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(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級別。在這個(gè)過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)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(yīng)用和整個(gè)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(shù)的書籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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6.1 超高頻RFID測試技術(shù)

超高頻RFID測試的主要目的是選擇合適的標(biāo)簽和閱讀器，并在實(shí)際應(yīng)用中更好的應(yīng)用。因此測試技術(shù)就需要從業(yè)人員熟練掌握標(biāo)簽的性能評測方法和閱讀器的性能評測方法，以及如何在應(yīng)用現(xiàn)場中測試并找出問題的能力。

6.1.1 標(biāo)簽性能測試

在超高頻RFID領(lǐng)域，標(biāo)簽的測試內(nèi)容非常多，包括Inlay芯片的推力測試，標(biāo)簽的防水防潮測試，高低溫沖擊測試等，其中最受關(guān)注的是標(biāo)簽的性能測試。標(biāo)簽的性能最簡單的體現(xiàn)是標(biāo)簽?zāi)茏x多遠(yuǎn)，深層次的理解是這個(gè)標(biāo)簽使用在不同物體上時(shí)，其靈敏度的頻率曲線是怎么樣的（靈敏度可以換算讀取距離）。為了能夠更準(zhǔn)確的測試標(biāo)簽的性能，需要在特定的環(huán)境中使用專用設(shè)備對標(biāo)簽進(jìn)行測試，同時(shí)還需要具備對批量的標(biāo)簽進(jìn)行性能篩選的功能，因此出現(xiàn)了微波暗室和標(biāo)簽性能測試儀。

01

測試環(huán)境介紹——微波暗室

測試標(biāo)簽性能時(shí)，閱讀器發(fā)出的電磁波會(huì)在地板、墻壁和天花板等發(fā)生反射，從而影響標(biāo)簽處的電磁場分布，導(dǎo)致對標(biāo)簽靈敏度測試產(chǎn)生誤差。這種電磁場的變化，有時(shí)候表現(xiàn)為增強(qiáng)，有時(shí)候表現(xiàn)為減弱。如圖6-1所示，為一個(gè)反射的案例，閱讀器（T）發(fā)出的電磁波通過路徑c倒帶標(biāo)簽（R）處，與此同時(shí)，由于地面對電磁波存在反射效果，還可以通過路徑a、b到達(dá)標(biāo)簽處。

圖6-1電磁波的反射

此時(shí)標(biāo)簽處收到兩個(gè)信號，如果兩個(gè)信號相位相等，則信號會(huì)增強(qiáng)，若兩個(gè)信號相位相差180°則會(huì)相互抵消，信號減弱（若兩個(gè)信號功率相同、相位相反，則合成后信號完全抵消），如圖6-2所示。

（a）反射增強(qiáng)（b）反射減弱（抵消）

圖6-2電磁波反射增強(qiáng)或減弱

在對標(biāo)簽進(jìn)行測試時(shí)還經(jīng)常遇到未知的外界電磁波干擾，這些干擾的來源有可能是通過手機(jī)或基站，也有可能是另外一臺閱讀器產(chǎn)生的。這些干擾也許會(huì)對標(biāo)簽的性能或閱讀器的性能產(chǎn)生影響。

為了消除上述的反射影響和外界干擾，需要一個(gè)沒有反射或反射很小的環(huán)境進(jìn)行測試，針對該問題，科學(xué)家發(fā)明了微波暗室。

微波暗室又叫吸波室、電波暗室。當(dāng)電磁波入射到微波暗室的墻面、天棚、地面時(shí)，絕大部分電磁波被吸收，而透射、反射極少。微波也有光的某些特性，借助光學(xué)暗室的含義，故命名為微波暗室。微波暗室是吸波材料和金屬屏蔽體組建的特殊房間，它提供人為空曠的“自由空間”條件。在暗室內(nèi)做天線、雷達(dá)等無線通訊產(chǎn)品和電子產(chǎn)品測試可以免受雜波干擾，提高被測設(shè)備的測試精度和效率。隨著電子技術(shù)的日益發(fā)展，微波暗室被更多的人了解和應(yīng)用。微波暗室就是用吸波材料來制造一個(gè)封閉空間，這樣就可在暗室內(nèi)制造出一個(gè)純凈的電磁環(huán)境，如圖6-3所示。

