RFID知識
RFID標簽測試影響因素分析
RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的重要工具和實(shí)現手段，憑借著(zhù)RFID技術(shù)獨有的特點(diǎn)：遠距離識別、多目標識別。RFID技術(shù)構成了物聯(lián)網(wǎng)以及各種工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的基石。但是，由于RFID技術(shù)同傳統的識別技術(shù)存在明顯的差別，需要在應用過(guò)程中根據本身應用的技術(shù)特點(diǎn)予以注意。只有識別并注意這些影響因素，RFID技術(shù)才能真正的體現出不同于其他識別技術(shù)的優(yōu)勢。
在各種自動(dòng)識別技術(shù)中，二維碼識別和語(yǔ)音識別技術(shù)目前應用較為廣泛，兩者都伴隨著(zhù)各種智能終端的發(fā)展而快速普及。兩種技術(shù)在應用之初，使用者就已經(jīng)對其技術(shù)有一定的認識，比如：在使用二維碼識別技術(shù)時(shí)，需要二維碼清晰可變，應用環(huán)境光照適宜，如常見(jiàn)的支付場(chǎng)景;而在使用語(yǔ)音識別技術(shù)時(shí)，通常使用者都會(huì )選擇在比較安靜的場(chǎng)所，對準話(huà)筒并適當提高音量，如使用微信語(yǔ)音聊天時(shí)。
在使用RFID技術(shù)時(shí)，使用者或者測試者應注意哪些問(wèn)題呢?
射頻識別系統在應用過(guò)程中由于是通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸實(shí)現識別過(guò)程，將遇到天線(xiàn)的擺放與標簽應用相對方向的情況，在兩者相互作用的過(guò)程中，由于兩者都是天線(xiàn)，都存在極化和方向性問(wèn)題，都會(huì )對系統的作用距離產(chǎn)生極大的影響。與此同時(shí)，系統中的天線(xiàn)還受到外界環(huán)境的影響，下面將分別進(jìn)行解讀。
1天線(xiàn)極化
天線(xiàn)的極化通常指天線(xiàn)輻射電磁波中電場(chǎng)的方向，也就是時(shí)變電場(chǎng)矢量端點(diǎn)運動(dòng)軌跡的形狀、取向和旋轉方向。常見(jiàn)的有電場(chǎng)矢量端點(diǎn)軌跡呈直線(xiàn)、橢圓和圓形等形狀。
當RFID系統使用線(xiàn)極化天線(xiàn)識讀線(xiàn)極化射頻標簽，因為極化方向的問(wèn)題。為了達到最好的識讀效果和最遠的作用距離，要求兩者極化方向必須相同。當兩者極化方向并不相同時(shí)，識讀效果和作用距離將隨著(zhù)夾角的增大迅速變差，當兩者垂直正交時(shí)，理論上標簽無(wú)法被識讀。他們之間的關(guān)系可以用來(lái)描述，其中，理解為兩個(gè)矢量：對應線(xiàn)性天線(xiàn)和線(xiàn)性標簽的方向性，而則是兩個(gè)矢量的夾角，夾角越大，兩個(gè)矢量的點(diǎn)乘就越小。當夾角達到90°時(shí)，乘積為0。
下面通過(guò)測試說(shuō)明：測試所使用的設備為Voyantic公司生產(chǎn)的明星產(chǎn)品——Tagformance標簽性能測試系統，Tagformance標簽性能測試系統已廣泛應用于世界各地實(shí)驗室、科研機構、標簽設計生產(chǎn)廠(chǎng)家、系統集成商與RFID終端用戶(hù)。該測試系統將RFID測試技術(shù)能力提升到一個(gè)新水平，國外近百篇科技出版物談及Tagformance標簽性能測試系統和其它Voyantic產(chǎn)品。著(zhù)名的阿肯色大學(xué)RFID研發(fā)中心采用的就是Tagformance標簽性能測試系統。
測試對測試環(huán)境有要求：周?chē)?0cm范圍內，不允許有大金屬存在，防止引入其他影響。
該系統使用線(xiàn)極化天線(xiàn)，如圖7所示，通過(guò)設置掃頻900MHz~930MHz，獲得標簽的激活靈敏度，如下圖所示：
