RFID系统读取距离测试及分析方法研究*

何　昭　全绍辉　陶　毅　黄见明　聂梅宁　陆希贤

(1.中国计量科学研究院，北京 100029；2.北京航空航天大学，北京 100191)

0　引言

随着无线通信技术的发展以及物联网应用的普及，射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术凭借其识别速度快、防伪性能好、存储信息量大、非接触/非可见数据存取等显著优点得到了国内外的广泛应用。其中比较有代表性的应用领域包括：第二代身份证、公交卡、高速收费ECT以及各大企事业单位的门禁系统等[1-3]。

在物流行业，库存盘点、流水分拣、进出登记等潜在应用需求对RFID系统的读取距离要求更为严格。准确获得RFID标签的方向图、估计阅读器和标签间的识别区域显得尤为重要，能够为RFID系统的评估和实际应用场景布置提供参考。

本文在对RFID标签灵敏度和方向图准确测量的基础上，对一个典型RFID系统的读取距离进行了测试研究，实测值与理论分析结果具有较好的一致性。该方法可以为RFID系统的评估、实际应用场景布置提供参考。

1　最大前向读取距离

标签的最大读取距离是超高频RFID标签最重要的性能参数。最直接的测量方法是实地测量，通过移动标签的距离来测试其最大读取距离。但是为了准确测量标签的读取距离，需要将标签置于微波暗室中进行测量。由于标签的性能差异比较大，一般的读取距离为3～8m，最大读取距离可能达到10m以上，这就要求微波暗室有较大DTU静区范围，从而暗室的整体尺寸很大。

为了能在较小的微波暗室或横电磁波屏蔽箱中进行测试，可以采用衰减读写器功率的办法进行间接测量。式(1)为标签灵敏度Pth与天线增益Gt、标签增益Gr、载波波长l、距离d、阅读器最小输出功率Pmin以及标签雷达截面t的关系式。如图1所示，标签被固定在与读写器天线一定距离的地方，通过衰减器调节读写器的输出功率来测试标签激活的最小的输出功率Pmin。再由读取距离d与该最小输出功率Pmin推算标签灵敏度Pth，也可进一步计算标准输出功率时的标签读取距离[4]。利用NI公司的PCI-5640R、PXI-5610、PXI-5600 RFID测试系统和聚星公司的RFID测试软件对标签性能进行测试，通过测试最小载波功率和最小后向散射功率，可以推算出标签灵敏度、标签最大前向读取距离、标签最大后向读取距离等性能指标。由于RFID系统中阅读器灵敏度相对较高，所以标签后向读取距离通常大于前向读取距离，因此，可以将最大前向读取距离作为标签最大读取距离。

(1)

图1　RFID标签最大读取距离测试

2　RFID标签方向图测量

由于RFID标签芯片的阻抗不是50Ω，并且没有标准的接口进行馈电，标签天线的辐射方向图不能采用传统的天线测量方法进行测量。与最大读取距离测量方法相似，超高频RFID标签天线的辐射方向图测量也可以采用反向散射法进行测量，测量标签在同一频点下不同方向角度的最小读取功率[4-5]。如图2所示，通过测量各个方向角度的强度Preceived，就可以推算出各个方向的标签天线增益。再将各个方向的增益按最大值进行归一化，如式(2)，则可以获得标签天线的辐射增益G(θ)。式中，Pt为发射功率，Gtag为各方向增益最大值。标签天线的辐射方向图主要反映RFID标签在各个方向上的读取性能。由于标签天线一般具有对称结构，因此，关心的主要是E-plane与H-plane的辐射方向图。

图2　RFID标签方向图测量示意图

(2)

3　实验结果

3.1　RFID标签方向图

根据上述的标签方向图测量原理，在微波暗室条件下对一款RFID标签的方向图测量结果如图3所示。其中(a)为E面的标签方向图，(b)为相应的极坐标图；(c)为H面的标签方向图，(d)为相应的极坐标图。

图3　RFID标签方向图测量结果(E面、H面)

3.2　读取距离仿真和实测验证

本文选取了一个实际通信场景实例来对RFID系统的读写距离进行理论分析和测试验证。其中，理论分析工作依靠北京航天航空大学开发的RFID信道模拟和测试平台完成[6]，利用厂家提供的阅读器天线增益和方向图、实测得到的标签灵敏度(如图4所示)和方向图、场景信道参数等信息仿真该RFID系统的读取距离。在阅读器的发射功率为25dBm、频率915MHz、收发天线增益9dBi、线损4dB的条件下，理论分析得到的最大读取距离为3.19m。利用NI公司的PCI-5640R、PXI-5610、PXI-5600 RFID测试系统和聚星公司的RFID测试软件，相应的标签灵敏度和前向读取距离分别如图4和图5所示，与理论分析结果相吻合。

图4　标签灵敏度

图5　标签前向读取距离

3.3　读取距离和发射功率

为验证信道的传输特性，额外选取了方向性更好的标准喇叭天线作为阅读器天线，检验短距离无线通信状态下RFID系统的发射功率和读取距离之间的关系。如图6所示，当发射功率分别为10dBm、15dBm、20dBm时，相应的实测最大读取距离依次为0.85m、1.50m和2.56m，与理论上“功率增大5dB，传输距离增至约1.78倍”的关系相符。因此，基于以上研究内容可以分析任意发射功率下的RFID系统读取距离和识别区域，为实际应用场景的评估和布局提供参考。

图6　最大读取距离和发射功率的关系

4　结论

本文通过对RFID标签灵敏度、方向图的测量，对一个典型RFID系统的读取距离进行了测试，与理论分析结果相吻合。该工作可以为RFID系统的评估、实际应用场景布置提供参考。

[1]邢荣欣.RFID标签专用测试系统的校准.电子测量技术，2011，34(3)

[2]田利梅，谭杰，关强，等.RFID测试标准和测试技术研究.信息技术与标准化，2009(5)

[3]马志刚.RFID测试解决方案.电信网技术，2012(1)

[4]章伟，甘泉.UHF RFID标签天线设计、仿真及实践.北京：电子工业出版社，2012

[5]P.V.Nikitin and K.V.S.Rao，“Gain measurement of antennas using RFID,” IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI)，pp.1012-1015，Jul 3-8.2011

[6]陆希贤，全绍辉.短程视距与非视距微波通信区模拟平台设计.2013年全国微波毫米波会议论文集[C]，2013