RFID干货专栏|37 标签性能测试

RFID干货专栏|37 标签性能测试


来源:欧宝注册登录  作者:欧宝app官方  2022-07-18 06:14:15

  甘泉老师花费数年之功,撰写的新书《物联网UHF RFID技术、产品及应用》正式出版发布,本书对UHF RFID最新的技术、产品与市场应用进行了系统性的阐述,干货满满!RFID世界网得到了甘泉老师独家授权,在RFID世界网公众号特设专栏,陆续发布本书内容。

  经过20多年的努力发展,超高频RFID技术已经成为物联网的核心技术之一,每年的出货量达到了200亿的级别。在这个过程中,中国逐步成为超高频RFID标签产品的主要生产国,在国家对物联网发展的大力支持下,行业应用和整个生态的发展十分迅猛。然而,至今国内还没有一本全面介绍超高频RFID技术的书籍。

  为了填补这方面的空缺,甘泉老师花费数年之功,撰写的新书《物联网UHF RFID技术、产品及应用》正式出版发布,本书对UHF RFID最新的技术、产品与市场应用进行了系统性的阐述,干货满满!RFID世界网得到了甘泉老师独家授权,在RFID世界网公众号特设专栏,陆续发布本书内容。

  超高频RFID测试的主要目的是选择合适的标签和阅读器,并在实际应用中更好的应用。因此测试技术就需要从业人员熟练掌握标签的性能评测方法和阅读器的性能评测方法,以及如何在应用现场中测试并找出问题的能力。

  在超高频RFID领域,标签的测试内容非常多,包括Inlay芯片的推力测试,标签的防水防潮测试,高低温冲击测试等,其中最受关注的是标签的性能测试。标签的性能最简单的体现是标签能读多远,深层次的理解是这个标签使用在不同物体上时,其灵敏度的频率曲线是怎么样的(灵敏度可以换算读取距离)。为了能够更准确的测试标签的性能,需要在特定的环境中使用专用设备对标签进行测试,同时还需要具备对批量的标签进行性能筛选的功能,因此出现了微波暗室和标签性能测试仪。

  测试标签性能时,阅读器发出的电磁波会在地板、墙壁和天花板等发生反射,从而影响标签处的电磁场分布,导致对标签灵敏度测试产生误差。这种电磁场的变化,有时候表现为增强,有时候表现为减弱。如图6-1所示,为一个反射的案例,阅读器(T)发出的电磁波通过路径c倒带标签(R)处,与此同时,由于地面对电磁波存在反射效果,还可以通过路径a、b到达标签处。

  此时标签处收到两个信号,如果两个信号相位相等,则信号会增强,若两个信号相位相差180°则会相互抵消,信号减弱(若两个信号功率相同、相位相反,则合成后信号完全抵消),如图6-2所示。

  在对标签进行测试时还经常遇到未知的外界电磁波干扰,这些干扰的来源有可能是通过手机或基站,也有可能是另外一台阅读器产生的。这些干扰也许会对标签的性能或阅读器的性能产生影响。

  为了消除上述的反射影响和外界干扰,需要一个没有反射或反射很小的环境进行测试,针对该问题,科学家发明了微波暗室。

  微波暗室又叫吸波室、电波暗室。当电磁波入射到微波暗室的墙面、天棚、地面时,绝大部分电磁波被吸收,而透射、反射极少。微波也有光的某些特性,借助光学暗室的含义,故命名为微波暗室。微波暗室是吸波材料和金属屏蔽体组建的特殊房间,它提供人为空旷的“自由空间”条件。在暗室内做天线、雷达等无线通讯产品和电子产品测试可以免受杂波干扰,提高被测设备的测试精度和效率。随着电子技术的日益发展,微波暗室被更多的人了解和应用。微波暗室就是用吸波材料来制造一个封闭空间,这样就可在暗室内制造出一个纯净的电磁环境,如图6-3所示。

  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绵。另外,测试电子产品电磁兼容性时,由于频率过低也会采用铁氧体吸波材料。

  微波暗室的主要工作原理是根据电磁波在介质中从低磁导向高磁导方向传播的规律,利用高磁导率吸波材料引导电磁波,通过共振,大量吸收电磁波的辐射能量,再通过耦合把电磁波的能量转变成热能,从而减小反射。

  屏蔽室:由屏蔽壳体、屏蔽门、通风波导窗及各类电源滤波器等组成。屏蔽壳体通常采用焊接式,如图6-4所示。其目的是保证外界的电磁波无法进入屏蔽室内。屏蔽室也可以单独使用,对于只关注外界干扰问题的测试,可以在屏蔽室内完成,一般是一些传导类测试。由于反射问题,屏蔽室内无法测试天线和标签的性能。屏蔽室的好坏用隔离度表示,好的屏蔽室可以实现100dB的隔离。简单测试屏蔽室隔离度的方法是把一部手机放进去,看是否还能被拨通。