圖6-3微波暗室照片

微波暗室材料可以是一切吸波材料，主要材料是聚氨酯吸波海綿。另外，測試電子產(chǎn)品電磁兼容性時(shí)，由于頻率過低也會(huì)采用鐵氧體吸波材料。

微波暗室的主要工作原理是根據(jù)電磁波在介質(zhì)中從低磁導(dǎo)向高磁導(dǎo)方向傳播的規(guī)律，利用高磁導(dǎo)率吸波材料引導(dǎo)電磁波，通過共振，大量吸收電磁波的輻射能量，再通過耦合把電磁波的能量轉(zhuǎn)變成熱能，從而減小反射。

微波暗室由三部分組成，分別是屏蔽室、吸波材料和其它配件：

屏蔽室：由屏蔽殼體、屏蔽門、通風(fēng)波導(dǎo)窗及各類電源濾波器等組成。屏蔽殼體通常采用焊接式，如圖6-4所示。其目的是保證外界的電磁波無法進(jìn)入屏蔽室內(nèi)。屏蔽室也可以單獨(dú)使用，對于只關(guān)注外界干擾問題的測試，可以在屏蔽室內(nèi)完成，一般是一些傳導(dǎo)類測試。由于反射問題，屏蔽室內(nèi)無法測試天線和標(biāo)簽的性能。屏蔽室的好壞用隔離度表示，好的屏蔽室可以實(shí)現(xiàn)100dB的隔離。簡單測試屏蔽室隔離度的方法是把一部手機(jī)放進(jìn)去，看是否還能被撥通。

圖6-4屏蔽殼體

吸波材料：共有兩種，分別是單層鐵氧體片（工作頻率范圍30MHz到1000MHz）和錐形含碳海綿吸波材料。錐形含碳海綿吸波材料是由聚氨脂泡沫塑料在碳膠溶液中滲透而成，具有較好的吸波特性和阻燃特性。如圖6-5所示為一種帶有鐵氧體瓦塊匹配的角錐吸波材料，集成了鐵氧體片和海綿吸波材料。其在不同頻率的反射特性如表6-1所示。厚度越大的材料，吸收能力越強(qiáng)，反射越小。

圖6-5錐形含碳海綿吸波材料

表6-1吸波材料的反射特性

其它配件：主要有信號傳輸板、轉(zhuǎn)臺、天線、監(jiān)控系統(tǒng)等；微波暗室內(nèi)轉(zhuǎn)臺如圖6-6（a）所示；微波暗室內(nèi)天線如6-6（b）所示。。這些內(nèi)部設(shè)備都通過屏蔽室中的連接器用射頻線纜與外界儀器、設(shè)備連接在一起，保證外部干擾信號不會(huì)通過這些連接線或接頭傳到微波暗室內(nèi)。

（a）轉(zhuǎn)臺（b）天線

圖6-6微波暗室內(nèi)的其它配件

02

標(biāo)簽性能測試原理

標(biāo)簽的性能測試是為了了解標(biāo)簽?zāi)芄ぷ鞫噙h(yuǎn)，憑直覺這個(gè)參數(shù)應(yīng)該與標(biāo)簽芯片選型、標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)、閱讀器天線增益、工作頻率等有關(guān)系。標(biāo)簽的性能一般指標(biāo)簽的靈敏度和反向散射的調(diào)制深度，其中最重要的是靈敏度。標(biāo)簽性能的參數(shù)都無法通過設(shè)備直接獲取，需要配合閱讀器設(shè)備通過間接計(jì)算獲得。

