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RFID标签测试影响因素分析(二)

2018-01-22 12:00:03 广州睿丰德信息科技有限公司 阅读

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

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其中:

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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:

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图22 标签叠层方式示意-空气中

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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:

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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。

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图24 标签ALN-9610在空气中的激活灵敏度

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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。

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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。

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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。