。實際上閱讀器的靈敏度對比是與其載波抵消能力的對比，需要充分考慮不同載波泄漏下的靈敏度。市面上有一些閱讀器測試靈敏度測試的專用設備（6.2.1節(jié)介紹的NI設備就具有該功能），其方法為虛擬一個電子標簽改變負載調(diào)制的強度，從而測試閱讀器的靈敏度。然而閱讀器靈敏度的關鍵點在于載波抵消功能，當配套性能良好的閱讀器天線時，其靈敏度一定非常好，即使專用設備測試出靈敏度數(shù)值也沒有意義，因為對于整個系統(tǒng)的工作距離沒有任何影響。該測試的重點是構造一個不同載波泄漏的環(huán)境，在此環(huán)境下測試靈敏度。

構造不同載波泄漏的環(huán)境有兩種方法，分別是選擇多種不同輸入反射系數(shù)的天線或制作多個不同輸入反射系數(shù)的匹配電路。此時需要使用到一臺矢量網(wǎng)絡分析儀。

網(wǎng)絡分析儀是一種能在寬頻帶內(nèi)進行掃描測量以確定網(wǎng)絡參量的綜合性的微波測量儀器。全稱是微波網(wǎng)絡分析儀。網(wǎng)絡分析儀是測量網(wǎng)絡參數(shù)的一種新型儀器，可直接測量有源或無源、可逆或不可逆的雙口和單口網(wǎng)絡的復數(shù)散射參數(shù)，并以掃頻方式給出各散射參數(shù)的幅度、相位頻率特性。自動網(wǎng)絡分析儀能對測量結(jié)果逐點進行誤差修正，并換算出其它幾十種網(wǎng)絡參數(shù)，如輸入反射系數(shù)、輸出反射系數(shù)、電壓駐波比、阻抗（或?qū)Ъ{）、衰減（或增益）、相移和群延時等傳輸參數(shù)以及隔離度和定向度等。如圖6-12所示，為一款網(wǎng)絡分析儀的實物照片。

圖6-18 矢量網(wǎng)絡分析照片

矢量網(wǎng)絡分析儀自帶了一個信號發(fā)生器，可以對一個頻段進行頻率掃描。如果是單端口測量，將激勵信號加在端口上，通過測量反射回來信號的幅度和相位，就可以判斷出阻抗或者反射情況.。而對于雙端口測量，則還可以測量傳輸參數(shù)。由于受分布參數(shù)等影響明顯，網(wǎng)絡分析儀使用之前必須校準。

在微波電路的設計和計算中，需要對所用元器件特性的全部網(wǎng)絡參數(shù)進行全面定值。而微波元器件中，包括微波晶體管，大多采用S參數(shù)（散射參數(shù)）來表述它們的特性。一般二端口網(wǎng)絡需要有四個散射參數(shù)（S11、S22、S12和S21），才能對其全面定值。因此往往采用測量的方法來確定網(wǎng)絡的參數(shù)。在測量閱讀器天線或匹配電路時，采用S11測量即可，代表的物理意義為輸入天線的能量中，反射回來的能量強度。

在超高頻RFID系統(tǒng)開發(fā)中，矢量網(wǎng)絡分析儀是非常重要的設備。尤其對于閱讀器天線開發(fā)廠商，每天都要用到矢量網(wǎng)絡分析儀。

在構造閱讀器測試環(huán)境時，由于尋找多款不同輸入反射系數(shù)的閱讀器天線非常困難，最好的方式是通過自制匹配電路的方式實現(xiàn)多種不同的載波泄漏。制作11組匹配電路，當匹配電路連接一個固定天線（小尺寸、小增益天線）時，其天線的輸入反射系數(shù)S11從-5dB到-15dB不等（若測試不帶有載波抵消的功能的閱讀器，需要選擇從-5dB到-20dB的匹配電路），該參數(shù)需要在矢量網(wǎng)絡分析儀下測試得到。下一步是架設測試現(xiàn)場環(huán)境，大尺寸的微波暗室是最好的選擇，如果沒有微波暗室盡量在室外空曠的環(huán)境中進行測試。固定閱讀器天線，設置閱讀器發(fā)送最大輸出功率，測量一個固定標簽的最遠工作距離。不斷更換匹配電路板，從-15dB開始測試，逐漸增加載波泄漏強度，直到-5dB。測試中使用的標簽是一款高性能遠距離的標簽，且已知其靈敏度和反向散射強度的，讀者可以參照6.1.1節(jié)，使用Tagformance獲得一個標簽的上述參數(shù)。測試結(jié)果記錄到表6-3的距離一欄中，表中的實測數(shù)據(jù)是筆者對一臺閱讀器靈敏度測試時的原始數(shù)據(jù)，作為參考。