根據(jù)弗林斯傳輸方程，式2-11：，將標(biāo)簽看作一個(gè)整體，可以變形為：

（6-1）

其中Pr為標(biāo)簽天線處收到的能量，標(biāo)簽接收到得能量由閱讀器的輸出功率Pt、閱讀器的天線增益Gt、閱讀器距離標(biāo)簽的距離R以及工作頻率f決定。

當(dāng)標(biāo)簽獲得的能量大于等于其自身靈敏度時(shí)，閱讀器可以獲得標(biāo)簽的應(yīng)答，當(dāng)標(biāo)簽獲得的能量小于自身靈敏度時(shí)，則標(biāo)簽無法獲得標(biāo)簽的應(yīng)答。因此可以通過調(diào)節(jié)標(biāo)簽獲得的能量大小尋找到剛剛可以激活標(biāo)簽的臨界點(diǎn)，這個(gè)臨界點(diǎn)就是標(biāo)簽的靈敏度Ptag_sens。調(diào)節(jié)標(biāo)簽獲得的能量可以通過多種方式，包括調(diào)節(jié)標(biāo)簽與閱讀器的距離、更換閱讀器天線或改變閱讀器的輸出功率。很顯然，通過更改閱讀器的輸出功率調(diào)節(jié)標(biāo)簽處的能量強(qiáng)度的方式最方便。因此在標(biāo)簽性能測試系統(tǒng)中閱讀器天線的增益及位置、標(biāo)簽擺放的位置、測試環(huán)境等都是固定的，選擇一個(gè)固定頻率后，調(diào)節(jié)閱讀器輸出功率可以尋找激活標(biāo)簽的臨界點(diǎn)對應(yīng)的功率Pt即可。然后可以更改下一個(gè)頻率點(diǎn)，繼續(xù)尋找標(biāo)簽在該頻點(diǎn)對應(yīng)臨界點(diǎn)的功率Pt，當(dāng)所有要測的頻點(diǎn)都測試之后，可以繪制一張關(guān)于標(biāo)簽啟動(dòng)功率（臨界值是閱讀器的輸出功率）與頻率的曲線，如圖6-7所示.

圖6-7標(biāo)簽啟動(dòng)功率曲線

將上述參數(shù)通過式6-1計(jì)算出不同頻點(diǎn)Pr的值，再繪制成一個(gè)標(biāo)簽靈敏度與頻率的曲線圖6-8?？梢钥吹絻蓚€(gè)圖中只是標(biāo)尺單位不同，其曲線是完全一樣的。這條曲線在圖中的位置越靠下越好，說明靈敏度越高。標(biāo)簽工作在不同的頻點(diǎn)時(shí)，靈敏度不同，可以簡單的認(rèn)為大于最高靈敏度3dB之間的頻率寬帶為該標(biāo)簽的帶寬。該圖中標(biāo)簽的帶寬為從840MHz到970MHz。

圖6-8標(biāo)簽靈敏度曲線

同理標(biāo)簽反向散射的能量強(qiáng)度也通過式2-11：，變形為：

（6-2）

其中，標(biāo)簽反向散射的能量為Ptag，Preader為閱讀器收到的RSSI值，Greader為閱讀器的天線增益。在固定閱讀器天線增益及位置、標(biāo)簽擺放位置和測試環(huán)境后，選擇一個(gè)固定頻率，調(diào)節(jié)閱讀器輸出功率可以尋找激活標(biāo)簽的臨界點(diǎn)對應(yīng)的RSSI，然后更改下一個(gè)頻率點(diǎn)，繼續(xù)尋找標(biāo)簽在該頻點(diǎn)對應(yīng)臨界點(diǎn)的RSSI，當(dāng)所有要測的頻點(diǎn)都測試之后，經(jīng)過公式計(jì)算獲得標(biāo)簽反向散射的信號強(qiáng)度與頻率的曲線如圖6-9所示。反向散射的信號強(qiáng)度特點(diǎn)與靈敏度相反，信號越大越好，閱讀器越容易解調(diào)。

