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RFID标签测试影响因素分析

2018/1/27    来源:公众号    作者:狄占林      
关键字:RFID  射频识别系统  
射频识别系统在应用过程中由于是通过无线传输实现识别过程,将遇到天线的摆放与标签应用相对方向的情况,在两者相互作用的过程中,由于两者都是天线,都存在极化和方向性问题,都会对系统的作用距离产生极大的影响。与此同时,系统中的天线还受到外界环境的影响,下面将分别进行解读。

    对于RFID系统,需要结合实际应用需求来选择天线种类。RFID系统工作距离主要与读写器向电子标签的激活能量有关系。天线是具有方向性的。天线无法保证在各个方向上的辐射功率是相同的,全向天线是不存在的。这就要求,在RFID系统中,对于天线的使用就必须要考虑天线的方向性。
  
    在RFID系统实际应用中,读写器天线与标签天线的相对位置关系除了考虑天线和标签的极化方向问题,还应尽量将各自的最大增益方向调整至在它们之间的直线上,这样才能保证RFID系统在应用过程中有更好的性能表现,获得最好的识读距离,最大程度上提高客户的使用体验。
  
    3外界环境影响
  
    虽然,RFID产品在设计过程中会考虑各种外界环境对系统的影响,包括:高低温、高湿热、雨雪、盐雾以及灰尘等。但,即使是这样,设备的使用也无法无视环境条件、气候条件。在特殊情况下,特殊的环境条件和气候条件都是对设备的制约,这种制约同样适用于射频识别系统。
  
    射频识别系统作为无线通信系统的一部分,必须遵循无线电传输的基本要求。除天线和标签外,均可以通过安装等手段进行防护和优化,包括:使用屏蔽手段保护系统数据线、电源线以及射频信号线缆,通过保证线缆弯曲半径等手段来保证信号可以在线缆中,以最好的形式进行传输而最大程度地抑制反射信号;同时,通过各种手段保证系统的IP防护等级、环境适应性以及振动要求。但是对于天线和标签部分,必须将这两部分暴露在空间中,用于实现射频信号的发送与接收。恰恰是天线和标签部分,是系统中最容易被影响的部分。从射频识别系统角度看天线,天线就是读写器内部电路向以空间为传输介质的电路形式的延伸。所以如上文讨论,天线本身带有的方向性属性是客观存在的,并不因无法用肉眼观察而不存在。所以,系统尤其是针对天线和标签,在安装和使用过程中必须考虑天线和标签周围环境问题,特别是非金属环境以及不同介质的影响。下面主要讨论不同介质对于天线的影响。
  
    射频信号作为无线电波,除了遵循麦克斯韦方程外,其传播过程中会受其传输介质的影响。当天线设计完成后,保证其周围应用环境的前提下,其天线的空间特性已经确定。当天线的物理形态没有发生改变的情况下,其空间特性不会发生明显的变化。在实际应用过程中,RFID标签识读率不高、识读距离不远,往往都是破坏了天线对芯片的匹配以及天线本身对于环境的要求。
  
    目前,绝大部分UHF(特高频)标签采用偶极子天线设计,其特点是:
  
    无论是发射天线还是接受天线,它们总是在一定的频率范围内工作;
  
    从减低带外干扰信号的角度考虑,选填项的带宽刚好满足条件即可;
  
    因为其工作频率与射频信号波长相关。所以通过计算,电子标签物理尺寸与波长关系为
 
RFID标签测试影响因素分析
  
    其中:
 
RFID标签测试影响因素分析
  
    当电磁波经过偶极天线附近时,电磁波进入该天线的基材,其电磁波波长发生变化,对应上面的公式。电磁波在该介质中的波长与标签天线尺寸可以相比较,通过天线作用,电磁波将由天线转化为电信号(包括电压或者电流)。天线这时完成对该频率电磁波的接收过程。
  
    但是,当标签粘贴在其他物质表面(非推荐表面),比如包装箱等材料上,将导致偶极子天线周围介电常数变化,如下图示:
 
