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RFID电子标签谐振频率的微测


基于RFID(Radio Frequency Identification)技术的电子标签的应用越来越广,这类应用的系统主要由3个部分组成:

  1. 电子标签(Tag):主要由芯片,存储器,耦合元件组成,每个标签可根据需要写入相应的电子编码,包括用于人或物品识别的身份号,序列号,其他有关信息等;

  2. 阅读器(Reader):读取或写入标签信息的设备;

  3. 天线(Antenna):在标签和阅读器间传送/接收射频信号。

RFID技术有着不同的工作频率,不同的作用距离,不同的应用。目前主要的工作频率有:125kHz,133kHz,13.56MHz,27.12MHz,433MHz,902~928MHz,2.45GHz,5.8GHz等。

  • 低频段电子标签
    典型的工作频率有:125KHz,133KHz,一般为无源标签,其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时,必须位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。
    典型应用有:商品识别、动物识别等。

  • 中频段电子标签
    典型的工作频率为:13.56MHz左右。其工作能量同低频标签一样,也是通过电感(磁)耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器进行数据交换时,标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内,必须贴近阅读器。
    典型应用包括:电子车票、电子身份证等。

  • 高频段电子标签
    典型的工作频率为:433.92MHz,862(902)~928MHz,2.45GHz,5.8GHz。微波电子标签可分为有源标签与无源标签两类。射频识别系统阅读距离一般大于1m,大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线,只有在阅读器天线定向波束范围内的电子标签可被读/写。
    典型应用包括:移动车辆识别、仓储物流应用、电子闭锁防盗等。

国内有很多搞RFID研发和生产的厂家,电子标签的需求和产量都很大,围绕着RFID的测试也很多。对生产厂家来说,要保证电子标签能正常工作,必须要保证内部的耦合线圈/天线的工作频率要在允许的范围内是很重要的。要使天线发射的电磁场强,发射频率必须和天线的固有频率相同,如果天线与信号频率不谐振,则发射,接收效率会大打折扣。

产品的一致性很重要,在生产阶段,不必进行复杂的测试,通过使用带跟踪源的频谱仪,比如DSA800-TG系列,高测量频率达7.5GHz,即可对天线的谐振频率进行测试。


出于好奇,下面以我们每个人都可能有的工卡,交通卡为例,探讨一下针对这种工作在13.56MHz 左右的RFID天线谐振频率的测试。测这种低频的工卡,公交卡等电子标签,用DSA815-TG就够了,加上VSWR桥VB1020以及连接到天线测试点的工装,我们可以通过测试天线的谐振频点,驻波比的一致性反应出不同批次的产品的一些潜在的问题,省钱的测试会是啥样儿,那我就微测一下试试看,使用的仪器设备如下:

1.DSA815-TG(频谱分析仪,9kHz 至1.5GHz,带跟踪源)

2.VB1020(反射测试桥,1MHz 至2GHz)

3.测试工装(连接VSWR桥到阅读器的发射/接收天线,自制)

典型的天线测试设置示意图如图2所示:


我们假设要测210MHz这个频点的天线特性,DSA815-TG的主要设置提示如下:


  • 起始频率:100MHz,终止频率:500MHz(取决于需要测试的频率范围)

  • 把TG的输出功率设成比如-10dBm

  • 接上反射桥以及连接到被测天线测试工装或电缆,但不接被测天线,在测量菜单里“打开校准”,以便消除测量系统的干扰;

  • 接上被测天线,经过适当调整后会看到类似图2的显示

  • 通过峰值标尺可直接读出谐振点的频率值;

  • 通过VSWR测量套件,可直接测出VSWR,反射系数,回波损耗这些参数

图3上的尖峰就是天线的谐振点,通过峰值搜索就能直接读出频率和功率值。记录每个被测天线的这些参数,观察它们的一致性,看不同批次的参数波动,这些工作,即可手动实现,也可通过编程,在PC的控制下自动实现。

对于生产测试,为了提高测试效率,还可使用DSA815的PASS/FAIL通过/失败测试功能,如图4所示,根据要求,设定好限制范围,一旦被测值超过,将属于测试“不通过”。

针对这种工卡,交通卡等电子标签的天线谐振频点测试,可将如图5所示的阅读器里的天线连接到反射桥的测量端,作为收发天线使用,构成测量系统的一部分。测试时,将被测卡贴到阅读器上即可进行测量。

手里暂时没有这种13MHz频段的阅读器,但又着急想试试,那就自制一个天线试试吧,把我自制的近场探头接到VB1020的测试端口,替代阅读器里的天线,来示意性测测RFID卡的谐振点。


设置好DSA815-TG内置跟踪源的功率,扫频范围,进行归一化校准,然后把被测的RFID卡放在天线上,结果如何?下图就是我做的实验,先拿交通卡试试,测量设置如图6所示。

通过小峰值搜索找到低点,也就是谐振点,测量结果如图7所示,由于使用的不是专门的天线,所以忽略幅度,只关注频率,谐振频率为16.57MHz。

那么,普遍使用的工卡的谐振频率又是如何?把工卡放到天线上,测量结果如图8中的粉色轨迹所示,谐振频率是14.35MHz。


针对这种工卡,交通卡等电子标签的天线谐振频点测试,如果将如图5所示的阅读器里的天线连接到反射桥的测量端,作为收发天线使用,测量结果应该会更接近实际情况。

还有没有其他简易的测试方法?我又想到了一招儿,如图9所示。

很容易地看到了在DSA815-TG的屏幕上被测天线的谐振曲线显示,通过峰值标尺直接搜到高的谐振点,读取出此频点的频率值。哪种方法更准?理论上讲,前一种使用VB1020反射桥的方法应该更准。


不少人可能都在使用“复杂”的仪器做类似的测试。以上只是出于我的个人爱好的小实验,交流和探讨一下新的简单的测量方法和思路,仅供参考。


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