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RFID分集系统设计

2010-10-12 13:51
小鱼时代
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  库存管理系统现在依靠无源RFID技术进行产品的实时自动识别。对许多应用来说,使用RFID的投资回报是可接受的。这些系统必须能够实时捕获到全部在场库存产品的信息,这就要求RFID系统必须能够百分百地读取所有被贴以标签的物品。RFID系统的读取能力是涉及到许多变量的一个函数,这些变量包括:标签大小、方向、放置方式,以及查询器天线(IA)设计。不幸的是,对所有单天线设计来说都存在读不到标签的“黑洞”。通过分析并确认这些黑洞,业界已开发出一种方法,即利用对ISO 15693/ISO 18000-3(13.56-MHz)物品等级系统的多样性来实现百分之百的读取能力。

  诸如智能卡车/货柜等高频(HF)RFID系统在该领域发挥着作用,很多制造商和方案供应商都提供此类产品。这些并不昂贵的系统采用无源RFID标签(大量生产时单价不到25美分),这项技术在跟踪临床高价值物品时具有巨大潜力,其中一些物品有一定的保质期。例如,在医院的心导管实验室通常会有的储物柜内,可能会存放着250多个支架,总价值估计达37.5万美元。取决于医院规模,有可能会使用四个这样的储物柜,其内的物品每4个月要被消耗掉,相当于这样一个储物柜每年“经手”的物品价值高达1.125百万美元。植入式心脏去纤颤器(ICD)也是医院内的高价值物品。它们体积小(采用约3×4×6英寸的包装),但是价值却在10,000至20,000美元。它们通常储存在诸如加锁储物柜等安全空间。在此类应用中,使用RFID可以降低因某些物品备货不足或过量而导致的成本损失,并且可以更好地掌控这些贵重物品的下落。

  一个基本的RFID系统包括一个主机系统和多个RF组件(图1)。RF组件包括一个射频查询器(读写器和天线)以及标签。查询器的目的是与现场标签通信,对无源系统来说,查询器还通过发射的RF信号给标签供电。查询器负责协议处理、给标签供电、读取标签信息、将信息写入标签,并确保将信息有效传递到主机系统。

  ISO 15693标准规定:只有当“置身”于射频场时,无源标签才被激活。为激活无源标签,由射频场感应来的电压(VTag)必须足够高,要达到嵌入在标签内的RFID芯片工作所需的最低电压水平。VTag 值是标签尺寸/方向与磁场强度幅值的函数,对一个理想环路来说,VTag 可以表述为:

  VTag = 2πf0NQB(Scosa) (1)

  其中:

  N=标签线圈的绕组数,

  Q = 标签的质量因数,

  B=磁场强度,

  S =标签线圈的面积,

  a = 标签的指向角

  图1:一个基本的RFID系统包括一个主机系统和多个RF组件。

  图1:一个基本的RFID系统包括一个主机系统和多个RF组件。

  磁场强度(B)由圆形查询器天线(IA)产生,可由式2表述:

  B = (μ0INa2)/2r3 (2)

  其中:

  I = IA线圈电流,

  N = IA线圈绕组数,

  a = IA线圈半径,

  μ0 =无碍空间的磁导率,

  r = 到IA的距离。

  从这些方程,我们可以推导出标签大小和方向之间,以及与沿IA轴线感应出的场强之间的关系。当标签和查询器接近时,虽然借助两者间复杂的反应式近场关系,其耦合关联得以建立,但是只能被上述等式勉强表述,特别是当r 《《 a且偏离查询器的轴线时,其耦合关系难以准确预测。在实际的物件级应用中,标签通常是靠近查询器天线的,所以基于这个原因,选择并不完全依赖这些预测。

  图2:本次研究中使用的最小的RFID标签,只有硬币大小。

  图2:本次研究中使用的最小的RFID标签,只有硬币大小。

  该机制对理解射频黑洞很关键,它既与IA和标签的设计相关,也受两者间交互的影响。HF标签有多种设计和尺寸,通常分为两大类:平面和三维(3D)设计。平面标签是较常见的那种薄纸载体型,而三维标签内含铁氧体且体积小得多。这项研究中使用的标签都是平面型。由于性能是标签和IA的函数,所以这里探讨了三种不同大小的常用标签的功能,其中图2所示标签尺寸最小,图3为两种不同尺寸且设计截然不同的IA。对在感应场内只有一个标签和多个标签的情况,对读写器的反应做了记录。对在感应场内通常会有许多产品挨着摆放的实际应用情况来说,这种做法颇有代表性。这些测量的目的,是力图勾画出一个可代表实际系统的三维空间,并定位出任何存在的RF黑洞。

