RFID知識
RFID標(biāo)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(xiàn)手段，憑借著RFID技術(shù)獨(dú)有的特點(diǎn)：遠(yuǎn)距離識別、多目標(biāo)識別。RFID技術(shù)構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)以及各種工業(yè)自動化領(lǐng)域的基石。但是，由于RFID技術(shù)同傳統(tǒng)的識別技術(shù)存在明顯的差別，需要在應(yīng)用過程中根據(jù)本身應(yīng)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(xiàn)出不同于其他識別技術(shù)的優(yōu)勢。
在各種自動識別技術(shù)中，二維碼識別和語音識別技術(shù)目前應(yīng)用較為廣泛，兩者都伴隨著各種智能終端的發(fā)展而快速普及。兩種技術(shù)在應(yīng)用之初，使用者就已經(jīng)對其技術(shù)有一定的認(rèn)識，比如：在使用二維碼識別技術(shù)時，需要二維碼清晰可變，應(yīng)用環(huán)境光照適宜，如常見的支付場景;而在使用語音識別技術(shù)時，通常使用者都會選擇在比較安靜的場所，對準(zhǔn)話筒并適當(dāng)提高音量，如使用微信語音聊天時。
在使用RFID技術(shù)時，使用者或者測試者應(yīng)注意哪些問題呢?
射頻識別系統(tǒng)在應(yīng)用過程中由于是通過無線傳輸實(shí)現(xiàn)識別過程，將遇到天線的擺放與標(biāo)簽應(yīng)用相對方向的情況，在兩者相互作用的過程中，由于兩者都是天線，都存在極化和方向性問題，都會對系統(tǒng)的作用距離產(chǎn)生極大的影響。與此同時，系統(tǒng)中的天線還受到外界環(huán)境的影響，下面將分別進(jìn)行解讀。
1天線極化
天線的極化通常指天線輻射電磁波中電場的方向，也就是時變電場矢量端點(diǎn)運(yùn)動軌跡的形狀、取向和旋轉(zhuǎn)方向。常見的有電場矢量端點(diǎn)軌跡呈直線、橢圓和圓形等形狀。
當(dāng)RFID系統(tǒng)使用線極化天線識讀線極化射頻標(biāo)簽，因?yàn)闃O化方向的問題。為了達(dá)到最好的識讀效果和最遠(yuǎn)的作用距離，要求兩者極化方向必須相同。當(dāng)兩者極化方向并不相同時，識讀效果和作用距離將隨著夾角的增大迅速變差，當(dāng)兩者垂直正交時，理論上標(biāo)簽無法被識讀。他們之間的關(guān)系可以用來描述，其中，理解為兩個矢量：對應(yīng)線性天線和線性標(biāo)簽的方向性，而則是兩個矢量的夾角，夾角越大，兩個矢量的點(diǎn)乘就越小。當(dāng)夾角達(dá)到90°時，乘積為0。
下面通過測試說明：測試所使用的設(shè)備為Voyantic公司生產(chǎn)的明星產(chǎn)品——Tagformance標(biāo)簽性能測試系統(tǒng)，Tagformance標(biāo)簽性能測試系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于世界各地實(shí)驗(yàn)室、科研機(jī)構(gòu)、標(biāo)簽設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家、系統(tǒng)集成商與RFID終端用戶。該測試系統(tǒng)將RFID測試技術(shù)能力提升到一個新水平，國外近百篇科技出版物談及Tagformance標(biāo)簽性能測試系統(tǒng)和其它Voyantic產(chǎn)品。著名的阿肯色大學(xué)RFID研發(fā)中心采用的就是Tagformance標(biāo)簽性能測試系統(tǒng)。
測試對測試環(huán)境有要求：周圍40cm范圍內(nèi)，不允許有大金屬存在，防止引入其他影響。
該系統(tǒng)使用線極化天線，如圖7所示，通過設(shè)置掃頻900MHz~930MHz，獲得標(biāo)簽的激活靈敏度，如下圖所示：