圖6-9標(biāo)簽反向散射的信號強(qiáng)度與頻率的曲線

通過上述方法可以計(jì)算出標(biāo)簽的靈敏度和反向散射強(qiáng)度。通過式6-2變形為：

（6-3）

可以計(jì)算出標(biāo)簽的工作距離R，其中Pt是閱讀器的最大輸出功率，。通過該原理讀者可以使用閱讀器開發(fā)對應(yīng)的標(biāo)簽性能測試軟件，是一個(gè)不錯(cuò)的粗略標(biāo)簽性能測試儀。其優(yōu)點(diǎn)是簡單容易實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是精度較差。

03、標(biāo)簽性能測試設(shè)備Voyantic

基于普通閱讀器開發(fā)的標(biāo)簽性能測試設(shè)備具有幾個(gè)嚴(yán)重問題：

普通閱讀器的工作頻率受限，一般不支持800MHz到1000MHz的全頻帶工作。

普通閱讀器并非寬帶匹配，其靈敏度在全頻帶不均勻。

普通閱讀器的輸出功率一般步進(jìn)為1dB，且誤差1dB，無法作為測試設(shè)備的級別。

閱讀器天線在全頻段的增益并不固定，且不具有每個(gè)頻點(diǎn)的天線增益參數(shù)（靈敏度計(jì)算需要）。

由于上述問題，Voyantic公司開發(fā)了一款專用標(biāo)簽性能測試設(shè)備，名為Tagformance。Tagformance是全球超高頻RFID生態(tài)鏈公認(rèn)的標(biāo)簽性能測試設(shè)備，所有的認(rèn)證機(jī)構(gòu)和主要的標(biāo)簽設(shè)計(jì)廠商都具有該設(shè)備。如圖6-10為Voyantic的標(biāo)簽靈敏度測試系統(tǒng)，其硬件包括一臺Tagformance主機(jī)，一臺閱讀器天線、塑料泡沫支架和其他配件，使用時(shí)需要配合電腦上的應(yīng)用軟件。

圖6-10Voyantic標(biāo)簽靈敏度測試系統(tǒng)

如圖6-11為Tagformance設(shè)備的軟件操作圖，這套測試系統(tǒng)的特點(diǎn)是為：

工作頻率寬泛：支持標(biāo)準(zhǔn)掃描模式，頻段為800MHz—1000MHz；支持超寬帶掃描模式，頻帶為700MHz~1100MHz（圖6-10中的天線只支持標(biāo)準(zhǔn)掃描模式，如使用超寬帶掃描需要更換超寬帶天線）。

輸出功率范圍寬泛：-5dBm~27dBm（標(biāo)準(zhǔn)掃描模式）；-5dBm~24dBm（超寬帶掃描模式）。

接收靈敏度：-75dBm，這個(gè)參數(shù)并不重要，因?yàn)闇y試環(huán)境中標(biāo)簽與閱讀器天線距離不是很遠(yuǎn)，一般不會(huì)出現(xiàn)反向受限的情況。

輸出功率步進(jìn)可選：可以選擇0.1dB、0.5dB和1.0dB。

掃描頻率起始值和步進(jìn)均可選：掃描頻率步進(jìn)從0.1MHz到100MHz可選。

塑料泡沫支架：為固定高度30cm，攜帶安裝簡單，對電磁波幾乎沒有影響。當(dāng)沒有暗室等較好的測試環(huán)境時(shí)，可以直接按照圖6-10所示的方式進(jìn)行測試。

天線：為寬帶平穩(wěn)增益的線極化天線。不選擇圓極化天線是由于軸比的問題，會(huì)引起1到3dB的測試誤差。測試時(shí)應(yīng)注意標(biāo)簽的極化方向與天線相同。

