RFID系統(tǒng)讀取距離測(cè)試及分析方法研究*

何　昭　全紹輝　陶　毅　黃見(jiàn)明　聶梅寧　陸希賢

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

0　引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及，射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)憑借其識(shí)別速度快、防偽性能好、存儲(chǔ)信息量大、非接觸/非可見(jiàn)數(shù)據(jù)存取等顯著優(yōu)點(diǎn)得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛應(yīng)用。其中比較有代表性的應(yīng)用領(lǐng)域包括：第二代身份證、公交卡、高速收費(fèi)ECT以及各大企事業(yè)單位的門禁系統(tǒng)等[1-3]。

在物流行業(yè)，庫(kù)存盤點(diǎn)、流水分揀、進(jìn)出登記等潛在應(yīng)用需求對(duì)RFID系統(tǒng)的讀取距離要求更為嚴(yán)格。準(zhǔn)確獲得RFID標(biāo)簽的方向圖、估計(jì)閱讀器和標(biāo)簽間的識(shí)別區(qū)域顯得尤為重要，能夠?yàn)镽FID系統(tǒng)的評(píng)估和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景布置提供參考。

本文在對(duì)RFID標(biāo)簽靈敏度和方向圖準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)上，對(duì)一個(gè)典型RFID系統(tǒng)的讀取距離進(jìn)行了測(cè)試研究，實(shí)測(cè)值與理論分析結(jié)果具有較好的一致性。該方法可以為RFID系統(tǒng)的評(píng)估、實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景布置提供參考。

1　最大前向讀取距離

標(biāo)簽的最大讀取距離是超高頻RFID標(biāo)簽最重要的性能參數(shù)。最直接的測(cè)量方法是實(shí)地測(cè)量，通過(guò)移動(dòng)標(biāo)簽的距離來(lái)測(cè)試其最大讀取距離。但是為了準(zhǔn)確測(cè)量標(biāo)簽的讀取距離，需要將標(biāo)簽置于微波暗室中進(jìn)行測(cè)量。由于標(biāo)簽的性能差異比較大，一般的讀取距離為3～8m，最大讀取距離可能達(dá)到10m以上，這就要求微波暗室有較大DTU靜區(qū)范圍，從而暗室的整體尺寸很大。

為了能在較小的微波暗室或橫電磁波屏蔽箱中進(jìn)行測(cè)試，可以采用衰減讀寫器功率的辦法進(jìn)行間接測(cè)量。式(1)為標(biāo)簽靈敏度Pth與天線增益Gt、標(biāo)簽增益Gr、載波波長(zhǎng)l、距離d、閱讀器最小輸出功率Pmin以及標(biāo)簽雷達(dá)截面t的關(guān)系式。如圖1所示，標(biāo)簽被固定在與讀寫器天線一定距離的地方，通過(guò)衰減器調(diào)節(jié)讀寫器的輸出功率來(lái)測(cè)試標(biāo)簽激活的最小的輸出功率Pmin。再由讀取距離d與該最小輸出功率Pmin推算標(biāo)簽靈敏度Pth，也可進(jìn)一步計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)輸出功率時(shí)的標(biāo)簽讀取距離[4]。利用NI公司的PCI-5640R、PXI-5610、PXI-5600 RFID測(cè)試系統(tǒng)和聚星公司的RFID測(cè)試軟件對(duì)標(biāo)簽性能進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試最小載波功率和最小后向散射功率，可以推算出標(biāo)簽靈敏度、標(biāo)簽最大前向讀取距離、標(biāo)簽最大后向讀取距離等性能指標(biāo)。由于RFID系統(tǒng)中閱讀器靈敏度相對(duì)較高，所以標(biāo)簽后向讀取距離通常大于前向讀取距離，因此，可以將最大前向讀取距離作為標(biāo)簽最大讀取距離。

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圖1　RFID標(biāo)簽最大讀取距離測(cè)試

2　RFID標(biāo)簽方向圖測(cè)量

由于RFID標(biāo)簽芯片的阻抗不是50Ω，并且沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的接口進(jìn)行饋電，標(biāo)簽天線的輻射方向圖不能采用傳統(tǒng)的天線測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。與最大讀取距離測(cè)量方法相似，超高頻RFID標(biāo)簽天線的輻射方向圖測(cè)量也可以采用反向散射法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量標(biāo)簽在同一頻點(diǎn)下不同方向角度的最小讀取功率[4-5]。如圖2所示，通過(guò)測(cè)量各個(gè)方向角度的強(qiáng)度Preceived，就可以推算出各個(gè)方向的標(biāo)簽天線增益。再將各個(gè)方向的增益按最大值進(jìn)行歸一化，如式(2)，則可以獲得標(biāo)簽天線的輻射增益G(θ)。式中，Pt為發(fā)射功率，Gtag為各方向增益最大值。標(biāo)簽天線的輻射方向圖主要反映RFID標(biāo)簽在各個(gè)方向上的讀取性能。由于標(biāo)簽天線一般具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，關(guān)心的主要是E-plane與H-plane的輻射方向圖。

