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FID专题:38 阅读器性能测试

2022-10-18 11:10:58 明申科技 13

6.1.2阅读器性能测试

阅读器的核心指标是灵敏度(包含载波抵消)和输出功率,当大家选型时会发现,阅读器供应商的射频参数都差不多,那么怎么样才能知道阅读器的性能好坏呢?本节不讨论阅读器的外围接口和支持的特殊功能,只考虑阅读器的输出功率、灵敏度和多标签性能。

01、阅读器的输出功率

阅读器的输出功率在符合射频指标认证规范(6.2.2节有详细介绍)的前提下,需要对其输出功率的大小、精度以及工作频率的精度进行测试。这些参数的测量需要一台专用设备—频谱分析仪。

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器,用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量,可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数,是一种多用途的电子测量仪器,如图6-17所示为一台频谱分析仪的照片。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。


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图6-17频谱分析仪

传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机,输入信号经变频器变频后由低通滤器输出,滤波输出作为垂直分量,频率作为水平分量,在示波器屏幕上绘出坐标图,就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率,图6-17的频谱范围为9kHz到26.5GHz。频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一。无论测量连续信号或调制信号,频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是,传统的频谱分析仪也有明显的缺点,它只能测量频率的幅度,缺少相位信息,因此属于标量仪器而不是矢量仪器。早期超高频RFID阅读器的测试中,频谱分析仪主要的功能是测试阅读器的输出频率和输出功率。

掌握频谱分析仪的操作后,就可以对阅读器进行测试了。首先需要测试其输出功率的准确性,测试流程为:将阅读器的输出端口通过馈线连接衰减器和频谱分析仪的输入接口,这里连接衰减器的原因是阅读器的输出功率太大,会损坏频谱分析仪,频谱分析仪很贵,一定要爱护。图6-17中频谱仪的输入端口下面有一排警示小字,说明该射频的输入功率不能超过30dBm。由于阅读器的输出功率大多超过30dBm,因此一定要增加一个衰减器,衰减值建议为20-30dB左右。然后启动阅读器发射特定功率的寻卡命令,此时频谱分析仪的显示屏上会显示出信号的跳动,记录最大功率;改变阅读器的输出功率后再次发送寻卡命令并记录频谱仪最大示数。对于频率精度的测试,先固定一个频率并设置阅读器发送载波信号,再从频谱分析仪上记录中心频率。如表6-2所示为测试记录表示例,需要在多个功率点和多个频率点进行测试并记录。

表6-2 功率和频率测试记录表


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测试结果需要关注的主要有三个参数,分别是:输出的最大功率,一般情况下输出功率越大工作距离越远;功率精度,实测功率与设置功率差值越小越好;频率精度,实测频率与设置频率差值越小越好。

02、阅读器的灵敏度测试

超高频RFID系统中的阅读器灵敏度与载波泄漏关系很大,单纯的通过阅读器读取标签的距离无法评测阅读器的灵敏度,因为系统中一般情况下为标签能量受限,对于阅读器的灵敏度没有指导意义。实际上阅读器的灵敏度对比是与其载波抵消能力的对比,需要充分考虑不同载波泄漏下的灵敏度。市面上有一些阅读器测试灵敏度测试的专用设备(6.2.1节介绍的NI设备就具有该功能),其方法为虚拟一个电子标签改变负载调制的强度,从而测试阅读器的灵敏度。然而阅读器灵敏度的关键点在于载波抵消功能,当配套性能良好的阅读器天线时,其灵敏度一定非常好,即使专用设备测试出灵敏度数值也没有意义,因为对于整个系统的工作距离没有任何影响。该测试的重点是构造一个不同载波泄漏的环境,在此环境下测试灵敏度。

构造不同载波泄漏的环境有两种方法,分别是选择多种不同输入反射系数的天线或制作多个不同输入反射系数的匹配电路。此时需要使用到一台矢量网络分析仪。

网络分析仪是一种能在宽频带内进行扫描测量以确定网络参量的综合性的微波测量仪器。全称是微波网络分析仪。网络分析仪是测量网络参数的一种新型仪器,可直接测量有源或无源、可逆或不可逆的双口和单口网络的复数散射参数,并以扫频方式给出各散射参数的幅度、相位频率特性。自动网络分析仪能对测量结果逐点进行误差修正,并换算出其它几十种网络参数,如输入反射系数、输出反射系数、电压驻波比、阻抗(或导纳)、衰减(或增益)、相移和群延时等传输参数以及隔离度和定向度等。如图6-12所示,为一款网络分析仪的实物照片。


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图6-18 矢量网络分析照片

矢量网络分析仪自带了一个信号发生器,可以对一个频段进行频率扫描。如果是单端口测量,将激励信号加在端口上,通过测量反射回来信号的幅度和相位,就可以判断出阻抗或者反射情况.。而对于双端口测量,则还可以测量传输参数。由于受分布参数等影响明显,网络分析仪使用之前必须校准。

在微波电路的设计和计算中,需要对所用元器件特性的全部网络参数进行全面定值。而微波元器件中,包括微波晶体管,大多采用S参数(散射参数)来表述它们的特性。一般二端口网络需要有四个散射参数(S11、S22、S12和S21),才能对其全面定值。因此往往采用测量的方法来确定网络的参数。在测量阅读器天线或匹配电路时,采用S11测量即可,代表的物理意义为输入天线的能量中,反射回来的能量强度。