圖11 天線(xiàn)與標簽夾角為0°時(shí)標簽的激活靈敏度
天線(xiàn)與標簽夾角為0°時(shí)所測得的標簽前向激活靈敏度比較優(yōu)秀，尤其在907MHz~909MHz這一段，表現非常優(yōu)秀。對應的前線(xiàn)鏈路識讀距離見(jiàn)下圖所示：
圖12 天線(xiàn)與標簽夾角為0°時(shí)標簽對應的前向識讀距離
與上面圖11對應，圖12中顯示天線(xiàn)與標簽夾角為0°時(shí)所測得的標簽前向識讀距離整體表現很好，在整個(gè)測試頻段，均超過(guò)了10米。尤其在907MHz~909MHz這一段甚至超過(guò)了13米，表現非常優(yōu)秀。
將標簽調整方向，以圖所示的方式進(jìn)行標簽測試，分別得到在天線(xiàn)與標簽夾角為45°時(shí)標簽的激活靈敏度和對應的前向識讀距離。如圖13和圖14所示，標簽旋轉45°后，標簽的激活靈敏度和前向鏈路的識讀距離均明顯變差，即RFID系統的作用距離變差了。當線(xiàn)極化天線(xiàn)與線(xiàn)極化標簽存在45°夾角的時(shí)，在讀寫(xiě)器發(fā)射功率不變的情況下，標簽接收到的能量減小了，最終導致作用距離變小。
圖13 天線(xiàn)與標簽夾角為45°時(shí)標簽的激活靈敏度
圖14 天線(xiàn)與標簽夾角為45°時(shí)標簽對應的前向識讀距離
同樣,將標簽調整方向，以圖10所示的方式進(jìn)行標簽測試，分別得到在天線(xiàn)與標簽夾角為90°時(shí)標簽的激活靈敏度和對應的前向識讀距離。標簽旋轉90°后，讀寫(xiě)器僅能在900MHz~909MHz的范圍內識讀標簽，并且在這段工作頻率中，前向鏈路識讀距離僅有1米左右。圖15與圖16中綠色標記處顯示讀寫(xiě)器與標簽之間的識讀功能基本喪失。所以，當線(xiàn)極化天線(xiàn)與線(xiàn)極化標簽存在90°夾角的時(shí)，在讀寫(xiě)器發(fā)射功率不變的情況下，測試曲線(xiàn)不連續，一部分頻點(diǎn)無(wú)返回信號，標簽基本很難接收到能量，最終導致系統功能的喪失。
圖15 天線(xiàn)與標簽夾角為90°時(shí)標簽的激活靈敏度
圖16 天線(xiàn)與標簽夾角為90°時(shí)標簽對應的前向識讀距離
通過(guò)將以上三組數據整合到一起進(jìn)行對比，如下圖。
圖17 天線(xiàn)與標簽不同夾角條件下標簽激活靈敏度
圖18 天線(xiàn)與標簽不同夾角條件下標簽識讀距離
而對于反向散射鏈路，由于標簽反向散射信號的生成都是基于標簽對前向信號獲取的能量(有源標簽的反向信號不同于無(wú)源標簽，這里僅僅通過(guò)無(wú)源標簽來(lái)說(shuō)明)。其實(shí)，對于無(wú)源標簽所有功能的實(shí)現，都是依靠來(lái)自于對于讀寫(xiě)器的前向信號。所以對于無(wú)源標簽而言，理論上，前向信號越好代表標簽獲取的能量越大，反向信號越好，兩者呈正相關(guān)。
通過(guò)數據，已經(jīng)比較直觀(guān)的反應天線(xiàn)的極化對于采用線(xiàn)極化天線(xiàn)標簽的作用距離的影響。對于這種系統，在日常應用過(guò)程中必須注意。
而對于采用圓極化天線(xiàn)的讀寫(xiě)器，在同等的發(fā)射功率下，圓極化電磁場(chǎng)可以分解為兩個(gè)正交的線(xiàn)極化電磁場(chǎng)。當圓極化天線(xiàn)配合線(xiàn)極化標簽使用時(shí)，圓極化電磁場(chǎng)等同正交的兩個(gè)線(xiàn)極化電磁場(chǎng)，與標簽極化方向相同的電磁場(chǎng)用于激活標簽，與標簽極化方向正交的電磁場(chǎng)則毫無(wú)作用，由于圓極化天線(xiàn)所激活的全部電磁場(chǎng)僅有一半用于激活標簽，所以其作用效果沒(méi)有線(xiàn)極化天線(xiàn)效果好，因為在同樣的發(fā)射功率下，線(xiàn)極化激活的全部電磁場(chǎng)均用于激活標簽，而圓極化天線(xiàn)僅僅有一半，從數值上講，兩者相差3dB。當采用圓極化標簽時(shí)，配合線(xiàn)極化天線(xiàn)使用時(shí)作用距離表現尚可，配合圓極化天線(xiàn)性能表現最差。