軟件：軟件內(nèi)部具有多種功能，具有自動(dòng)的公式轉(zhuǎn)換等功能，可以測量閱讀器開啟功率（Transmitted power），反向散射能量（Backscatteredpower），反向散射信號相位（Backscatteredsignal phase），通過這幾個(gè)參數(shù)可以計(jì)算出更多參數(shù)：電場強(qiáng)度（Electricfield strength），反向散射雷達(dá)截面差值（DeltaRCS），標(biāo)簽正向啟動(dòng)功率（Power on tag forward），標(biāo)簽反向散射功率（Power on tag reverse），理論正向讀取距離（Theoretical read range forward），理論反向工作距離（Theoretical read range forward）。

圖6-11Tagformance操作軟件圖

雖然這套設(shè)備的硬件設(shè)備具有較高的精度，但仍然難免存在系統(tǒng)誤差，如饋線接頭的松緊，天線的擺放角度影響，或者由于環(huán)境溫度引起的射頻發(fā)射功率誤差。因此需要一套校準(zhǔn)體系。Vojantic公司提供了一套校準(zhǔn)系統(tǒng)，如圖6-12所示為Tagformance校準(zhǔn)系統(tǒng)說明圖。圖中有個(gè)校準(zhǔn)標(biāo)簽，系統(tǒng)預(yù)先知道該標(biāo)簽的靈敏度和反向散射功率的頻率曲線。當(dāng)系統(tǒng)掃描該校準(zhǔn)標(biāo)簽的時(shí)候，將得到的曲線與系統(tǒng)中存在的校準(zhǔn)標(biāo)簽參數(shù)進(jìn)行比對，當(dāng)發(fā)現(xiàn)兩條曲線有一定差異時(shí)，測試人員可以做相應(yīng)調(diào)整直至兩條曲線近乎重合，從而減小系統(tǒng)誤差。

圖6-12Tagformance校準(zhǔn)系統(tǒng)說明圖

校準(zhǔn)對于系統(tǒng)精度非常重要，每次測試前都應(yīng)先校準(zhǔn)。當(dāng)更換測試環(huán)境時(shí)還需要重新丈量標(biāo)簽與天線之間的距離，重新填入圖6-12的表格中。若更換天線和饋線，也要重新輸入?yún)?shù)（一般不建議更換）。

具體的測試過程為：先將被測試標(biāo)簽放置在指定位置，再在軟件界面輸入起始頻率、頻率步進(jìn)、功率步進(jìn)，點(diǎn)擊開始掃描，如圖6-11所示，會(huì)出現(xiàn)一條曲線。若需要測試下一個(gè)標(biāo)簽，需要將上一個(gè)標(biāo)簽?zāi)米撸⒎胖眯碌臉?biāo)簽，再次點(diǎn)擊開始掃描。圖中會(huì)出現(xiàn)兩條曲線，每條曲線對應(yīng)一個(gè)EPC號碼以及掃描時(shí)間，可以測試多個(gè)標(biāo)簽并進(jìn)行性能對比。

Tagformance還可以配合轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的全向靈敏度測試，如圖6-13（a）所示，為在暗室中與Tagformance聯(lián)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺，軟件可以操作轉(zhuǎn)臺按照不同的步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)后進(jìn)行掃描，最終可以繪制出一張標(biāo)簽的全向圖，如圖6-13（b）所示，表現(xiàn)為標(biāo)簽在各個(gè)方向的輻射特性。

（a）聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)臺（b）輻射特性圖

圖6-13Tagformance全向靈敏度測試

Tagformance作為一個(gè)超高頻RFID標(biāo)簽性能測試的高精度設(shè)備，建議配合暗室使用，標(biāo)簽距離天線的距離也盡量遠(yuǎn)一些（原裝的塑料泡沫支架距離30cm有些近，誤差會(huì)比較大）。由于現(xiàn)在TIPP認(rèn)證需要全向測試，因此需要采購配套轉(zhuǎn)臺；如沒有TIPP認(rèn)證需求一般不需要購買轉(zhuǎn)臺，如需了解標(biāo)簽不同角度的輻射特性可以手動(dòng)旋轉(zhuǎn)再測試。