标签叠层方式示意-空气中
  图22 标签叠层方式示意-空气中
 
标签叠层方式示意-外加黏贴材料
  图23 标签叠层方式示意-外加黏贴材料
  
    通常可以使用如下公式估算:
 
RFID标签测试影响因素分析
  
    由于额外介质的存在,甚至的多种介质的复杂条件,介电常数将明显升高。所以,套用上面公式,可以很明显的算出,当标签粘贴在介质上面,会导致电磁波在介质中波长缩短。在天线物理长度没有变化的情况下,显然介质中的电磁波波长与天线的物理尺寸的可比性被破坏。这样,带来两个主要影响:
  
    一方面导致电磁波的波长与偶极子天线波长的不匹配。由于电磁波长度在介质中的变化,而不适应与原本的天线长度。在这种情况下,天线的物理长度无法随之改变。进而导致标签的频响曲线向低端偏移。实际的结果就是,偶极子天线的工作频率向低端移动,天线在当下介质条件下,对于电磁波的频率选择发生了变化,可以理解为该天线更匹配频率较低、波长较长的天线。
  
    另一方面,当标签未使用在其推荐的介质或者环境中时,由于标签天线对于周围金属环境的寄生效应,将改变天线端口处的天线阻抗,在这个过程中,天线与芯片间的反射增大,驻波比变差,天线效率变坏,最终导致标签的识读距离降低、识读率下降、乃至于无法使用。
  
    通过以上可以判定,标签粘贴使用后在不同介质条件下,其工作点必然偏移,其偏移量的大小取决于被黏贴物的相对介电常数。通过对不同标签配合不同粘贴物的研究,其数据将直接指导标签的用途,判断标签的性能。
  
    下面以标签为例进行说明不同条件、不同场景对标签性能的影响:
  
    使用Voyantic公司的Tagformance测试系统对Alien公司的标签-ALN-9610进行测试,测试条件符合标准对于周围环境以及气候温度的要求。测试条件为空气中,没有粘贴标识物。图24显示了该标签从850MHz到970MHz这个频段的灵敏度对于频率的响应。该灵敏度并不能直观体现出该标签的性能。
 
RFID标签测试影响因素分析
  图24 标签ALN-9610在空气中的激活灵敏度
 
RFID标签测试影响因素分析
  图25 标签ALN-9610在空气中的前向识读距离
 
  图25将激活阈值转化为识读距离,这样更加直观的体现出该标签在空气中的性能表现。
 
RFID标签测试影响因素分析
图26 标签ALN-9610在不同条件下的激活灵敏度
  
    搭建不同场景,将标签分别放置在书、瓦楞纸箱以及聚氨酯泡棉上,通过该测试系统获取到不同条件下标签ALN-9610激活灵敏度的响应。图26显示,不同条件下,该标签的激活灵敏度差异性很大,尤其是应用在书本的情况下,激活该标签需要比较大的能量——说明该标签在实际应用中,并不适用于该种条件。相比较应用在书本的情况,应用在泡棉上,ALN-9610标签表现尚可,应用在瓦楞纸箱上的情况下,该标签性能表现比较优异,整体的激活灵敏度较低,且在整个频带表现均衡。
 
RFID标签测试影响因素分析
  图27 标签ALN-9610在不同条件下的前向识读距离
 
  图27以更加直观的方式展示了型号为ALN-9610标签在不同标识物上的性能表现。同图26中所展示的一样,该款标签的应用条件是存在明显的选择性的,这也证明,该款标签在设计的时候就有这明确的应用范围和使用边界,该款标签在实际应用过程中,本着发挥标签最佳性能、最大化提高客户体验的前提下,该类标签的应用范围不应超出其设计边界。
  
    总结
  
    尽管RFID技术有着其他自动识别技术所无法比拟的优势,但是在实际测试和日常应用过程中,还需要对该技术的应用边界加以注意,通过相应的流程管理来规避该技术在实际应用中的问题,做到物尽其用,充分发挥RFID技术在工作和生活中的巨大潜力和作用。
 
责任编辑:李欢
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