在GTEM小室中測試UHF RFID標簽的Delta RCS

劉曉陽 李書芳 邢曙光 洪衛軍

(北京郵電大學信息與通信工程學院 北京 100876)

1 引言

射頻識別(Radio Frequency IDentification,RFID)技術是一類非接觸類型的自動識別和數據采集技術，起源于上個世紀40年代。目前，RFID技術已經廣泛應用到生產制造、物流管理、公共安全、教育、醫療等各個領域，并作為中國物聯網事業的重要支柱技術之一，受到各行業的普遍關注[1]。UHF頻段的被動式RFID系統屬于遠距離識別系統，標簽天線一方面接收電磁能量，另一方面通過反向散射電磁波將標簽內存儲的信息反饋給讀寫器。Delta雷達放射截面(Radar Cross Section,RCS)作為標簽通信時的一個重要參數，能夠較完整地表征 RFID標簽的性能[2]。

ISO IEC標準推薦RFID標簽反向散射性能測試標準場地為全電波暗室[3,4]。測試時，必須保持標簽與讀寫器發射和接收天線等高，且被置于兩天線方向交點上，并朝向最優場強接收方向；讀寫器收發兩天線間的殘余耦合信號應低于 45 dB。在實際的RFID標簽測試過程中，一方面全電波暗室場地造價昂貴，較難得到；另一方面，全電波暗室中測試要求的細節復雜，準確程度受測試過程影響較大。

針對傳統UHF RFID標簽Delta RCS測試方法的缺陷，本文提出了一種用GTEM小室代替全電波暗室測試UHF RFID標簽Delta RCS的新方法，此方法測試場地造價低廉，占地面積小，且測試過程簡單，受外界噪聲的干擾小。本文通過對比實驗驗證了此方法的可行性。

2 使用GTEM室進行RFID標簽Delta RCS測試的基本理論

本文提出一種用GTEM小室測試UHF RFID標簽Delta RCS的新方法：將標簽置于GTEM小室中，如圖1所示。讀寫器通過環形器連接GTEM小室端口，通過測量GTEM小室端口電壓反射系數Γ，即可由式(1)計算得到標簽的Delta RCS：

式中k0=2πf/c,f為讀寫器發送信號的載頻頻率，c為光速。e0y是位于標簽原點處的零階模式場：y1為輻射體局部坐標原點離 GTEM 小室底板的高度，a和h分別為GTEM小室輻射體局部坐標原點正下方底板的半寬度和中板到底板的高度，g為該處中板與側板的間隙距離，Z0為 GTEM 小室的特性阻抗。Γ為讀寫器返回功率與輸出功率之比的平方根。

圖1 GTEM室中的RFID標簽Delta RCS測試圖

文獻[5]最先提出了 GTEM 小室用于測量電小尺寸的金屬散射體的 RCS。本文將通過理論證明UHF RFID標簽作為特殊的散射天線，其 Delta RCS參數同樣適用于GTEM小室中的測試。

根據標簽的能量供給方式，RFID標簽可分為主動式、被動式和半主動式。被動式UHF RFID標簽是依靠反向散射原理來工作的：讀寫器發射已調制的射頻信號，標簽通過天線接收到的RFID信號激活標簽中的芯片，芯片根據讀寫器發送的信息改變其輸入阻抗，以此來實現對標簽散射信號的幅度調制[6]。在標簽的散射過程中，標簽既具有一般散射體的特性，又有由標簽與芯片失配而重新發射能量的性質。

圖2所示是標簽工作時的等效電路，等效電路中芯片的阻抗Z1或Z2是由讀寫器信號控制。設V0為標簽被載頻信號激起的開路電壓，對應阻抗Z1或Z2，等效電路中的電流為

電流I1與I2通過標簽天線的重新輻射將形成標簽的散射場。兩種不同電流狀態之間的變化規律，形成了滿足RFID協議的標簽返回信號的‘1’或者‘0’編碼，從而完整地實現標簽和讀寫器之間的通信。

根據標簽Delta RCS的定義式[7]：

其中Si為入射到標簽的功率流密度，G為標簽天線增益，ΔP為標簽等效電路重新發射的功率，相當于在標簽電路中以電流矢量差 (I1-I2)通過標簽天線重新輻射回去的功率，即

圖2 被動式UHF RFID系統工作原理圖

如果讀寫器在 GTEM 小室和自由空間給散射體施加相同幅度及相同調制規律的入射場Ei，標簽天線將產生相同的電流(I1-I2)。類似于參考文獻[5]的推導過程，(I1-I2)使標簽天線等效為電偶矩為P的電偶極子和磁偶矩為M的磁偶極子之組合。在自由空間，有[5]