  图3:两种典型的RFID查询器天线(IA),两个天线的PCB走线中,都有一些关键位置。

  图3:两种典型的RFID查询器天线(IA),两个天线的PCB走线中,都有一些关键位置。

  射频黑洞的位置信息可用来定位其他天线的位置,使其在一个“没有黑洞”的分集系统中发挥作用。常用的分集系统(图4)内置单刀多掷开关,用来将多个天线路由至RFID读写器。此类系统被设计可以频繁在众多天线中切换,采用PIN二极管开关,与只有单一可移动天线RFID系统所用的机械继电器比,PIN二极管的平均无故障时间(MTBF)要长得多。目前市面上已推出商用的整合了带复用电路读写器(有些能处理多达256个查询器天线)的分集RFID系统,而价格也相对可接受。

  图4: 该框图显示的,是使用多条CAT5线缆处理RF和数字控制信号的分集系统。

  图4: 该框图显示的,是使用多条CAT5线缆处理RF和数字控制信号的分集系统。

  在整个测试设置中,RFID读写器被认为是最关键的部分,它被规定按照ISO 15693/ISO 18000-3 Mode 1协议的要求工作。该ISO标准是成熟的,在全球范围得到认可,许多资深的制造商可提供各种读写器型号和标签大小。由于在一次扫描中可能会发现大量物件,所选的RFID读写器有能力在每次扫描中读识最少100个标签。测试系统所选的读写器的(射频)输出是1W、来自可靠的制造商。本测试也评估了低功耗(200至250mW)读写器,但发现对特定的物件级应用来说,其读识范围不理想。另外评估了功率高达10W的读写器,但并没发现性能有显著改善。此外,高功率水平与建议使用的IA相结合,会超过监管的辐射水平。且这些大功率读写器的成本比实际测试所用的低功耗版本要高近一个数量级。

  由于在实际使用模型中,大量标签会非常紧凑地放在一起,所以设计人员担心查询器的失谐效应会降低读写器性能,从而影响到标签的正确读取。所测得的单一查询器天线的回波损耗响应(S11)接近50(图5),与读写器给出的特性阻抗匹配。图5还显示了在不同标签大小条件下,查询器的S11响应。较大的标签,与查询器耦合得非常好,对S11响应有显著影响,将其置于读写器约明的要求之外。有些读写器根本读取不了挨得很近的标签,其厂家表示,高度的不匹配将“吞没”接收器电路,以致检测不到标签。但在这项研究中使用的读写器在这种条件下表现良好。除将标签非常近地靠近查询器的PCB走线,针对查询器S11的单标签(相对于多个标签)恶化现象并不严重。希望单标签测试发现的射频黑洞会类似于多标签测试中所发现的,以加快以后查询器设计的验证过程。

  在预测试时,一个简单的无源RF探针会很有用(图6)。探针包含一个标签,其RFID芯片被发光二极管(LED)所取代,LED可用以指示EM场的存在;采用不同大小的标签组装三个探针。虽然这个测试工具仅需一美元,很粗糙,但作为一种可定位RF黑洞的实时探针却很有效。该探针能够定位当时无法明显凭直观感觉到的射频黑洞。当标签非常靠近查询器时,射频黑洞暴露了出来,且对称地分布在环形PCB走线的周围。读写器的S11响应验证了这种情况,当标签放置在这些位置时,观察不到变化,根据小环形探针记录的S21测量情况也证明了这点。

  这表明了可借助矢量网络分析仪(VNA),通过观察S11 和S21随标签或PCB导线环运动的响应变化,来观测射频黑洞。通过对不同尺寸标签以及查询器天线的进一步检测表明,在PCB走线的相同位置存在着黑洞。测试发现,读取效果不好的区域相当大,且都在PCB导线环附近、很有可能放置标签的位置。

  图5: 单一查询器天线的回波损耗响应(S11)接近50。

  图5: 单一查询器天线的回波损耗响应(S11)接近50。

  图6: 该RFID标签作为一个简单的测试探针使用,其RFID芯片被一个发光二极管(LED)所取代。

  图6: 该RFID标签作为一个简单的测试探针使用,其RFID芯片被一个发光二极管(LED)所取代。

 

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