圖11 天線與標(biāo)簽夾角為0°時標(biāo)簽的激活靈敏度
天線與標(biāo)簽夾角為0°時所測得的標(biāo)簽前向激活靈敏度比較優(yōu)秀，尤其在907MHz~909MHz這一段，表現(xiàn)非常優(yōu)秀。對應(yīng)的前線鏈路識讀距離見下圖所示：
圖12 天線與標(biāo)簽夾角為0°時標(biāo)簽對應(yīng)的前向識讀距離
與上面圖11對應(yīng)，圖12中顯示天線與標(biāo)簽夾角為0°時所測得的標(biāo)簽前向識讀距離整體表現(xiàn)很好，在整個測試頻段，均超過了10米。尤其在907MHz~909MHz這一段甚至超過了13米，表現(xiàn)非常優(yōu)秀。
將標(biāo)簽調(diào)整方向，以圖所示的方式進(jìn)行標(biāo)簽測試，分別得到在天線與標(biāo)簽夾角為45°時標(biāo)簽的激活靈敏度和對應(yīng)的前向識讀距離。如圖13和圖14所示，標(biāo)簽旋轉(zhuǎn)45°后，標(biāo)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(tǒng)的作用距離變差了。當(dāng)線極化天線與線極化標(biāo)簽存在45°夾角的時，在讀寫器發(fā)射功率不變的情況下，標(biāo)簽接收到的能量減小了，最終導(dǎo)致作用距離變小。
圖13 天線與標(biāo)簽夾角為45°時標(biāo)簽的激活靈敏度
圖14 天線與標(biāo)簽夾角為45°時標(biāo)簽對應(yīng)的前向識讀距離
同樣,將標(biāo)簽調(diào)整方向，以圖10所示的方式進(jìn)行標(biāo)簽測試，分別得到在天線與標(biāo)簽夾角為90°時標(biāo)簽的激活靈敏度和對應(yīng)的前向識讀距離。標(biāo)簽旋轉(zhuǎn)90°后，讀寫器僅能在900MHz~909MHz的范圍內(nèi)識讀標(biāo)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(biāo)記處顯示讀寫器與標(biāo)簽之間的識讀功能基本喪失。所以，當(dāng)線極化天線與線極化標(biāo)簽存在90°夾角的時，在讀寫器發(fā)射功率不變的情況下，測試曲線不連續(xù)，一部分頻點(diǎn)無返回信號，標(biāo)簽基本很難接收到能量，最終導(dǎo)致系統(tǒng)功能的喪失。
圖15 天線與標(biāo)簽夾角為90°時標(biāo)簽的激活靈敏度
圖16 天線與標(biāo)簽夾角為90°時標(biāo)簽對應(yīng)的前向識讀距離
通過將以上三組數(shù)據(jù)整合到一起進(jìn)行對比，如下圖。
圖17 天線與標(biāo)簽不同夾角條件下標(biāo)簽激活靈敏度
圖18 天線與標(biāo)簽不同夾角條件下標(biāo)簽識讀距離
而對于反向散射鏈路，由于標(biāo)簽反向散射信號的生成都是基于標(biāo)簽對前向信號獲取的能量(有源標(biāo)簽的反向信號不同于無源標(biāo)簽，這里僅僅通過無源標(biāo)簽來說明)。其實(shí)，對于無源標(biāo)簽所有功能的實(shí)現(xiàn)，都是依靠來自于對于讀寫器的前向信號。所以對于無源標(biāo)簽而言，理論上，前向信號越好代表標(biāo)簽獲取的能量越大，反向信號越好，兩者呈正相關(guān)。
通過數(shù)據(jù)，已經(jīng)比較直觀的反應(yīng)天線的極化對于采用線極化天線標(biāo)簽的作用距離的影響。對于這種系統(tǒng)，在日常應(yīng)用過程中必須注意。
而對于采用圓極化天線的讀寫器，在同等的發(fā)射功率下，圓極化電磁場可以分解為兩個正交的線極化電磁場。當(dāng)圓極化天線配合線極化標(biāo)簽使用時，圓極化電磁場等同正交的兩個線極化電磁場，與標(biāo)簽極化方向相同的電磁場用于激活標(biāo)簽，與標(biāo)簽極化方向正交的電磁場則毫無作用，由于圓極化天線所激活的全部電磁場僅有一半用于激活標(biāo)簽，所以其作用效果沒有線極化天線效果好，因?yàn)樵谕瑯拥陌l(fā)射功率下，線極化激活的全部電磁場均用于激活標(biāo)簽，而圓極化天線僅僅有一半，從數(shù)值上講，兩者相差3dB。當(dāng)采用圓極化標(biāo)簽時，配合線極化天線使用時作用距離表現(xiàn)尚可，配合圓極化天線性能表現(xiàn)最差。
