基于軟件自動化的天線高速切換箱的設計

李超, 吳垚

(1.中國人民解放軍92728部隊,上海 200040;2.海裝駐上海地區(qū)第十軍事代表室,上海 200233)

0 引言

在復雜的軍用RFID應用系統(tǒng)環(huán)境下,軍用RFID超高頻(UHF)和2.4 GHz電子標簽的性能和識讀效果直接影響軍用物資、車輛、器械、醫(yī)療用品、食物等的實時監(jiān)控、后勤保障、物品追溯和總體的把控管理,因此軍用RFID UHF和2.4 GHz電子標簽的性能至關(guān)重要[1]。

目前國軍標電子標簽性能測試標準規(guī)范中,只規(guī)定了無源電子標簽和有源電子標簽的性能測試要求,但沒有提出測試方法、測試設備、測試環(huán)境等要求和規(guī)范[2]。國際通用電子標簽性能測試標準ISO/IEC 18046-3規(guī)定了單一方向性能測試的環(huán)境要求、測試方法[3],但其最新標準的發(fā)布時間是2012年,至2022年沒有更新。在軍用RFID應用場景中,不僅需要測試RFID電子標簽的單一方向性能,還需要測試電子標簽全方向的應用性能,而2012年的國際測試方法無法滿足軍用RFID電子標簽性能測試需求[4]。因此,為了更好的測試和模擬出RFID UHF和2.4 GHz電子標簽的全向識讀性能,根據(jù)OTA中的全向性能測試方法[5],搭建RFID-OTA系統(tǒng)測試環(huán)境,從而完成RFID UHF和2.4 GHz電子標簽的三維性能測試[6]。

為保證標簽的三維全向性能的精確性,在此次系統(tǒng)中采用16探頭測試方案,每隔22.5°測試標簽的雙極化性能,因此在該測試系統(tǒng)中采用了15組雙極化測試天線,總共30組路徑切換。而水平方向需要測試12個角度,因此1個產(chǎn)品測試至少需要進行360次天線切換。為保證測試速度[7]、減少人工的系統(tǒng)連接時間、降低系統(tǒng)測試的不確定度,需要設計一臺軟件自動化測試系統(tǒng)專用的天線高速切換箱,把天線的極化方向之間、天線和天線之間的切換動作轉(zhuǎn)化為軟件程序化語言,利用軟件控制自動化實現(xiàn)自動完成所有測試天線的切換,從而提高測試效率,保證測試結(jié)果的準確性[8]。

1 路徑需求

RFID-OTA測試系統(tǒng)使用的是16天線測試方案(15組測試天線、1組通信天線),如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)測試天線配置

其中每組測試天線分為水平極化和垂直極化兩個方向,因此在實際測試中一個水平角度下需要完成30個天線極化的測試。整體端口的設計需求如表1。

表1 端口設計需求

2 鏈路設計

根據(jù)路徑需求和外接射頻端口設計,RFID-OTA高速開關(guān)箱內(nèi)部測試連接圖如圖2所示。

圖2 高速開關(guān)箱內(nèi)部需求圖

目前市面上沒有支持30條路徑的切換開關(guān),因此為保證內(nèi)部線路能夠快速進行切換需要盡可能少的使用射頻開關(guān),從而保證測試天線之間的切換。

高速切換箱采用三級固態(tài)開關(guān)串聯(lián)的控制方式,PC通過NI GPIB控制卡發(fā)出路徑切換控制指令到HWA-GPIB控制板,控制板接收到上位機開關(guān)切換指令后,輸出TTL控制信號到固態(tài)開關(guān)控制端,固態(tài)開關(guān)根據(jù)控制信號的高低電平邏輯來完成開關(guān)切換,最終實現(xiàn)整條射頻測試鏈路的路徑切換。最終高速開關(guān)箱內(nèi)部設計圖如圖3所示。

圖3 高速開關(guān)箱內(nèi)部連接圖

圖3其中A、B、C為三層切換結(jié)構(gòu),A1、B1、B2、B3、C1～C12為單刀四擲開關(guān),真值表如表2所示。

表2 單刀四擲開關(guān)真值表

軟件控制邏輯見表3。

表3 軟件端口控制指令

由于測試過程中需要進行多次路徑切換,為保證測試速度和設備的使用壽命,在進行開關(guān)選型時采用固態(tài)開關(guān)。相比機械開關(guān),固態(tài)開關(guān)具有切換響應速度快,壽命長等優(yōu)點,在測試過程中不會發(fā)生開關(guān)斷鏈情況,但固態(tài)開關(guān)因其本身的半導體特性,在使用時會產(chǎn)生較大的熱量,在散熱條件不理想的情況下可能對開關(guān)造成不可逆的損傷。

同時在RFID-OTA測試系統(tǒng)中,為了降低線纜的損耗,高速開關(guān)箱會放置在暗室內(nèi)部,放置空間狹小,不利于散熱,長期使用的情況下還會影響高速開關(guān)箱的性能指標,如:電壓駐波比、插入損耗等,從而對整個測試系統(tǒng)的測試精度帶來一定的影響。因此在進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計時,改善高速開關(guān)箱內(nèi)部開關(guān)排列分布,通過采用豎排排列的方式,一個單刀六擲開關(guān)對應一列輸出端口,調(diào)整風扇分布,增加傳導式散熱模式,提高高速開關(guān)箱的散熱效率,從而提高高速開關(guān)箱的穩(wěn)定性和使用壽命。設計如圖4、圖5所示。

圖4 開關(guān)散熱設計

圖5 高速開關(guān)箱連接端口設計

同時為了實現(xiàn)軟件自動化控制射頻信號處理單元的路徑切換,設計時加入多功能專用控制板,通過RJ45網(wǎng)絡端口對開關(guān)箱切換鏈路進行控制連接,配合測試儀表進行天線間的快速切換,從而保證測試系統(tǒng)能夠正確選擇天線進行測試,使測試系統(tǒng)完整測試除待測物品的2D/3D方向性能。

3 總結(jié)

通過設計RFID-OTA系統(tǒng)高速開關(guān)箱,進行軟件控制開關(guān)鏈路的切換,使該系統(tǒng)測試天線之間切換具備自動化能力,不僅提高了測試效率,還保證了測試結(jié)果的準確性。同時通過選擇高速控制板、高性能開關(guān)和合理的鏈路設計,增加設備的散熱效率,使軟件控制天線路徑切換時間<10 ms,所有天線路徑的電壓駐波比在工作的頻率范圍內(nèi)小于2.5∶1,且每條路徑損耗小于3.5 dB,各路徑之間的隔離度>30 dB。實際應用及測試結(jié)果表明,該高速開關(guān)箱軟件控制、路徑設計方法正確有效。