RFID干貨專欄概述

經過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術已經成為物聯(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標簽產品的主要生產國，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，至今國內還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術的書籍。

為了填補這方面的空缺，甘泉老師花費數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術、產品及應用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術、產品與市場應用進行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨家授權，在RFID世界網(wǎng)公眾號特設專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內容。

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6.1 超高頻RFID測試技術

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

6.1.1 標簽性能測試

在超高頻RFID領域，標簽的測試內容非常多，包括Inlay芯片的推力測試，標簽的防水防潮測試，高低溫沖擊測試等，其中最受關注的是標簽的性能測試。標簽的性能最簡單的體現(xiàn)是標簽能讀多遠，深層次的理解是這個標簽使用在不同物體上時，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）。為了能夠更準確的測試標簽的性能，需要在特定的環(huán)境中使用專用設備對標簽進行測試，同時還需要具備對批量的標簽進行性能篩選的功能，因此出現(xiàn)了微波暗室和標簽性能測試儀。

01

測試環(huán)境介紹——微波暗室

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

圖6-1電磁波的反射

此時標簽處收到兩個信號，如果兩個信號相位相等，則信號會增強，若兩個信號相位相差180°則會相互抵消，信號減弱（若兩個信號功率相同、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（b）反射減弱（抵消）

圖6-2電磁波反射增強或減弱

在對標簽進行測試時還經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或基站，也有可能是另外一臺閱讀器產生的。這些干擾也許會對標簽的性能或閱讀器的性能產生影響。

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

微波暗室又叫吸波室、電波暗室。當電磁波入射到微波暗室的墻面、天棚、地面時，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。在暗室內做天線、雷達等無線通訊產品和電子產品測試可以免受雜波干擾，提高被測設備的測試精度和效率。隨著電子技術的日益發(fā)展，微波暗室被更多的人了解和應用。微波暗室就是用吸波材料來制造一個封閉空間，這樣就可在暗室內制造出一個純凈的電磁環(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，測試電子產品電磁兼容性時，由于頻率過低也會采用鐵氧體吸波材料。

微波暗室的主要工作原理是根據(jù)電磁波在介質中從低磁導向高磁導方向傳播的規(guī)律，利用高磁導率吸波材料引導電磁波，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、通風波導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入屏蔽室內。屏蔽室也可以單獨使用，對于只關注外界干擾問題的測試，可以在屏蔽室內完成，一般是一些傳導類測試。由于反射問題，屏蔽室內無法測試天線和標簽的性能。屏蔽室的好壞用隔離度表示，好的屏蔽室可以實現(xiàn)100dB的隔離。簡單測試屏蔽室隔離度的方法是把一部手機放進去，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，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、轉臺、天線、監(jiān)控系統(tǒng)等；微波暗室內轉臺如圖6-6（a）所示；微波暗室內天線如6-6（b）所示。。這些內部設備都通過屏蔽室中的連接器用射頻線纜與外界儀器、設備連接在一起，保證外部干擾信號不會通過這些連接線或接頭傳到微波暗室內。

（a）轉臺（b）天線

圖6-6微波暗室內的其它配件

02

標簽性能測試原理

標簽的性能測試是為了了解標簽能工作多遠，憑直覺這個參數(shù)應該與標簽芯片選型、標簽天線設計、閱讀器天線增益、工作頻率等有關系。標簽的性能一般指標簽的靈敏度和反向散射的調制深度，其中最重要的是靈敏度。標簽性能的參數(shù)都無法通過設備直接獲取，需要配合閱讀器設備通過間接計算獲得。

根據(jù)弗林斯傳輸方程，式2-11：，將標簽看作一個整體，可以變形為：

（6-1）

其中Pr為標簽天線處收到的能量，標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、閱讀器距離標簽的距離R以及工作頻率f決定。