2天線的方向性
在無線通信領(lǐng)域，天線是不可缺少的組成部分。各種信息加載與電磁波時，都需要經(jīng)由天線才能完成信號的傳輸。同時，天線不只是傳播信號，非信號的能量輻射的發(fā)射和接收也都是由天線來完成。作為全部電磁波的收發(fā)端口，天線對于RFID系統(tǒng)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，天線的方向性就顯得尤為重要。天線之所以多種多樣，往往都是由于天線的方向方面的用途所決定的。按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等;按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等。對于天線，它的輻射場非常重要，任何一種天線都有其對應(yīng)的方向性并表現(xiàn)出不同的輻射特性。應(yīng)用在不同領(lǐng)域的天線就是根據(jù)在該領(lǐng)域中的天線輻射特性來進(jìn)行天線的選擇和優(yōu)化的。舉例說明，雷達(dá)，用于偵測不明飛行器，需要天線陣發(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，考慮到覆蓋用戶面積因素，需要天線盡可能將能量集中在一個區(qū)域內(nèi)，這樣才能保證該區(qū)域內(nèi)的用戶的通信需求。
下面以偶極子天線進(jìn)行說明：
圖19 偶極子天線E-plant面增益示意圖
前面提到，全向天線是不存在的，圖19顯示球坐標(biāo)系中偶極子天線在E-plant面的輻射方向圖。可以發(fā)現(xiàn)在角0°和-180°時這兩個方向上，天線在這兩個方向上基本不發(fā)射能量，隨著角度的變化，天線在對應(yīng)的角度上的增益逐漸變大，并在90°和-90°達(dá)到最大，為增益最大方向。
圖20 偶極子天線H-plant面增益示意圖
圖20顯示偶極子天線H-plant面的增益情況，在這一平面分別有兩個圓形增益軌跡，分別對應(yīng)0°和90°的增益。在H-plant面上，天線是各向同性的——在H-plant面上，增益在各個方向上是相同的。對應(yīng)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 偶極子天線增益的3D視圖
圖21以3D的視角展示了偶極子天線的增益分布情況。天線在Z軸方向(天線平行方向)增益最低，并隨著角度增加，增益變大，當(dāng)角達(dá)到90°時，增益達(dá)到最大，并且增益不隨著角的改變而變化。從圖21中也可以通過顏色更加直觀的辨別出——紅顏色代表的增益最好;藍(lán)色代表的增益最差。整體呈現(xiàn)蘋果狀向周圍輻射。
對于RFID系統(tǒng)，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求來選擇天線種類。RFID系統(tǒng)工作距離主要與讀寫器向電子標(biāo)簽的激活能量有關(guān)系。天線是具有方向性的。天線無法保證在各個方向上的輻射功率是相同的，全向天線是不存在的。這就要求，在RFID系統(tǒng)中，對于天線的使用就必須要考慮天線的方向性。
在RFID系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，讀寫器天線與標(biāo)簽天線的相對位置關(guān)系除了考慮天線和標(biāo)簽的極化方向問題，還應(yīng)盡量將各自的最大增益方向調(diào)整至在它們之間的直線上，這樣才能保證RFID系統(tǒng)在應(yīng)用過程中有更好的性能表現(xiàn)，獲得最好的識讀距離，最大程度上提高客戶的使用體驗(yàn)。
3外界環(huán)境影響