2天線(xiàn)的方向性
在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，天線(xiàn)是不可缺少的組成部分。各種信息加載與電磁波時(shí)，都需要經(jīng)由天線(xiàn)才能完成信號的傳輸。同時(shí)，天線(xiàn)不只是傳播信號，非信號的能量輻射的發(fā)射和接收也都是由天線(xiàn)來(lái)完成。作為全部電磁波的收發(fā)端口，天線(xiàn)對于RFID系統非常重要，它是決定RFID性能的關(guān)鍵部件。
作為電磁波在空間傳播的收發(fā)器件，天線(xiàn)的方向性就顯得尤為重要。天線(xiàn)之所以多種多樣，往往都是由于天線(xiàn)的方向方面的用途所決定的。按方向性分類(lèi)，可分為全向天線(xiàn)、定向天線(xiàn)等;按外形分類(lèi)，可分為線(xiàn)狀天線(xiàn)、面狀天線(xiàn)等。對于天線(xiàn)，它的輻射場(chǎng)非常重要，任何一種天線(xiàn)都有其對應的方向性并表現出不同的輻射特性。應用在不同領(lǐng)域的天線(xiàn)就是根據在該領(lǐng)域中的天線(xiàn)輻射特性來(lái)進(jìn)行天線(xiàn)的選擇和優(yōu)化的。舉例說(shuō)明，雷達，用于偵測不明飛行器，需要天線(xiàn)陣發(fā)射的電磁波盡可能的接近呈一束，具有良好的指向性;而對于通信用基站天線(xiàn)，考慮到覆蓋用戶(hù)面積因素，需要天線(xiàn)盡可能將能量集中在一個(gè)區域內，這樣才能保證該區域內的用戶(hù)的通信需求。
下面以偶極子天線(xiàn)進(jìn)行說(shuō)明：
圖19 偶極子天線(xiàn)E-plant面增益示意圖
前面提到，全向天線(xiàn)是不存在的，圖19顯示球坐標系中偶極子天線(xiàn)在E-plant面的輻射方向圖?？梢园l(fā)現在角0°和-180°時(shí)這兩個(gè)方向上，天線(xiàn)在這兩個(gè)方向上基本不發(fā)射能量，隨著(zhù)角度的變化，天線(xiàn)在對應的角度上的增益逐漸變大，并在90°和-90°達到最大，為增益最大方向。
圖20 偶極子天線(xiàn)H-plant面增益示意圖
圖20顯示偶極子天線(xiàn)H-plant面的增益情況，在這一平面分別有兩個(gè)圓形增益軌跡，分別對應0°和90°的增益。在H-plant面上，天線(xiàn)是各向同性的——在H-plant面上，增益在各個(gè)方向上是相同的。對應不同的H-plant面，增益大小不同，0°的增益圓最小，在圖45上以小圈表示，而90°的增益圓最大，在圖45以大圓圈表示。
圖21 偶極子天線(xiàn)增益的3D視圖
圖21以3D的視角展示了偶極子天線(xiàn)的增益分布情況。天線(xiàn)在Z軸方向(天線(xiàn)平行方向)增益最低，并隨著(zhù)角度增加，增益變大，當角達到90°時(shí)，增益達到最大，并且增益不隨著(zhù)角的改變而變化。從圖21中也可以通過(guò)顏色更加直觀(guān)的辨別出——紅顏色代表的增益最好;藍色代表的增益最差。整體呈現蘋(píng)果狀向周?chē)椛洹?/p>
對于RFID系統，需要結合實(shí)際應用需求來(lái)選擇天線(xiàn)種類(lèi)。RFID系統工作距離主要與讀寫(xiě)器向電子標簽的激活能量有關(guān)系。天線(xiàn)是具有方向性的。天線(xiàn)無(wú)法保證在各個(gè)方向上的輻射功率是相同的，全向天線(xiàn)是不存在的。這就要求，在RFID系統中，對于天線(xiàn)的使用就必須要考慮天線(xiàn)的方向性。
在RFID系統實(shí)際應用中，讀寫(xiě)器天線(xiàn)與標簽天線(xiàn)的相對位置關(guān)系除了考慮天線(xiàn)和標簽的極化方向問(wèn)題，還應盡量將各自的最大增益方向調整至在它們之間的直線(xiàn)上，這樣才能保證RFID系統在應用過(guò)程中有更好的性能表現，獲得最好的識讀距離，最大程度上提高客戶(hù)的使用體驗。