當標簽獲得的能量大于等于其自身靈敏度時，閱讀器可以獲得標簽的應答，當標簽獲得的能量小于自身靈敏度時，則標簽無法獲得標簽的應答。因此可以通過調節(jié)標簽獲得的能量大小尋找到剛剛可以激活標簽的臨界點，這個臨界點就是標簽的靈敏度Ptag_sens。調節(jié)標簽獲得的能量可以通過多種方式，包括調節(jié)標簽與閱讀器的距離、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節(jié)標簽處的能量強度的方式最方便。因此在標簽性能測試系統(tǒng)中閱讀器天線的增益及位置、標簽擺放的位置、測試環(huán)境等都是固定的，選擇一個固定頻率后，調節(jié)閱讀器輸出功率可以尋找激活標簽的臨界點對應的功率Pt即可。然后可以更改下一個頻率點，繼續(xù)尋找標簽在該頻點對應臨界點的功率Pt，當所有要測的頻點都測試之后，可以繪制一張關于標簽啟動功率（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標簽啟動功率曲線

將上述參數(shù)通過式6-1計算出不同頻點Pr的值，再繪制成一個標簽靈敏度與頻率的曲線圖6-8?？梢钥吹絻蓚€圖中只是標尺單位不同，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。標簽工作在不同的頻點時，靈敏度不同，可以簡單的認為大于最高靈敏度3dB之間的頻率寬帶為該標簽的帶寬。該圖中標簽的帶寬為從840MHz到970MHz。

圖6-8標簽靈敏度曲線

同理標簽反向散射的能量強度也通過式2-11：，變形為：

（6-2）

其中，標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、標簽擺放位置和測試環(huán)境后，選擇一個固定頻率，調節(jié)閱讀器輸出功率可以尋找激活標簽的臨界點對應的RSSI，然后更改下一個頻率點，繼續(xù)尋找標簽在該頻點對應臨界點的RSSI，當所有要測的頻點都測試之后，經過公式計算獲得標簽反向散射的信號強度與頻率的曲線如圖6-9所示。反向散射的信號強度特點與靈敏度相反，信號越大越好，閱讀器越容易解調。

圖6-9標簽反向散射的信號強度與頻率的曲線

通過上述方法可以計算出標簽的靈敏度和反向散射強度。通過式6-2變形為：

（6-3）

可以計算出標簽的工作距離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)對應的標簽性能測試軟件，是一個不錯的粗略標簽性能測試儀。其優(yōu)點是簡單容易實現(xiàn)，其缺點是精度較差。

03、標簽性能測試設備Voyantic

基于普通閱讀器開發(fā)的標簽性能測試設備具有幾個嚴重問題：

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為1dB，且誤差1dB，無法作為測試設備的級別。

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

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

圖6-10Voyantic標簽靈敏度測試系統(tǒng)

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

工作頻率寬泛：支持標準掃描模式，頻段為800MHz—1000MHz；支持超寬帶掃描模式，頻帶為700MHz~1100MHz（圖6-10中的天線只支持標準掃描模式，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（標準掃描模式）；-5dBm~24dBm（超寬帶掃描模式）。

接收靈敏度：-75dBm，這個參數(shù)并不重要，因為測試環(huán)境中標簽與閱讀器天線距離不是很遠，一般不會出現(xiàn)反向受限的情況。

輸出功率步進可選：可以選擇0.1dB、0.5dB和1.0dB。

掃描頻率起始值和步進均可選：掃描頻率步進從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。當沒有暗室等較好的測試環(huán)境時，可以直接按照圖6-10所示的方式進行測試。

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，會引起1到3dB的測試誤差。測試時應注意標簽的極化方向與天線相同。

軟件：軟件內部具有多種功能，具有自動的公式轉換等功能，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），通過這幾個參數(shù)可以計算出更多參數(shù)：電場強度（Electricfield strength），反向散射雷達截面差值（DeltaRCS），標簽正向啟動功率（Power on tag forward），標簽反向散射功率（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