04

標(biāo)簽一致性測試

Tagformance設(shè)備是應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室測試的，主要用于開發(fā)和驗(yàn)證標(biāo)簽的性能。當(dāng)大批量標(biāo)簽需要出貨時(shí)，就需要標(biāo)簽一致性測試設(shè)備和方法。標(biāo)簽的一致性其實(shí)說的是標(biāo)簽的性能一致性，需要篩選符合要求的標(biāo)簽，濾除掉不符合要求的標(biāo)簽。一致性測試與標(biāo)簽性能研發(fā)測試的要求不同，它不需要獲得標(biāo)簽具體的靈敏度數(shù)值，只關(guān)心標(biāo)簽的是否符合要求；一致性測試要求快速的測試，一般測試時(shí)間小于1s，而性能研發(fā)測試對于測試時(shí)間不關(guān)心，一般為幾十秒或幾分鐘。

標(biāo)簽一致性測試的實(shí)現(xiàn)方式：只測試關(guān)注的幾個(gè)頻點(diǎn)和幾個(gè)功率點(diǎn)。如圖6-14所示為針對三個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)測試16個(gè)功率點(diǎn)（共需要測試48次）的一致性測試設(shè)置，圖6-14中會(huì)出現(xiàn)兩種不同顏色的點(diǎn)：綠色點(diǎn)表示標(biāo)簽可以在該頻率和功率下被盤點(diǎn)到，紅色則表示無法盤點(diǎn)該標(biāo)簽。用戶可以設(shè)置一個(gè)閾值，從而判斷這個(gè)標(biāo)簽是否達(dá)標(biāo)。

圖6-14標(biāo)簽一致性測試軟件圖

在實(shí)際應(yīng)用中一般最多測試三個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)最多測試三個(gè)功率點(diǎn)。測試的點(diǎn)越多測試時(shí)間越長，尤其是高速的卷對卷測試機(jī)的應(yīng)用中，要求一小時(shí)實(shí)現(xiàn)1-2萬張標(biāo)簽的測試。如圖6-45所示為一臺卷對卷標(biāo)簽測試機(jī)，對于高速測試需求，卷對卷標(biāo)簽測試機(jī)一般只做單頻點(diǎn)的單次功率測試，如果可以識別到標(biāo)簽，則通過，如果識別失敗則認(rèn)為標(biāo)簽是不合格的。

圖6-15卷對卷標(biāo)簽測試機(jī)

對于特種標(biāo)簽的測試，一般采用手工測試，可以搭建簡易的測試環(huán)境，與圖6-10 Tagformance所示的小平臺類似，一般測試3個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)測試一個(gè)功率點(diǎn)，都通過則記為合格。還可以自制校準(zhǔn)標(biāo)簽提高系統(tǒng)的精度，并自制屏蔽環(huán)境和應(yīng)用軟件。如圖6-16所示，為筆者開發(fā)的特種標(biāo)簽測試系統(tǒng)，包括硬件、屏蔽環(huán)境和測試軟件。屏蔽箱的制作：將一個(gè)天線固定在一個(gè)亞克力箱體的頂部，并用屏蔽網(wǎng)屏蔽粘貼在亞克力表面，亞克力箱體只留一面作為操作位。在使用校準(zhǔn)標(biāo)簽軟件校準(zhǔn)并設(shè)置測試參數(shù)后，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)標(biāo)簽放入指定位置后，軟件會(huì)自動(dòng)顯示通過還是失敗，操作員就將該標(biāo)簽放入指定的收納箱中。

（a）屏蔽箱及閱讀器天線（b）測試軟件

圖6-16特種標(biāo)簽測試系統(tǒng)