3外界環(huán)境影響
雖然，RFID產(chǎn)品在設計過(guò)程中會(huì )考慮各種外界環(huán)境對系統的影響，包括：高低溫、高濕熱、雨雪、鹽霧以及灰塵等。但，即使是這樣，設備的使用也無(wú)法無(wú)視環(huán)境條件、氣候條件。在特殊情況下，特殊的環(huán)境條件和氣候條件都是對設備的制約，這種制約同樣適用于射頻識別系統。
射頻識別系統作為無(wú)線(xiàn)通信系統的一部分，必須遵循無(wú)線(xiàn)電傳輸的基本要求。除天線(xiàn)和標簽外，均可以通過(guò)安裝等手段進(jìn)行防護和優(yōu)化，包括：使用屏蔽手段保護系統數據線(xiàn)、電源線(xiàn)以及射頻信號線(xiàn)纜，通過(guò)保證線(xiàn)纜彎曲半徑等手段來(lái)保證信號可以在線(xiàn)纜中，以最好的形式進(jìn)行傳輸而最大程度地抑制反射信號;同時(shí)，通過(guò)各種手段保證系統的IP防護等級、環(huán)境適應性以及振動(dòng)要求。但是對于天線(xiàn)和標簽部分，必須將這兩部分暴露在空間中，用于實(shí)現射頻信號的發(fā)送與接收。恰恰是天線(xiàn)和標簽部分，是系統中最容易被影響的部分。從射頻識別系統角度看天線(xiàn)，天線(xiàn)就是讀寫(xiě)器內部電路向以空間為傳輸介質(zhì)的電路形式的延伸。所以如上文討論，天線(xiàn)本身帶有的方向性屬性是客觀(guān)存在的，并不因無(wú)法用肉眼觀(guān)察而不存在。所以，系統尤其是針對天線(xiàn)和標簽，在安裝和使用過(guò)程中必須考慮天線(xiàn)和標簽周?chē)h(huán)境問(wèn)題，特別是非金屬環(huán)境以及不同介質(zhì)的影響。下面主要討論不同介質(zhì)對于天線(xiàn)的影響。
射頻信號作為無(wú)線(xiàn)電波，除了遵循麥克斯韋方程外，其傳播過(guò)程中會(huì )受其傳輸介質(zhì)的影響。當天線(xiàn)設計完成后，保證其周?chē)鷳铆h(huán)境的前提下，其天線(xiàn)的空間特性已經(jīng)確定。當天線(xiàn)的物理形態(tài)沒(méi)有發(fā)生改變的情況下，其空間特性不會(huì )發(fā)生明顯的變化。在實(shí)際應用過(guò)程中，RFID標簽識讀率不高、識讀距離不遠，往往都是破壞了天線(xiàn)對芯片的匹配以及天線(xiàn)本身對于環(huán)境的要求。
目前，絕大部分UHF(特高頻)標簽采用偶極子天線(xiàn)設計，其特點(diǎn)是：
無(wú)論是發(fā)射天線(xiàn)還是接受天線(xiàn)，它們總是在一定的頻率范圍內工作;
從減低帶外干擾信號的角度考慮，選填項的帶寬剛好滿(mǎn)足條件即可;
因為其工作頻率與射頻信號波長(cháng)相關(guān)。所以通過(guò)計算，電子標簽物理尺寸與波長(cháng)關(guān)系為
其中：
當電磁波經(jīng)過(guò)偶極天線(xiàn)附近時(shí)，電磁波進(jìn)入該天線(xiàn)的基材，其電磁波波長(cháng)發(fā)生變化，對應上面的公式。電磁波在該介質(zhì)中的波長(cháng)與標簽天線(xiàn)尺寸可以相比較，通過(guò)天線(xiàn)作用，電磁波將由天線(xiàn)轉化為電信號(包括電壓或者電流)。天線(xiàn)這時(shí)完成對該頻率電磁波的接收過(guò)程。
但是，當標簽粘貼在其他物質(zhì)表面(非推薦表面)，比如包裝箱等材料上，將導致偶極子天線(xiàn)周?chē)殡姵底兓?，如下圖示：
圖22 標簽疊層方式示意-空氣中
圖23 標簽疊層方式示意-外加黏貼材料
通?？梢允褂萌缦鹿焦浪悖?/p>
