在GTEM小室中測試UHF RFID標(biāo)簽的Delta RCS

劉曉陽 李書芳 邢曙光 洪衛(wèi)軍

(北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 北京 100876)

1 引言

射頻識別(Radio Frequency IDentification,RFID)技術(shù)是一類非接觸類型的自動識別和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，起源于上個世紀(jì)40年代。目前，RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)制造、物流管理、公共安全、教育、醫(yī)療等各個領(lǐng)域，并作為中國物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)的重要支柱技術(shù)之一，受到各行業(yè)的普遍關(guān)注[1]。UHF頻段的被動式RFID系統(tǒng)屬于遠(yuǎn)距離識別系統(tǒng)，標(biāo)簽天線一方面接收電磁能量，另一方面通過反向散射電磁波將標(biāo)簽內(nèi)存儲的信息反饋給讀寫器。Delta雷達(dá)放射截面(Radar Cross Section,RCS)作為標(biāo)簽通信時的一個重要參數(shù)，能夠較完整地表征 RFID標(biāo)簽的性能[2]。

ISO IEC標(biāo)準(zhǔn)推薦RFID標(biāo)簽反向散射性能測試標(biāo)準(zhǔn)場地為全電波暗室[3,4]。測試時，必須保持標(biāo)簽與讀寫器發(fā)射和接收天線等高，且被置于兩天線方向交點上，并朝向最優(yōu)場強接收方向；讀寫器收發(fā)兩天線間的殘余耦合信號應(yīng)低于 45 dB。在實際的RFID標(biāo)簽測試過程中，一方面全電波暗室場地造價昂貴，較難得到；另一方面，全電波暗室中測試要求的細(xì)節(jié)復(fù)雜，準(zhǔn)確程度受測試過程影響較大。

針對傳統(tǒng)UHF RFID標(biāo)簽Delta RCS測試方法的缺陷，本文提出了一種用GTEM小室代替全電波暗室測試UHF RFID標(biāo)簽Delta RCS的新方法，此方法測試場地造價低廉，占地面積小，且測試過程簡單，受外界噪聲的干擾小。本文通過對比實驗驗證了此方法的可行性。

2 使用GTEM室進(jìn)行RFID標(biāo)簽Delta RCS測試的基本理論

本文提出一種用GTEM小室測試UHF RFID標(biāo)簽Delta RCS的新方法：將標(biāo)簽置于GTEM小室中，如圖1所示。讀寫器通過環(huán)形器連接GTEM小室端口，通過測量GTEM小室端口電壓反射系數(shù)Γ，即可由式(1)計算得到標(biāo)簽的Delta RCS：

式中k0=2πf/c,f為讀寫器發(fā)送信號的載頻頻率，c為光速。e0y是位于標(biāo)簽原點處的零階模式場：y1為輻射體局部坐標(biāo)原點離 GTEM 小室底板的高度，a和h分別為GTEM小室輻射體局部坐標(biāo)原點正下方底板的半寬度和中板到底板的高度，g為該處中板與側(cè)板的間隙距離，Z0為 GTEM 小室的特性阻抗。Γ為讀寫器返回功率與輸出功率之比的平方根。

圖1 GTEM室中的RFID標(biāo)簽Delta RCS測試圖

文獻(xiàn)[5]最先提出了 GTEM 小室用于測量電小尺寸的金屬散射體的 RCS。本文將通過理論證明UHF RFID標(biāo)簽作為特殊的散射天線，其 Delta RCS參數(shù)同樣適用于GTEM小室中的測試。

根據(jù)標(biāo)簽的能量供給方式，RFID標(biāo)簽可分為主動式、被動式和半主動式。被動式UHF RFID標(biāo)簽是依靠反向散射原理來工作的：讀寫器發(fā)射已調(diào)制的射頻信號，標(biāo)簽通過天線接收到的RFID信號激活標(biāo)簽中的芯片，芯片根據(jù)讀寫器發(fā)送的信息改變其輸入阻抗，以此來實現(xiàn)對標(biāo)簽散射信號的幅度調(diào)制[6]。在標(biāo)簽的散射過程中，標(biāo)簽既具有一般散射體的特性，又有由標(biāo)簽與芯片失配而重新發(fā)射能量的性質(zhì)。

圖2所示是標(biāo)簽工作時的等效電路，等效電路中芯片的阻抗Z1或Z2是由讀寫器信號控制。設(shè)V0為標(biāo)簽被載頻信號激起的開路電壓，對應(yīng)阻抗Z1或Z2，等效電路中的電流為

電流I1與I2通過標(biāo)簽天線的重新輻射將形成標(biāo)簽的散射場。兩種不同電流狀態(tài)之間的變化規(guī)律，形成了滿足RFID協(xié)議的標(biāo)簽返回信號的‘1’或者‘0’編碼，從而完整地實現(xiàn)標(biāo)簽和讀寫器之間的通信。

