在GTEM小室中测试UHF RFID标签的Delta RCS

刘晓阳 李书芳 邢曙光 洪卫军

(北京邮电大学信息与通信工程学院 北京 100876)

1 引言

射频识别(Radio Frequency IDentification,RFID)技术是一类非接触类型的自动识别和数据采集技术，起源于上个世纪40年代。目前，RFID技术已经广泛应用到生产制造、物流管理、公共安全、教育、医疗等各个领域，并作为中国物联网事业的重要支柱技术之一，受到各行业的普遍关注[1]。UHF频段的被动式RFID系统属于远距离识别系统，标签天线一方面接收电磁能量，另一方面通过反向散射电磁波将标签内存储的信息反馈给读写器。Delta雷达放射截面(Radar Cross Section,RCS)作为标签通信时的一个重要参数，能够较完整地表征 RFID标签的性能[2]。

ISO IEC标准推荐RFID标签反向散射性能测试标准场地为全电波暗室[3,4]。测试时，必须保持标签与读写器发射和接收天线等高，且被置于两天线方向交点上，并朝向最优场强接收方向；读写器收发两天线间的残余耦合信号应低于 45 dB。在实际的RFID标签测试过程中，一方面全电波暗室场地造价昂贵，较难得到；另一方面，全电波暗室中测试要求的细节复杂，准确程度受测试过程影响较大。

针对传统UHF RFID标签Delta RCS测试方法的缺陷，本文提出了一种用GTEM小室代替全电波暗室测试UHF RFID标签Delta RCS的新方法，此方法测试场地造价低廉，占地面积小，且测试过程简单，受外界噪声的干扰小。本文通过对比实验验证了此方法的可行性。

2 使用GTEM室进行RFID标签Delta RCS测试的基本理论

本文提出一种用GTEM小室测试UHF RFID标签Delta RCS的新方法：将标签置于GTEM小室中，如图1所示。读写器通过环形器连接GTEM小室端口，通过测量GTEM小室端口电压反射系数Γ，即可由式(1)计算得到标签的Delta RCS：

式中k0=2πf/c,f为读写器发送信号的载频频率，c为光速。e0y是位于标签原点处的零阶模式场：y1为辐射体局部坐标原点离 GTEM 小室底板的高度，a和h分别为GTEM小室辐射体局部坐标原点正下方底板的半宽度和中板到底板的高度，g为该处中板与侧板的间隙距离，Z0为 GTEM 小室的特性阻抗。Γ为读写器返回功率与输出功率之比的平方根。

图1 GTEM室中的RFID标签Delta RCS测试图

文献[5]最先提出了 GTEM 小室用于测量电小尺寸的金属散射体的 RCS。本文将通过理论证明UHF RFID标签作为特殊的散射天线，其 Delta RCS参数同样适用于GTEM小室中的测试。

根据标签的能量供给方式，RFID标签可分为主动式、被动式和半主动式。被动式UHF RFID标签是依靠反向散射原理来工作的：读写器发射已调制的射频信号，标签通过天线接收到的RFID信号激活标签中的芯片，芯片根据读写器发送的信息改变其输入阻抗，以此来实现对标签散射信号的幅度调制[6]。在标签的散射过程中，标签既具有一般散射体的特性，又有由标签与芯片失配而重新发射能量的性质。

图2所示是标签工作时的等效电路，等效电路中芯片的阻抗Z1或Z2是由读写器信号控制。设V0为标签被载频信号激起的开路电压，对应阻抗Z1或Z2，等效电路中的电流为

电流I1与I2通过标签天线的重新辐射将形成标签的散射场。两种不同电流状态之间的变化规律，形成了满足RFID协议的标签返回信号的‘1’或者‘0’编码，从而完整地实现标签和读写器之间的通信。

根据标签Delta RCS的定义式[7]：

其中Si为入射到标签的功率流密度，G为标签天线增益，ΔP为标签等效电路重新发射的功率，相当于在标签电路中以电流矢量差 (I1-I2)通过标签天线重新辐射回去的功率，即

图2 被动式UHF RFID系统工作原理图

如果读写器在 GTEM 小室和自由空间给散射体施加相同幅度及相同调制规律的入射场Ei，标签天线将产生相同的电流(I1-I2)。类似于参考文献[5]的推导过程，(I1-I2)使标签天线等效为电偶矩为P的电偶极子和磁偶矩为M的磁偶极子之组合。在自由空间，有[5]

式中θ为P与y轴的夹角，ψ为M与x轴的夹角，为读写器接收天线处散射场的垂直分量，R为读写器与标签的距离。自由空间坐标及标签天线的定向与在GTEM小室中相同(见图1)。

而在GTEM小室中，端口返回电压为[5]

代入Γ=Ure/U0，则得到式(1)。至此则证明了GTEM小室可用于测量被动式UHF RFID标签的Delta RCS。

3 实验

根据上文中的结论，分别在全电波暗室[8]和GTEM 室[9]当中进行验证性的实验。实验中使用完整的RFID测试系统(基于National Instrument的硬件平台)。该测试系统能够根据RFID测试的要求产生RFID读写器信号并与测试标签通信，在通信的过程中可以自动分析读写器及标签的信号，计算出标签的返回功率值等[10]。实验中使用国家无线电监测与检验中心的全电波暗室和4mGTEM室。实验中使用的标签为Alien9562标签。

实验在 GTEM 小室和全电波暗室对同一标签的 Delta RCS 分别进行测试。为了使GTEM小室和全电波暗室测试的标签处于完全等同的状态，测试时都使用标签有响应的临界发送功率值。分别从测试频率(测试频段885-960 MHz，步进5 MHz)及测试角度(选择频率925 MHz时绕Y轴旋转180°，步进10°)两个方面验证。

图3为频率变化测试结果。实验结果表明：在885-960 MHz频率范围内，两种场地测试结果 dB差值均在3 dB以下，而差值在2 dB以下的比率也达到了81.25%；从图3可以看出，测试数据随频率的变化特性也基本是一致的。

图4为角度变化测试结果。实验结果表明：标签在各个角度方向上的Delta RCS测试值与全电波暗室测试结果dB差值均在1.5 dB以内，吻合程度很好。以上两个实验结果验证了GTEM小室中测量UHF RFID标签Delta RCS的可行性。

在实际的实验过程中发现，用GTEM小室进行测试比起在全电波暗室测试有以下明显的优点：(1)GTEM小室中的测试更为简单和快捷，不需要考虑标签与读写器绝对等高等测试条件；(2)在GTEM小室中测试返回信号强，数据更稳定，也不用考虑读写距离的问题。结合GTEM小室廉价，易拆卸、搬迁的优点，可以认为GTEM小室做UHF RFID标签Delta RCS测试是一种实用性很强的方法。

4 结论

本文提出了GTEM室做UHF RFID标签Delta RCS测试的新方法，并通过理论的推导和实验验证，证明了该方法的可行性和有效性。实验结果表明该方法与传统的全电波暗室中测试的结果是一致的，而且相比传统的 RFID标签测试方法而言，使用GTEM室测试更为简单、高效、结果更稳定，成本更低，具有很强的实用性。

图3 频率变化测试对比图

图4 角度变化测试对比图

[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.