由于額外介質(zhì)的存在，甚至的多種介質(zhì)的復雜條件，介電常數將明顯升高。所以，套用上面公式，可以很明顯的算出，當標簽粘貼在介質(zhì)上面，會(huì )導致電磁波在介質(zhì)中波長(cháng)縮短。在天線(xiàn)物理長(cháng)度沒(méi)有變化的情況下，顯然介質(zhì)中的電磁波波長(cháng)與天線(xiàn)的物理尺寸的可比性被破壞。這樣，帶來(lái)兩個(gè)主要影響：
一方面導致電磁波的波長(cháng)與偶極子天線(xiàn)波長(cháng)的不匹配。由于電磁波長(cháng)度在介質(zhì)中的變化，而不適應與原本的天線(xiàn)長(cháng)度。在這種情況下，天線(xiàn)的物理長(cháng)度無(wú)法隨之改變。進(jìn)而導致標簽的頻響曲線(xiàn)向低端偏移。實(shí)際的結果就是，偶極子天線(xiàn)的工作頻率向低端移動(dòng)，天線(xiàn)在當下介質(zhì)條件下，對于電磁波的頻率選擇發(fā)生了變化，可以理解為該天線(xiàn)更匹配頻率較低、波長(cháng)較長(cháng)的天線(xiàn)。
另一方面，當標簽未使用在其推薦的介質(zhì)或者環(huán)境中時(shí)，由于標簽天線(xiàn)對于周?chē)饘侪h(huán)境的寄生效應，將改變天線(xiàn)端口處的天線(xiàn)阻抗，在這個(gè)過(guò)程中，天線(xiàn)與芯片間的反射增大，駐波比變差，天線(xiàn)效率變壞，最終導致標簽的識讀距離降低、識讀率下降、乃至于無(wú)法使用。
通過(guò)以上可以判定，標簽粘貼使用后在不同介質(zhì)條件下，其工作點(diǎn)必然偏移，其偏移量的大小取決于被黏貼物的相對介電常數。通過(guò)對不同標簽配合不同粘貼物的研究，其數據將直接指導標簽的用途，判斷標簽的性能。
下面以標簽為例進(jìn)行說(shuō)明不同條件、不同場(chǎng)景對標簽性能的影響：
使用Voyantic公司的Tagformance測試系統對Alien公司的標簽-ALN-9610進(jìn)行測試，測試條件符合標準對于周?chē)h(huán)境以及氣候溫度的要求。測試條件為空氣中，沒(méi)有粘貼標識物。圖24顯示了該標簽從850MHz到970MHz這個(gè)頻段的靈敏度對于頻率的響應。該靈敏度并不能直觀(guān)體現出該標簽的性能。
圖24 標簽ALN-9610在空氣中的激活靈敏度
圖25 標簽ALN-9610在空氣中的前向識讀距離
圖25將激活閾值轉化為識讀距離，這樣更加直觀(guān)的體現出該標簽在空氣中的性能表現。
圖26 標簽ALN-9610在不同條件下的激活靈敏度
搭建不同場(chǎng)景，將標簽分別放置在書(shū)、瓦楞紙箱以及聚氨酯泡棉上，通過(guò)該測試系統獲取到不同條件下標簽ALN-9610激活靈敏度的響應。圖26顯示，不同條件下，該標簽的激活靈敏度差異性很大，尤其是應用在書(shū)本的情況下，激活該標簽需要比較大的能量——說(shuō)明該標簽在實(shí)際應用中，并不適用于該種條件。相比較應用在書(shū)本的情況，應用在泡棉上，ALN-9610標簽表現尚可，應用在瓦楞紙箱上的情況下，該標簽性能表現比較優(yōu)異，整體的激活靈敏度較低，且在整個(gè)頻帶表現均衡。
圖27 標簽ALN-9610在不同條件下的前向識讀距離
圖27以更加直觀(guān)的方式展示了型號為ALN-9610標簽在不同標識物上的性能表現。同圖26中所展示的一樣，該款標簽的應用條件是存在明顯的選擇性的，這也證明，該款標簽在設計的時(shí)候就有這明確的應用范圍和使用邊界，該款標簽在實(shí)際應用過(guò)程中，本著(zhù)發(fā)揮標簽最佳性能、最大化提高客戶(hù)體驗的前提下，該類(lèi)標簽的應用范圍不應超出其設計邊界。
總結
盡管RFID技術(shù)有著(zhù)其他自動(dòng)識別技術(shù)所無(wú)法比擬的優(yōu)勢，但是在實(shí)際測試和日常應用過(guò)程中，還需要對該技術(shù)的應用邊界加以注意，通過(guò)相應的流程管理來(lái)規避該技術(shù)在實(shí)際應用中的問(wèn)題，做到物盡其用，充分發(fā)揮RFID技術(shù)在工作和生活中的巨大潛力和作用。
本文來(lái)源于：軍民通用標準化