雖然這套設備的硬件設備具有較高的精度，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。因此需要一套校準體系。Vojantic公司提供了一套校準系統(tǒng)，如圖6-12所示為Tagformance校準系統(tǒng)說明圖。圖中有個校準標簽，系統(tǒng)預先知道該標簽的靈敏度和反向散射功率的頻率曲線。當系統(tǒng)掃描該校準標簽的時候，將得到的曲線與系統(tǒng)中存在的校準標簽參數(shù)進行比對，當發(fā)現(xiàn)兩條曲線有一定差異時，測試人員可以做相應調整直至兩條曲線近乎重合，從而減小系統(tǒng)誤差。

圖6-12Tagformance校準系統(tǒng)說明圖

校準對于系統(tǒng)精度非常重要，每次測試前都應先校準。當更換測試環(huán)境時還需要重新丈量標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：先將被測試標簽放置在指定位置，再在軟件界面輸入起始頻率、頻率步進、功率步進，點擊開始掃描，如圖6-11所示，會出現(xiàn)一條曲線。若需要測試下一個標簽，需要將上一個標簽拿走，并放置新的標簽，再次點擊開始掃描。圖中會出現(xiàn)兩條曲線，每條曲線對應一個EPC號碼以及掃描時間，可以測試多個標簽并進行性能對比。

Tagformance還可以配合轉臺實現(xiàn)標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)動的轉臺，軟件可以操作轉臺按照不同的步進轉動，每次轉動后進行掃描，最終可以繪制出一張標簽的全向圖，如圖6-13（b）所示，表現(xiàn)為標簽在各個方向的輻射特性。

（a）聯(lián)動轉臺（b）輻射特性圖

圖6-13Tagformance全向靈敏度測試

Tagformance作為一個超高頻RFID標簽性能測試的高精度設備，建議配合暗室使用，標簽距離天線的距離也盡量遠一些（原裝的塑料泡沫支架距離30cm有些近，誤差會比較大）。由于現(xiàn)在TIPP認證需要全向測試，因此需要采購配套轉臺；如沒有TIPP認證需求一般不需要購買轉臺，如需了解標簽不同角度的輻射特性可以手動旋轉再測試。

04

標簽一致性測試

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

標簽一致性測試的實現(xiàn)方式：只測試關注的幾個頻點和幾個功率點。如圖6-14所示為針對三個頻點，每個頻點測試16個功率點（共需要測試48次）的一致性測試設置，圖6-14中會出現(xiàn)兩種不同顏色的點：綠色點表示標簽可以在該頻率和功率下被盤點到，紅色則表示無法盤點該標簽。用戶可以設置一個閾值，從而判斷這個標簽是否達標。

圖6-14標簽一致性測試軟件圖

在實際應用中一般最多測試三個頻點，每個頻點最多測試三個功率點。測試的點越多測試時間越長，尤其是高速的卷對卷測試機的應用中，要求一小時實現(xiàn)1-2萬張標簽的測試。如圖6-45所示為一臺卷對卷標簽測試機，對于高速測試需求，卷對卷標簽測試機一般只做單頻點的單次功率測試，如果可以識別到標簽，則通過，如果識別失敗則認為標簽是不合格的。

圖6-15卷對卷標簽測試機

對于特種標簽的測試，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個頻點，每個頻點測試一個功率點，都通過則記為合格。還可以自制校準標簽提高系統(tǒng)的精度，并自制屏蔽環(huán)境和應用軟件。如圖6-16所示，為筆者開發(fā)的特種標簽測試系統(tǒng)，包括硬件、屏蔽環(huán)境和測試軟件。屏蔽箱的制作：將一個天線固定在一個亞克力箱體的頂部，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。在使用校準標簽軟件校準并設置測試參數(shù)后，系統(tǒng)進入自動狀態(tài)。當標簽放入指定位置后，軟件會自動顯示通過還是失敗，操作員就將該標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特種標簽測試系統(tǒng)