雖然，RFID產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中會考慮各種外界環(huán)境對系統(tǒng)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(shè)備的使用也無法無視環(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(shè)備的制約，這種制約同樣適用于射頻識別系統(tǒng)。
射頻識別系統(tǒng)作為無線通信系統(tǒng)的一部分，必須遵循無線電傳輸?shù)幕疽蟆３炀€和標(biāo)簽外，均可以通過安裝等手段進(jìn)行防護(hù)和優(yōu)化，包括：使用屏蔽手段保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)線、電源線以及射頻信號線纜，通過保證線纜彎曲半徑等手段來保證信號可以在線纜中，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，通過各種手段保證系統(tǒng)的IP防護(hù)等級、環(huán)境適應(yīng)性以及振動要求。但是對于天線和標(biāo)簽部分，必須將這兩部分暴露在空間中，用于實(shí)現(xiàn)射頻信號的發(fā)送與接收。恰恰是天線和標(biāo)簽部分，是系統(tǒng)中最容易被影響的部分。從射頻識別系統(tǒng)角度看天線，天線就是讀寫器內(nèi)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，天線本身帶有的方向性屬性是客觀存在的，并不因無法用肉眼觀察而不存在。所以，系統(tǒng)尤其是針對天線和標(biāo)簽，在安裝和使用過程中必須考慮天線和標(biāo)簽周圍環(huán)境問題，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)對于天線的影響。
射頻信號作為無線電波，除了遵循麥克斯韋方程外，其傳播過程中會受其傳輸介質(zhì)的影響。當(dāng)天線設(shè)計(jì)完成后，保證其周圍應(yīng)用環(huán)境的前提下，其天線的空間特性已經(jīng)確定。當(dāng)天線的物理形態(tài)沒有發(fā)生改變的情況下，其空間特性不會發(fā)生明顯的變化。在實(shí)際應(yīng)用過程中，RFID標(biāo)簽識讀率不高、識讀距離不遠(yuǎn)，往往都是破壞了天線對芯片的匹配以及天線本身對于環(huán)境的要求。
目前，絕大部分UHF(特高頻)標(biāo)簽采用偶極子天線設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是：
無論是發(fā)射天線還是接受天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作;
從減低帶外干擾信號的角度考慮，選填項(xiàng)的帶寬剛好滿足條件即可;
因?yàn)槠涔ぷ黝l率與射頻信號波長相關(guān)。所以通過計(jì)算，電子標(biāo)簽物理尺寸與波長關(guān)系為
其中：
當(dāng)電磁波經(jīng)過偶極天線附近時，電磁波進(jìn)入該天線的基材，其電磁波波長發(fā)生變化，對應(yīng)上面的公式。電磁波在該介質(zhì)中的波長與標(biāo)簽天線尺寸可以相比較，通過天線作用，電磁波將由天線轉(zhuǎn)化為電信號(包括電壓或者電流)。天線這時完成對該頻率電磁波的接收過程。
但是，當(dāng)標(biāo)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(dǎo)致偶極子天線周圍介電常數(shù)變化，如下圖示：
圖22 標(biāo)簽疊層方式示意-空氣中
圖23 標(biāo)簽疊層方式示意-外加黏貼材料
通常可以使用如下公式估算：
由于額外介質(zhì)的存在，甚至的多種介質(zhì)的復(fù)雜條件，介電常數(shù)將明顯升高。所以，套用上面公式，可以很明顯的算出，當(dāng)標(biāo)簽粘貼在介質(zhì)上面，會導(dǎo)致電磁波在介質(zhì)中波長縮短。在天線物理長度沒有變化的情況下，顯然介質(zhì)中的電磁波波長與天線的物理尺寸的可比性被破壞。這樣，帶來兩個主要影響：