圖2　RFID標(biāo)簽方向圖測(cè)量示意圖

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3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1　RFID標(biāo)簽方向圖

根據(jù)上述的標(biāo)簽方向圖測(cè)量原理，在微波暗室條件下對(duì)一款RFID標(biāo)簽的方向圖測(cè)量結(jié)果如圖3所示。其中(a)為E面的標(biāo)簽方向圖，(b)為相應(yīng)的極坐標(biāo)圖；(c)為H面的標(biāo)簽方向圖，(d)為相應(yīng)的極坐標(biāo)圖。

圖3　RFID標(biāo)簽方向圖測(cè)量結(jié)果(E面、H面)

3.2　讀取距離仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證

本文選取了一個(gè)實(shí)際通信場(chǎng)景實(shí)例來(lái)對(duì)RFID系統(tǒng)的讀寫距離進(jìn)行理論分析和測(cè)試驗(yàn)證。其中，理論分析工作依靠北京航天航空大學(xué)開發(fā)的RFID信道模擬和測(cè)試平臺(tái)完成[6]，利用廠家提供的閱讀器天線增益和方向圖、實(shí)測(cè)得到的標(biāo)簽靈敏度(如圖4所示)和方向圖、場(chǎng)景信道參數(shù)等信息仿真該RFID系統(tǒng)的讀取距離。在閱讀器的發(fā)射功率為25dBm、頻率915MHz、收發(fā)天線增益9dBi、線損4dB的條件下，理論分析得到的最大讀取距離為3.19m。利用NI公司的PCI-5640R、PXI-5610、PXI-5600 RFID測(cè)試系統(tǒng)和聚星公司的RFID測(cè)試軟件，相應(yīng)的標(biāo)簽靈敏度和前向讀取距離分別如圖4和圖5所示，與理論分析結(jié)果相吻合。

圖4　標(biāo)簽靈敏度

圖5　標(biāo)簽前向讀取距離

3.3　讀取距離和發(fā)射功率

為驗(yàn)證信道的傳輸特性，額外選取了方向性更好的標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線作為閱讀器天線，檢驗(yàn)短距離無(wú)線通信狀態(tài)下RFID系統(tǒng)的發(fā)射功率和讀取距離之間的關(guān)系。如圖6所示，當(dāng)發(fā)射功率分別為10dBm、15dBm、20dBm時(shí)，相應(yīng)的實(shí)測(cè)最大讀取距離依次為0.85m、1.50m和2.56m，與理論上“功率增大5dB，傳輸距離增至約1.78倍”的關(guān)系相符。因此，基于以上研究?jī)?nèi)容可以分析任意發(fā)射功率下的RFID系統(tǒng)讀取距離和識(shí)別區(qū)域，為實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的評(píng)估和布局提供參考。

圖6　最大讀取距離和發(fā)射功率的關(guān)系

4　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)RFID標(biāo)簽靈敏度、方向圖的測(cè)量，對(duì)一個(gè)典型RFID系統(tǒng)的讀取距離進(jìn)行了測(cè)試，與理論分析結(jié)果相吻合。該工作可以為RFID系統(tǒng)的評(píng)估、實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景布置提供參考。

[1]邢榮欣.RFID標(biāo)簽專用測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn).電子測(cè)量技術(shù)，2011，34(3)

[2]田利梅，譚杰，關(guān)強(qiáng)，等.RFID測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試技術(shù)研究.信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2009(5)

[3]馬志剛.RFID測(cè)試解決方案.電信網(wǎng)技術(shù)，2012(1)

[4]章偉，甘泉.UHF RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)、仿真及實(shí)踐.北京：電子工業(yè)出版社，2012

[5]P.V.Nikitin and K.V.S.Rao，“Gain measurement of antennas using RFID,” IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI)，pp.1012-1015，Jul 3-8.2011

[6]陸希賢，全紹輝.短程視距與非視距微波通信區(qū)模擬平臺(tái)設(shè)計(jì).2013年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集[C]，2013