在超高频RFID系统开发中,矢量网络分析仪是非常重要的设备。尤其对于阅读器天线开发厂商,每天都要用到矢量网络分析仪。

在构造阅读器测试环境时,由于寻找多款不同输入反射系数的阅读器天线非常困难,最好的方式是通过自制匹配电路的方式实现多种不同的载波泄漏。制作11组匹配电路,当匹配电路连接一个固定天线(小尺寸、小增益天线)时,其天线的输入反射系数S11从-5dB到-15dB不等(若测试不带有载波抵消的功能的阅读器,需要选择从-5dB到-20dB的匹配电路),该参数需要在矢量网络分析仪下测试得到。下一步是架设测试现场环境,大尺寸的微波暗室是最好的选择,如果没有微波暗室尽量在室外空旷的环境中进行测试。固定阅读器天线,设置阅读器发送最大输出功率,测量一个固定标签的最远工作距离。不断更换匹配电路板,从-15dB开始测试,逐渐增加载波泄漏强度,直到-5dB。测试中使用的标签是一款高性能远距离的标签,且已知其灵敏度和反向散射强度的,读者可以参照6.1.1节,使用Tagformance获得一个标签的上述参数。测试结果记录到表6-3的距离一栏中,表中的实测数据是笔者对一台阅读器灵敏度测试时的原始数据,作为参考。

表6-3 阅读器性能测试记录表


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在阅读器载波泄漏不严重时,系统的工作距离为正向受限,可以通过2-12image.png计算出来,其中Pt为阅读器的最大发射功率,Gt为阅读器天线的增益,Pr为标签的灵敏度,λ由阅读器的当前工作频率决定。读者可以自行带入数据进行计算,看看此时计算的R是否与实测的数据相同(如果在室外测试,应先学习6.1.3节的应用测试方法)。如果计算数值与实测数值非常接近,则说明正向测试部分达到预期效果。若测试结果小于预期,需要查看是否因为长时间发射引起发热导致输出功率变小。该测试系统中最大输出功率Pt=33dBm,阅读器天线的增益为线极化Gt=2dBi,标签灵敏度Pr=-20dBm,工作频率为922.5MHz,通过计算得到R=14.56米,与实测数据相似。

如表6-3所示,在最初更换匹配电路后,系统的工作距离不变,此时还为正向受限。当更换输入反射系数更大的匹配电路后,阅读器载波泄漏越来越严重,导致工作距离突然变近,此时系统为反向受限,其工作距离可以根据式2-11:image.png计算出来,其中标签反向散射的能量为Ptag,Preader为阅读器的灵敏度,Greader为阅读器的天线增益,f为阅读器的当前工作频率,R为表格中实测的工作距离。通过上述测试和计算,可以得到重要的阅读器性能参数,不同载波泄漏下的灵敏度。该测试系统中反向散射能量为Ptag=-26dBm,阅读器天线的增益为线极化Greader=Gt=2dBi,工作频率f=922.5MHz,将不同S11对应测试的距离R带入公式后可以计算出Preader,如表6-3最后一行的灵敏度所示。可以看到随着载波泄漏的增加,灵敏度随之下降的情况。该特征参数是对于阅读器灵敏度最有效的展现形式。

03、多标签性能测试

多标签性能是阅读器的重要指标,但如何评测多标签效果在行业中一直缺乏有效的方式,许多销售人员口中鼓吹的多标签性能已经成为一门玄学。多标签性能主要是由阅读器的灵敏度和多标签算法(多标签算法详解见3.3节)决定。主要评测标准为两项,对于大量标签场景的读全率以及读全标签所需要的时间。

多标签测试最大的缺点是没有一套测试标准,不同的用户无法重现测试结果。只有在一些多标签的应用中,几家阅读器厂商进行PK的时候会在固定的场景中反复测试。当这个场景中的标签或摆放位置发生变化时,之前的测试数据就没有参考价值了,必须重新开始测试。因此提出两种测试方法,第一种是利用标签板的测试环境,测试环境单一,对于实际场景的重现性较弱;第二种PCB板测试环境,可以做多种设置,对不同应用场景的重现性较好。

针对第一种测试环境,只需要一个天线对着数量已知且全部可以激活的标签即可。具体实现方式为做几个标签粘贴数量不同的泡沫白板(50个,100个,200个),固定白板与天线的距离。阅读器连接天线后,分别对每个白板进行识别,记录每次盘点完所有标签需要的时间,多次记录后取平均值。为了模拟实际场景中的弱标签,可以通过在标签天线上贴铝箔的方式。针对标签板的测试环境存在的问题是,随时间的变化,标签板由于老化或粘贴的问题其性能会发生改变,多标签测试时测试结果也会随之改变。而且天线与标签板的摆放误差也会引起测试结果的变化,重复性差的问题很严重。该测试方法制作简单,操作方便,是广大阅读器厂商常用的测试方法。

针对标签板测试方法中的测试场景单一、重复性差的问题,笔者提出一种PCB的测试环境解决方案,在一个PCB板上通过微带线的方式连接几百个SOT或QFN封装的标签芯片,微带线上通过射频开关连接多种不同的衰减网络及选择不同数量的标签。最终可以通过射频开关选择不同标签的衰减参数,从而可以模仿真实场景,同时由于系统是由PCB焊接的,重复性好,同时还节省空间、测试误差小。该方案的缺点是制作较为复杂,没有市场销售价值,只能作为内部测试使用。

多标签性能测试存在一定的偶然性,因此需要对同一个场景做多次测试取平均值。尤其是阅读器存在跳频机制,有的标签所在的位置有可能在某个频点存在盲点,只有在跳频后才有机会读取到该标签。

对于阅读器的多天线测试,在标签板测试方法中,需要多架设几个阅读器天线,在PCB测试方法中,需要在PCB板上预留多个射频输入接口。


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