超高頻射頻識別標簽靈敏度測試

超高頻標簽是指840M到960MHz無源射頻識別標簽。這個波段的標簽起源自EPCglobal Class 1 Generation 2標準。 其中EPCglobal是電子產品編碼標準組織，第一類第二代RFID標準經常也被縮寫為C1G2。這個標準規定了超高頻860M-960MHz范圍的射頻識別協議。這個協議的特點是通過微秒級的讀寫器-標簽應答，和較科學的防碰撞機制，實現快速、幾十米距離的標簽讀寫。理想情況下每秒盤點標簽可達兩三百個，識讀距離可以達到30米左右，曾經一度被熱捧為下一代智能物流的標準。其后ISO組織接受這個標準，轉為ISO 18000-6C標準。近年來我國也在這個技術上發展革新，推出了自有標準GB/T 29768，其頻率規定在840-845MHz 和 920M-925MHz，避開了臨近的GSM業務波段。

目前這些協議被統稱為800-900MHz超高頻射頻識別。而這些協議都繼承了高速應答，快速盤點，讀寫距離較遠的特點。而這些熱門協議產品的性能成為使用的關鍵。其中尤其是標簽，處于競爭激烈的中心。射頻識別標簽單價較低，但是用量很大，對于設計制造就要求更高。由于標簽設計技術和生產工藝的缺陷和不穩定，就必須由性能測試來把關。

而這個標簽靈敏度測試由于是非接觸射頻測量，又有各種技術問題需要克服。本文著重介紹其中的方法理論和實踐情況。

超高頻射頻標簽靈敏度測試方法

基本設置

超高頻標簽測試往往在微波暗箱或暗室進行，也可以在半暗室和干擾較小的野外場地進行。但是由于超高頻標簽的頻率較高，波長只有1/3米左右，對暗室尺寸要求不太高，經濟比較容易承受。關于標簽測試的物理設置，有雙天線和單天線兩種主要方法。為了最大性能，EPCglobal、ISO倡導了雙天線法。這個方法采用一對左右圓極化天線，一發一收，達到最大收發隔離，使得測試系統可以用高功率發射，高靈敏度接收，從而應對更差靈敏度的標簽。為了方便起見，也有用環行器將雙天線合并為收發雙工的單天線配置，由于天線反射特性，總體系統性能低于雙天線配置。

圖1雙天線標簽測試配置示意圖

表示單位

標簽靈敏度通常可以用功率或場強表示。EPCglobal比較實用，采用了RIPTUT，亦即標簽接收到的單極子輻射功率。用通俗的話講，就是標簽剛好可以工作的射頻場強用理想單極子天線接收到的功率。它的單位是dBm。

ISO測試用場強表示，也就是使得標簽正常工作的最小場強。它的單位是V/m。

這兩個測試結果看上去不同，但實際上都是通過測試儀發射功率計算來的。

EPCglobal標簽接收單極子功率計算公式：

RIP=EIRP-PL 公式 1

EIRP=P+GTx 公式 2

其中EIRP是儀器發射等效單極子輻射功率(dBm)，PL是儀器發射天線到標簽的自由空間傳輸損耗(dB)，P是發射天線輸入功率(dBm)，GTx是發射天線增益(dB)。

ISO標簽處場強計算公式：

其中，P是發射功率(W)，G是發生天線增益，R是發生天線到標簽距離(m)。這些公式的根本是自由空間傳輸損耗公式和天線增益定義推導而來。

計算和推算

單極子天線射頻傳輸公式：

其中PRx是接收功率，PTx是發生功率，Ae是天線等效孔徑面積，R是收發天線距離。這個公式描述了理想單極子天線間遠場傳輸損耗和距離的關系。下面我們給出幾個典型樣本頻點，在典型測試距離上的自由空間傳輸損耗，單位是dB.

表格1自由空間傳輸損耗和距離、頻率的關系

要注意的，上述是遠場球面波模型下推算的，收發距離太近會使得計算結果偏離。EPCglobal規定在0.8-1米距離。ISO 18046-3規定最近測試距離。

其中，R是測試距離，L是發射天線最大邊長(直徑)。下面我們給出典型天線尺寸和典型頻率下ISO對測試距離的要求。

表格2 ISO最短測試距離和天線尺寸、頻率的關系

多種測試項目

正向連接距離

在標簽靈敏度測試當中，大家經常聽到詢問標簽讀寫距離。讀寫距離和標簽靈敏度、標簽反射功率有關，但是實際應用當中又和讀寫器性能有關。所以在測試中假設讀寫器用35dBm功率通過理想單極子天線發射，可以讀寫的距離。那么問題來了，超高頻標簽讀寫距離很遠，是否要裝備超大的射頻暗室呢?非也。我們在上述遠場條件測量標簽最小工作功率，減去發射天線增益，得到等效單極子輻射功率EIRPTX然后根據空間傳輸衰減和距離平方成正比的原理，可以推算出讀寫距離：

正向連接距離(forward link range)啊啊也稱為讀取距離，取決于標簽開啟工作所需要的場強。

反向連接距離

標簽反射的功率大小決定了讀寫器可以在多遠讀到，所以可從標簽反射功率推算反向連接距離(reverse link range)。反向連接距離就是反射功率被天線增益5dBil、接收靈敏度-70dBm的閱讀器識讀的距離。EPCglobal標準[2]提供了計算方法，且結果通常大于正向連接距離。

其中，EIRPTx0是反向連接靈敏度需要的發射等效單極子功率，定義為正向連接靈敏度加2dB;PRx0是EIRPTx0發射條件下接收到的標簽反射功率;GRx是接收天線增益。

不同標簽工作模式的靈敏度

標簽在被識讀ID號、讀取寄存器信息、寫入寄存器信息的工作模式下需要消耗的功率不同，也就是這3個工作模式的靈敏度是不一樣的。這也就有了識別、讀取、寫入靈敏度3個測試模式。上述工作最低功率、最小場強、前向和反向讀取距離，都有這3中工作模式下的指標，且各不相同。