  吸波材料:共有两种,分别是单层铁氧体片(工作频率范围30MHz到1000MHz)和锥形含碳海绵吸波材料。锥形含碳海绵吸波材料是由聚氨脂泡沫塑料在碳胶溶液中渗透而成,具有较好的吸波特性和阻燃特性。如图6-5所示为一种带有铁氧体瓦块匹配的角锥吸波材料,集成了铁氧体片和海绵吸波材料。其在不同频率的反射特性如表6-1所示。厚度越大的材料,吸收能力越强,反射越小。

  其它配件:主要有信号传输板、转台、天线、监控系统等;微波暗室内转台如图6-6(a)所示;微波暗室内天线(b)所示。。这些内部设备都通过屏蔽室中的连接器用射频线缆与外界仪器、设备连接在一起,保证外部干扰信号不会通过这些连接线或接头传到微波暗室内。

  标签的性能测试是为了了解标签能工作多远,凭直觉这个参数应该与标签芯片选型、标签天线设计、阅读器天线增益、工作频率等有关系。标签的性能一般指标签的灵敏度和反向散射的调制深度,其中最重要的是灵敏度。标签性能的参数都无法通过设备直接获取,需要配合阅读器设备通过间接计算获得。

  其中Pr为标签天线处收到的能量,标签接收到得能量由阅读器的输出功率Pt、阅读器的天线增益Gt、阅读器距离标签的距离R以及工作频率f决定。

  当标签获得的能量大于等于其自身灵敏度时,阅读器可以获得标签的应答,当标签获得的能量小于自身灵敏度时,则标签无法获得标签的应答。因此可以通过调节标签获得的能量大小寻找到刚刚可以激活标签的临界点,这个临界点就是标签的灵敏度Ptag_sens。调节标签获得的能量可以通过多种方式,包括调节标签与阅读器的距离、更换阅读器天线或改变阅读器的输出功率。很显然,通过更改阅读器的输出功率调节标签处的能量强度的方式最方便。因此在标签性能测试系统中阅读器天线的增益及位置、标签摆放的位置、测试环境等都是固定的,选择一个固定频率后,调节阅读器输出功率可以寻找激活标签的临界点对应的功率Pt即可。然后可以更改下一个频率点,继续寻找标签在该频点对应临界点的功率Pt,当所有要测的频点都测试之后,可以绘制一张关于标签启动功率(临界值是阅读器的输出功率)与频率的曲线标签启动功率曲线计算出不同频点Pr的值,再绘制成一个标签灵敏度与频率的曲线。可以看到两个图中只是标尺单位不同,其曲线是完全一样的。这条曲线在图中的位置越靠下越好,说明灵敏度越高。标签工作在不同的频点时,灵敏度不同,可以简单的认为大于最高灵敏度3dB之间的频率宽带为该标签的带宽。该图中标签的带宽为从840MHz到970MHz。

  其中,标签反向散射的能量为Ptag,Preader为阅读器收到的RSSI值,Greader为阅读器的天线增益。在固定阅读器天线增益及位置、标签摆放位置和测试环境后,选择一个固定频率,调节阅读器输出功率可以寻找激活标签的临界点对应的RSSI,然后更改下一个频率点,继续寻找标签在该频点对应临界点的RSSI,当所有要测的频点都测试之后,经过公式计算获得标签反向散射的信号强度与频率的曲线所示。反向散射的信号强度特点与灵敏度相反,信号越大越好,阅读器越容易解调。

  图6-9标签反向散射的信号强度与频率的曲线通过上述方法可以计算出标签的灵敏度和反向散射强度。通过式6-2变形为:

  可以计算出标签的工作距离R,其中Pt是阅读器的最大输出功率,。通过该原理读者可以使用阅读器开发对应的标签性能测试软件,是一个不错的粗略标签性能测试仪。其优点是简单容易实现,其缺点是精度较差。

  普通阅读器的工作频率受限,一般不支持800MHz到1000MHz的全频带工作。

  普通阅读器并非宽带匹配,其灵敏度在全频带不均匀。普通阅读器的输出功率一般步进为1dB,且误差1dB,无法作为测试设备的级别。

  阅读器天线在全频段的增益并不固定,且不具有每个频点的天线增益参数(灵敏度计算需要)。

  由于上述问题,Voyantic公司开发了一款专用标签性能测试设备,名为Tagformance。Tagformance是全球超高频RFID生态链公认的标签性能测试设备,所有的认证机构和主要的标签设计厂商都具有该设备。如图6-10为Voyantic的标签灵敏度测试系统,其硬件包括一台Tagformance主机,一台阅读器天线、塑料泡沫支架和其他配件,使用时需要配合电脑上的应用软件。

  如图6-11为Tagformance设备的软件操作图,这套测试系统的特点是为:

  工作频率宽泛:支持标准扫描模式,频段为800MHz—1000MHz;支持超宽带扫描模式,频带为700MHz~1100MHz(图6-10中的天线只支持标准扫描模式,如使用超宽带扫描需要更换超宽带天线)。

