超高频射频识别标签和阅读器产品测试平台 射频识别技术应用实例

　　 RFID是射频识别技术的英文(Radio Frequency Identification)缩写,射频识别技术是自动识别技术的一种,是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。 射频识别系统通常由电子标签(射频标签)和阅读器组成。
　　无源的超高频射频识别(UHF RFID)技术的收发同频、负载调制、标签芯片能量来自其天线转换阅读器天线发送的电磁波等技术特点决定了其技术领域与其他短距离无线通信的本质区别,因此,对该技术的产品的测试也与众不同。对产品进行全面、系统的测试,向市场提供质量保证的产品,对推动大规模性应用有着至关重要的作用。一般UHF RFID产品测试分为协议一致性测试、互操作性测试、性能测试和应用测试,本文主要针对前三项测试技术开展分析,以搭建超高频射频识别标签(包括芯片)和阅读器的测试平台。
　　
　　1协议一致性测试
　　
　　标签和阅读器之间可靠的相互通信是以符合标准的空中接口协议为保障的,如与国际标准ISO 18000-6C空中接口协议相一致。标签协议一致性测试包括:所有协议的单条指令测试以及典型指令的组合测试,以及指令的参数组合三部分的组合测试。其测试系统框图如图1所示。
　　 阅读器模拟设备由能与计算机通信的数字基带模拟器以及由通用测试设备构成的发射和接收射频前端组成。测试设备和连接线都是50Ω,而芯片阻抗是复阻抗,因此需要一个阻抗变换单元,其一端口是50Ω,一个端口与芯片的阻抗复共轭阻抗匹配。首先计算机控制阅读器基带模拟设备,让其发送不同组合的带有载波的各种指令,该信号发给芯片的阻抗转换单元,进而进入待测芯片。待测芯片返回相应的信号给频谱仪分析,计算机得到分析结果,完成一次指令分析。如果测试的是标签的协议一致性,那么COB封装的芯片将由连接天线、完整的标签替代,由天线完成信息和能量的交换。
　　阅读器的协议一致性测试方法类似,首先计算机控制阅读器发送各种指令,标签模拟设备接收并分析指令,根据分析的结果,模拟不同的调制深度的标签返回信号,阅读器将接收的信号再传给计算机,完成一个闭环的操作。如图2所示。系统中的标签模拟设备由标签基带模拟器和其可以实现不同调制深度的射频前端构成。
　　
　　2互操作性测试
　　
　　互操作性测试是测试两个或者多个系统或设备之间使用同一个通信协议交互信息的功能。通过互操作性测试,可以保证不同厂家的不同设备之间互联互通。ISO 18000-6C互操作性测试套组包括四个实验:select/inventory, memory access, permalock/kill和special。实验是在空气环境测试制定的阅读器或者标签。定义了交互模式:1)阅读器到标签特性以及标签到阅读器特性;2)如果阅读器支持多种模式,bounding模式将被测试;3)伪随机码测试。该测试需要购置业界通过认证的各种阅读器和标签,其系统框图如图3所示。测试标签的时候,使用不同厂家的商业阅读器,用待测标签替代满足协议的商业标签构成的多标签板(图4所示);测试阅读器的时候,使用商业标签构成的多标签板,用待测阅读器替代满足协议的商业阅读器。
　　
　　3性能测试
　　
　　 3.1 标签性能测试
　　标签性能测试中的待测标签包括两种形式:COB封装的芯片,和与天线封装在一起的完整标签。标签COB芯片的性能测试包括:接收灵敏度、最大入射功率、阻抗测试、指令正确响应的冗余度、高低温不同湿度等环境测试、及物理尺寸、存储容量等;完整标签的性能测试包括:防碰撞能力测试、不同衬底下的三维可读取的通信距离、固定某条件下的可读取的频带宽度、高低温不同湿度等环境测试等。
　　 芯片的接收灵敏度是指接收最小的阅读器发送信息,能够正常工作(某个命令)的载波强度。该测试过程首先要校正入射到阻抗匹配单元的信号强度。而后不断地降低该数值,测量芯片能否正常返回信号。最小的芯片能够正常工作的入射信号能量-阻抗转换单元的衰减就是芯片的灵敏度。灵敏度测试完毕后,在信号源后加功率放大器,发送功率逐步增大,直到待测芯片不能工作的数值,定义为芯片的最大入射功率。
　　 测试标签性能时,待测标签被放置在两轴的三维旋转平台上的不同衬底材料上,旋转过程中保持标签的中心位置不动。阅读器天线被放置在一个上下、左右、前后可以移动的天线塔上。这样就实现了阅读器天线和标签之间的不同摆放角度和距离的多维度测试。如图5所示。
　　标签的防碰撞能力测试时将其放置在一个板材上或者实际应用环境的物体上,测试其单位时间内读取的个数。
　　标签附着物物理参数(介电常数、和损耗角正切测试,磁导率)使用射频阻抗/材料分析仪来完成。
　　
　　 3.2 阅读器性能测试
　　阅读器的性能测试主要包括:电磁兼容、接收灵敏度、多标签碰撞、抗干扰能力测试、输出阻抗测试等。
　　 (1)电磁兼容测试
　　无线电管理委员会认证主要关心阅读器的发射频率、信道带宽及信道占用带宽、信道中心频率、邻道功率泄漏比、发射功率等,该测试可以将阅读器直接连接到频谱仪测试即可。
　　 (2)灵敏度测试
　　阅读器发送各种指令信号,先使用频谱仪标定其功率。测试时,阅读器指令信号进入标签模拟设备,标签模拟设备根据阅读器发送的指令给出相应,同时模拟标签的各种调制信号做负载调制,该信号通过可控衰减器模拟路径衰减和信号衰减,阅读器能够接收到的最小的标签返回信号就是阅读器的最低灵敏度。
　　 (3)多标签防碰撞能力测试
　　该项测试要采用不同厂家通过协议认证的商业标签,密集摆放。尽量多地摆放在一个平面板上,在合适的距离测试阅读器单位时间内读取标签的数目。
　　 (4)抗干扰能力测试
　　 将干扰源的信号耦合进入阅读器,测试在干扰源下的阅读器读取实际标签的能力。
　　 (5)输出阻抗测试
　　可以用负载牵引设备测试阅读器的输出阻抗,测试过程为:1)阅读器发射载波信号给不断变换其实部和虚部的调谐器端口;2)调谐器的另外一个端口是50Ω标准接口,连接环形器;3)环形器的正向信号进入一个标准的50Ω负载,其反射信号进入功率计或者频谱仪测试功率;4)直道测试到的反射功率最小数值的时候,去掉待测阅读器与调谐器的连接,使用矢量网络分析仪测试调谐器的阻抗,其复共轭就是阅读器的阻抗。定性的阅读器射频端口的阻抗测试是将待测阅读器直接连接到环形器,环形器的正向电磁波传输端接50Ω负载,其反射端接频谱仪或者功率计,比对反射信号和待测阅读器发射信号的强度就是其S11参数。
　　
　　4RFID测试公共服务平台
　　
　　上海集成电路技术与产业促进中心目前正在建设RFID测试公共服务平台,涵盖上文中提到的三类基础测试,旨在为整个业界共享,避免各企业自建测试系统而造成的资源重复投入,降低企业产品研发和产业化的成本,从而缩短产品投放市场的时间。平台搭建了电波暗室,三维可控转台,购置了一批先进的高端测试仪器,通过开发RFID 标签/阅读器模拟器、RF 开关矩阵单元、放大器单元、自动化测试软件等,构建成RFID 产品预认证系统,以应对复杂的RFID测试挑战。
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