式中θ為P與y軸的夾角，ψ為M與x軸的夾角，為讀寫器接收天線處散射場的垂直分量，R為讀寫器與標簽的距離。自由空間坐標及標簽天線的定向與在GTEM小室中相同(見圖1)。

而在GTEM小室中，端口返回電壓為[5]

代入Γ=Ure/U0，則得到式(1)。至此則證明了GTEM小室可用于測量被動式UHF RFID標簽的Delta RCS。

3 實驗

根據上文中的結論，分別在全電波暗室[8]和GTEM 室[9]當中進行驗證性的實驗。實驗中使用完整的RFID測試系統(基于National Instrument的硬件平臺)。該測試系統能夠根據RFID測試的要求產生RFID讀寫器信號并與測試標簽通信，在通信的過程中可以自動分析讀寫器及標簽的信號，計算出標簽的返回功率值等[10]。實驗中使用國家無線電監測與檢驗中心的全電波暗室和4mGTEM室。實驗中使用的標簽為Alien9562標簽。

實驗在 GTEM 小室和全電波暗室對同一標簽的 Delta RCS 分別進行測試。為了使GTEM小室和全電波暗室測試的標簽處于完全等同的狀態，測試時都使用標簽有響應的臨界發送功率值。分別從測試頻率(測試頻段885-960 MHz，步進5 MHz)及測試角度(選擇頻率925 MHz時繞Y軸旋轉180°，步進10°)兩個方面驗證。

圖3為頻率變化測試結果。實驗結果表明：在885-960 MHz頻率范圍內，兩種場地測試結果 dB差值均在3 dB以下，而差值在2 dB以下的比率也達到了81.25%；從圖3可以看出，測試數據隨頻率的變化特性也基本是一致的。

圖4為角度變化測試結果。實驗結果表明：標簽在各個角度方向上的Delta RCS測試值與全電波暗室測試結果dB差值均在1.5 dB以內，吻合程度很好。以上兩個實驗結果驗證了GTEM小室中測量UHF RFID標簽Delta RCS的可行性。

在實際的實驗過程中發現，用GTEM小室進行測試比起在全電波暗室測試有以下明顯的優點：(1)GTEM小室中的測試更為簡單和快捷，不需要考慮標簽與讀寫器絕對等高等測試條件；(2)在GTEM小室中測試返回信號強，數據更穩定，也不用考慮讀寫距離的問題。結合GTEM小室廉價，易拆卸、搬遷的優點，可以認為GTEM小室做UHF RFID標簽Delta RCS測試是一種實用性很強的方法。

4 結論

本文提出了GTEM室做UHF RFID標簽Delta RCS測試的新方法，并通過理論的推導和實驗驗證，證明了該方法的可行性和有效性。實驗結果表明該方法與傳統的全電波暗室中測試的結果是一致的，而且相比傳統的 RFID標簽測試方法而言，使用GTEM室測試更為簡單、高效、結果更穩定，成本更低，具有很強的實用性。

圖3 頻率變化測試對比圖

圖4 角度變化測試對比圖

[1]Landt J.The history of RFID[J].IEEE Potentials,2005,24(4): 8-11.

[2]Nikitin P V and Rao K V S.Antennas and propagation in UHF RFID systems[C].IEEE International Conference on RFID,Las Vegas USA,April 16-17,2008: 277-288.

[3]ISO/IEC FCD 18046-3.Information technologyradio frequency identification device performance tests methodsPart 3: test methods for tag performance[S].2006.

[4]ISO/IEC FCD 18046-1.Information technology-automatic identification and data capture techniques-radio frequency identification device performance test methods[S].2006.

[5]Xing Shu-guang,Li Shu-fang,Hong Wei-jun,et al..Using GTEM cell to measure RCS of electrically small scatterers[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2011,10:596-598.

[6]She Kai,He Yi-gang,Li Bing,et al..Theory and measurement of Delta RCS for RFID tag on various materials[C].Wireless Communications Networking and Mobile Computing (WiCOM),Shanghai China,Sept.23-25,2010: 1-4.

[7]Nikitin P V,Rao K V S,and Martinez R D.Differential RCS of RFID tag[J].Electronics Letters,2007,43(8): 431-432.

[8]Pouzin A,Vuong T P,Tedjini S,et al..Bench test for measurement of differential RCS of UHF RFID tags[J].Electronics Letters,2010,46(8): 590-592.

[9]Sidney D K,Divya C,Srikant C,et al..RFID tag characterization in a GHz transverse electromagnetic cell[C].IEEE International Conference on Service Operations and Logistics,and Informatics (SOLI),Philadelphia USA,2007:1-6.

[10]Nikitin P V and Rao K V S.LabVIEW-based UHF RFID tag test and measurement system[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(7): 2374-2381.