根據(jù)標(biāo)簽Delta RCS的定義式[7]：

其中Si為入射到標(biāo)簽的功率流密度，G為標(biāo)簽天線增益，ΔP為標(biāo)簽等效電路重新發(fā)射的功率，相當(dāng)于在標(biāo)簽電路中以電流矢量差 (I1-I2)通過標(biāo)簽天線重新輻射回去的功率，即

圖2 被動式UHF RFID系統(tǒng)工作原理圖

如果讀寫器在 GTEM 小室和自由空間給散射體施加相同幅度及相同調(diào)制規(guī)律的入射場Ei，標(biāo)簽天線將產(chǎn)生相同的電流(I1-I2)。類似于參考文獻(xiàn)[5]的推導(dǎo)過程，(I1-I2)使標(biāo)簽天線等效為電偶矩為P的電偶極子和磁偶矩為M的磁偶極子之組合。在自由空間，有[5]

式中θ為P與y軸的夾角，ψ為M與x軸的夾角，為讀寫器接收天線處散射場的垂直分量，R為讀寫器與標(biāo)簽的距離。自由空間坐標(biāo)及標(biāo)簽天線的定向與在GTEM小室中相同(見圖1)。

而在GTEM小室中，端口返回電壓為[5]

代入Γ=Ure/U0，則得到式(1)。至此則證明了GTEM小室可用于測量被動式UHF RFID標(biāo)簽的Delta RCS。

3 實驗

根據(jù)上文中的結(jié)論，分別在全電波暗室[8]和GTEM 室[9]當(dāng)中進(jìn)行驗證性的實驗。實驗中使用完整的RFID測試系統(tǒng)(基于National Instrument的硬件平臺)。該測試系統(tǒng)能夠根據(jù)RFID測試的要求產(chǎn)生RFID讀寫器信號并與測試標(biāo)簽通信，在通信的過程中可以自動分析讀寫器及標(biāo)簽的信號，計算出標(biāo)簽的返回功率值等[10]。實驗中使用國家無線電監(jiān)測與檢驗中心的全電波暗室和4mGTEM室。實驗中使用的標(biāo)簽為Alien9562標(biāo)簽。

實驗在 GTEM 小室和全電波暗室對同一標(biāo)簽的 Delta RCS 分別進(jìn)行測試。為了使GTEM小室和全電波暗室測試的標(biāo)簽處于完全等同的狀態(tài)，測試時都使用標(biāo)簽有響應(yīng)的臨界發(fā)送功率值。分別從測試頻率(測試頻段885-960 MHz，步進(jìn)5 MHz)及測試角度(選擇頻率925 MHz時繞Y軸旋轉(zhuǎn)180°，步進(jìn)10°)兩個方面驗證。

圖3為頻率變化測試結(jié)果。實驗結(jié)果表明：在885-960 MHz頻率范圍內(nèi)，兩種場地測試結(jié)果 dB差值均在3 dB以下，而差值在2 dB以下的比率也達(dá)到了81.25%；從圖3可以看出，測試數(shù)據(jù)隨頻率的變化特性也基本是一致的。

圖4為角度變化測試結(jié)果。實驗結(jié)果表明：標(biāo)簽在各個角度方向上的Delta RCS測試值與全電波暗室測試結(jié)果dB差值均在1.5 dB以內(nèi)，吻合程度很好。以上兩個實驗結(jié)果驗證了GTEM小室中測量UHF RFID標(biāo)簽Delta RCS的可行性。

在實際的實驗過程中發(fā)現(xiàn)，用GTEM小室進(jìn)行測試比起在全電波暗室測試有以下明顯的優(yōu)點：(1)GTEM小室中的測試更為簡單和快捷，不需要考慮標(biāo)簽與讀寫器絕對等高等測試條件；(2)在GTEM小室中測試返回信號強，數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，也不用考慮讀寫距離的問題。結(jié)合GTEM小室廉價，易拆卸、搬遷的優(yōu)點，可以認(rèn)為GTEM小室做UHF RFID標(biāo)簽Delta RCS測試是一種實用性很強的方法。

4 結(jié)論

本文提出了GTEM室做UHF RFID標(biāo)簽Delta RCS測試的新方法，并通過理論的推導(dǎo)和實驗驗證，證明了該方法的可行性和有效性。實驗結(jié)果表明該方法與傳統(tǒng)的全電波暗室中測試的結(jié)果是一致的，而且相比傳統(tǒng)的 RFID標(biāo)簽測試方法而言，使用GTEM室測試更為簡單、高效、結(jié)果更穩(wěn)定，成本更低，具有很強的實用性。

圖3 頻率變化測試對比圖

圖4 角度變化測試對比圖

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