一方面導(dǎo)致電磁波的波長與偶極子天線波長的不匹配。由于電磁波長度在介質(zhì)中的變化，而不適應(yīng)與原本的天線長度。在這種情況下，天線的物理長度無法隨之改變。進(jìn)而導(dǎo)致標(biāo)簽的頻響曲線向低端偏移。實(shí)際的結(jié)果就是，偶極子天線的工作頻率向低端移動，天線在當(dāng)下介質(zhì)條件下，對于電磁波的頻率選擇發(fā)生了變化，可以理解為該天線更匹配頻率較低、波長較長的天線。
另一方面，當(dāng)標(biāo)簽未使用在其推薦的介質(zhì)或者環(huán)境中時，由于標(biāo)簽天線對于周圍金屬環(huán)境的寄生效應(yīng)，將改變天線端口處的天線阻抗，在這個過程中，天線與芯片間的反射增大，駐波比變差，天線效率變壞，最終導(dǎo)致標(biāo)簽的識讀距離降低、識讀率下降、乃至于無法使用。
通過以上可以判定，標(biāo)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(shù)。通過對不同標(biāo)簽配合不同粘貼物的研究，其數(shù)據(jù)將直接指導(dǎo)標(biāo)簽的用途，判斷標(biāo)簽的性能。
下面以標(biāo)簽為例進(jìn)行說明不同條件、不同場景對標(biāo)簽性能的影響：
使用Voyantic公司的Tagformance測試系統(tǒng)對Alien公司的標(biāo)簽-ALN-9610進(jìn)行測試，測試條件符合標(biāo)準(zhǔn)對于周圍環(huán)境以及氣候溫度的要求。測試條件為空氣中，沒有粘貼標(biāo)識物。圖24顯示了該標(biāo)簽從850MHz到970MHz這個頻段的靈敏度對于頻率的響應(yīng)。該靈敏度并不能直觀體現(xiàn)出該標(biāo)簽的性能。
圖24 標(biāo)簽ALN-9610在空氣中的激活靈敏度
圖25 標(biāo)簽ALN-9610在空氣中的前向識讀距離
圖25將激活閾值轉(zhuǎn)化為識讀距離，這樣更加直觀的體現(xiàn)出該標(biāo)簽在空氣中的性能表現(xiàn)。
圖26 標(biāo)簽ALN-9610在不同條件下的激活靈敏度
搭建不同場景，將標(biāo)簽分別放置在書、瓦楞紙箱以及聚氨酯泡棉上，通過該測試系統(tǒng)獲取到不同條件下標(biāo)簽ALN-9610激活靈敏度的響應(yīng)。圖26顯示，不同條件下，該標(biāo)簽的激活靈敏度差異性很大，尤其是應(yīng)用在書本的情況下，激活該標(biāo)簽需要比較大的能量——說明該標(biāo)簽在實(shí)際應(yīng)用中，并不適用于該種條件。相比較應(yīng)用在書本的情況，應(yīng)用在泡棉上，ALN-9610標(biāo)簽表現(xiàn)尚可，應(yīng)用在瓦楞紙箱上的情況下，該標(biāo)簽性能表現(xiàn)比較優(yōu)異，整體的激活靈敏度較低，且在整個頻帶表現(xiàn)均衡。
圖27 標(biāo)簽ALN-9610在不同條件下的前向識讀距離
圖27以更加直觀的方式展示了型號為ALN-9610標(biāo)簽在不同標(biāo)識物上的性能表現(xiàn)。同圖26中所展示的一樣，該款標(biāo)簽的應(yīng)用條件是存在明顯的選擇性的，這也證明，該款標(biāo)簽在設(shè)計(jì)的時候就有這明確的應(yīng)用范圍和使用邊界，該款標(biāo)簽在實(shí)際應(yīng)用過程中，本著發(fā)揮標(biāo)簽最佳性能、最大化提高客戶體驗(yàn)的前提下，該類標(biāo)簽的應(yīng)用范圍不應(yīng)超出其設(shè)計(jì)邊界。
總結(jié)
盡管RFID技術(shù)有著其他自動識別技術(shù)所無法比擬的優(yōu)勢，但是在實(shí)際測試和日常應(yīng)用過程中，還需要對該技術(shù)的應(yīng)用邊界加以注意，通過相應(yīng)的流程管理來規(guī)避該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的問題，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。
本文來源于：軍民通用標(biāo)準(zhǔn)化