表6-3 閱讀器性能測試記錄表

在閱讀器載波泄漏不嚴重時，系統(tǒng)的工作距離為正向受限，可以通過2-12計算出來，其中Pt為閱讀器的最大發(fā)射功率，Gt為閱讀器天線的增益，Pr為標簽的靈敏度，λ由閱讀器的當前工作頻率決定。讀者可以自行帶入數(shù)據(jù)進行計算，看看此時計算的R是否與實測的數(shù)據(jù)相同（如果在室外測試，應先學習6.1.3節(jié)的應用測試方法）。如果計算數(shù)值與實測數(shù)值非常接近，則說明正向測試部分達到預期效果。若測試結(jié)果小于預期，需要查看是否因為長時間發(fā)射引起發(fā)熱導致輸出功率變小。該測試系統(tǒng)中最大輸出功率Pt=33dBm，閱讀器天線的增益為線極化Gt=2dBi，標簽靈敏度Pr=-20dBm，工作頻率為922.5MHz，通過計算得到R=14.56米，與實測數(shù)據(jù)相似。

如表6-3所示，在最初更換匹配電路后，系統(tǒng)的工作距離不變，此時還為正向受限。當更換輸入反射系數(shù)更大的匹配電路后，閱讀器載波泄漏越來越嚴重，導致工作距離突然變近，此時系統(tǒng)為反向受限，其工作距離可以根據(jù)式2-11：計算出來，其中標簽反向散射的能量為Ptag，Preader為閱讀器的靈敏度，Greader為閱讀器的天線增益，f為閱讀器的當前工作頻率，R為表格中實測的工作距離。通過上述測試和計算，可以得到重要的閱讀器性能參數(shù)，不同載波泄漏下的靈敏度。該測試系統(tǒng)中反向散射能量為Ptag=-26dBm，閱讀器天線的增益為線極化Greader=Gt=2dBi，工作頻率f=922.5MHz，將不同S11對應測試的距離R帶入公式后可以計算出Preader，如表6-3最后一行的靈敏度所示?？梢钥吹诫S著載波泄漏的增加，靈敏度隨之下降的情況。該特征參數(shù)是對于閱讀器靈敏度最有效的展現(xiàn)形式。

03、多標簽性能測試

多標簽性能是閱讀器的重要指標，但如何評測多標簽效果在行業(yè)中一直缺乏有效的方式，許多銷售人員口中鼓吹的多標簽性能已經(jīng)成為一門玄學。多標簽性能主要是由閱讀器的靈敏度和多標簽算法（多標簽算法詳解見3.3節(jié)）決定。主要評測標準為兩項，對于大量標簽場景的讀全率以及讀全標簽所需要的時間。

多標簽測試最大的缺點是沒有一套測試標準，不同的用戶無法重現(xiàn)測試結(jié)果。只有在一些多標簽的應用中，幾家閱讀器廠商進行PK的時候會在固定的場景中反復測試。當這個場景中的標簽或擺放位置發(fā)生變化時，之前的測試數(shù)據(jù)就沒有參考價值了，必須重新開始測試。因此提出兩種測試方法，第一種是利用標簽板的測試環(huán)境，測試環(huán)境單一，對于實際場景的重現(xiàn)性較弱；第二種PCB板測試環(huán)境，可以做多種設置，對不同應用場景的重現(xiàn)性較好。

針對第一種測試環(huán)境，只需要一個天線對著數(shù)量已知且全部可以激活的標簽即可。具體實現(xiàn)方式為做幾個標簽粘貼數(shù)量不同的泡沫白板（50個，100個，200個），固定白板與天線的距離。閱讀器連接天線后，分別對每個白板進行識別，記錄每次盤點完所有標簽需要的時間，多次記錄后取平均值。為了模擬實際場景中的弱標簽，可以通過在標簽天線上貼鋁箔的方式。針對標簽板的測試環(huán)境存在的問題是，隨時間的變化，標簽板由于老化或粘貼的問題其性能會發(fā)生改變，多標簽測試時測試結(jié)果也會隨之改變。而且天線與標簽板的擺放誤差也會引起測試結(jié)果的變化，重復性差的問題很嚴重。該測試方法制作簡單，操作方便，是廣大閱讀器廠商常用的測試方法。

針對標簽板測試方法中的測試場景單一、重復性差的問題，筆者提出一種PCB的測試環(huán)境解決方案，在一個PCB板上通過微帶線的方式連接幾百個SOT或QFN封裝的標簽芯片，微帶線上通過射頻開關連接多種不同的衰減網(wǎng)絡及選擇不同數(shù)量的標簽。最終可以通過射頻開關選擇不同標簽的衰減參數(shù)，從而可以模仿真實場景，同時由于系統(tǒng)是由PCB焊接的，重復性好，同時還節(jié)省空間、測試誤差小。該方案的缺點是制作較為復雜，沒有市場銷售價值，只能作為內(nèi)部測試使用。

多標簽性能測試存在一定的偶然性，因此需要對同一個場景做多次測試取平均值。尤其是閱讀器存在跳頻機制，有的標簽所在的位置有可能在某個頻點存在盲點，只有在跳頻后才有機會讀取到該標簽。

對于閱讀器的多天線測試，在標簽板測試方法中，需要多架設幾個閱讀器天線，在PCB測試方法中，需要在PCB板上預留多個射頻輸入接口。