  输出功率范围宽泛:-5dBm~27dBm(标准扫描模式);-5dBm~24dBm(超宽带扫描模式)。

  接收灵敏度:-75dBm,这个参数并不重要,因为测试环境中标签与阅读器天线距离不是很远,一般不会出现反向受限的情况。

  扫描频率起始值和步进均可选:扫描频率步进从0.1MHz到100MHz可选。

  塑料泡沫支架:为固定高度30cm,携带安装简单,对电磁波几乎没有影响。当没有暗室等较好的测试环境时,可以直接按照图6-10所示的方式进行测试。

  天线:为宽带平稳增益的线极化天线。不选择圆极化天线是由于轴比的问题,会引起1到3dB的测试误差。测试时应注意标签的极化方向与天线相同。

  虽然这套设备的硬件设备具有较高的精度,但仍然难免存在系统误差,如馈线接头的松紧,天线的摆放角度影响,或者由于环境温度引起的射频发射功率误差。因此需要一套校准体系。Vojantic公司提供了一套校准系统,如图6-12所示为Tagformance校准系统说明图。图中有个校准标签,系统预先知道该标签的灵敏度和反向散射功率的频率曲线。当系统扫描该校准标签的时候,将得到的曲线与系统中存在的校准标签参数进行比对,当发现两条曲线有一定差异时,测试人员可以做相应调整直至两条曲线近乎重合,从而减小系统误差。

  校准对于系统精度非常重要,每次测试前都应先校准。当更换测试环境时还需要重新丈量标签与天线之间的距离,重新填入图6-12的表格中。若更换天线和馈线,也要重新输入参数(一般不建议更换)。

  具体的测试过程为:先将被测试标签放置在指定位置,再在软件界面输入起始频率、频率步进、功率步进,点击开始扫描,如图6-11所示,会出现一条曲线。若需要测试下一个标签,需要将上一个标签拿走,并放置新的标签,再次点击开始扫描。图中会出现两条曲线,每条曲线对应一个EPC号码以及扫描时间,可以测试多个标签并进行性能对比。

  Tagformance还可以配合转台实现标签的全向灵敏度测试,如图6-13(a)所示,为在暗室中与Tagformance联动的转台,软件可以操作转台按照不同的步进转动,每次转动后进行扫描,最终可以绘制出一张标签的全向图,如图6-13(b)所示,表现为标签在各个方向的辐射特性。

  Tagformance作为一个超高频RFID标签性能测试的高精度设备,建议配合暗室使用,标签距离天线的距离也尽量远一些(原装的塑料泡沫支架距离30cm有些近,误差会比较大)。由于现在TIPP认证需要全向测试,因此需要采购配套转台;如没有TIPP认证需求一般不需要购买转台,如需了解标签不同角度的辐射特性可以手动旋转再测试。

  Tagformance设备是应用于实验室测试的,主要用于开发和验证标签的性能。当大批量标签需要出货时,就需要标签一致性测试设备和方法。标签的一致性其实说的是标签的性能一致性,需要筛选符合要求的标签,滤除掉不符合要求的标签。一致性测试与标签性能研发测试的要求不同,它不需要获得标签具体的灵敏度数值,只关心标签的是否符合要求;一致性测试要求快速的测试,一般测试时间小于1s,而性能研发测试对于测试时间不关心,一般为几十秒或几分钟。

  标签一致性测试的实现方式:只测试关注的几个频点和几个功率点。如图6-14所示为针对三个频点,每个频点测试16个功率点(共需要测试48次)的一致性测试设置,图6-14中会出现两种不同颜色的点:绿色点表示标签可以在该频率和功率下被盘点到,红色则表示无法盘点该标签。用户可以设置一个阈值,从而判断这个标签是否达标。

  在实际应用中一般最多测试三个频点,每个频点最多测试三个功率点。测试的点越多测试时间越长,尤其是高速的卷对卷测试机的应用中,要求一小时实现1-2万张标签的测试。如图6-45所示为一台卷对卷标签测试机,对于高速测试需求,卷对卷标签测试机一般只做单频点的单次功率测试,如果可以识别到标签,则通过,如果识别失败则认为标签是不合格的。

  对于特种标签的测试,一般采用手工测试,可以搭建简易的测试环境,与图6-10 Tagformance所示的小平台类似,一般测试3个频点,每个频点测试一个功率点,都通过则记为合格。还可以自制校准标签提高系统的精度,并自制屏蔽环境和应用软件。如图6-16所示,为笔者开发的特种标签测试系统,包括硬件、屏蔽环境和测试软件。屏蔽箱的制作:将一个天线固定在一个亚克力箱体的顶部,并用屏蔽网屏蔽粘贴在亚克力表面,亚克力箱体只留一面作为操作位。在使用校准标签软件校准并设置测试参数后,系统进入自动状态。当标签放入指定位置后,软件会自动显示通过还是失败,操作员就将该标签放入指定的收纳箱中。

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