基于RFID库存管理分集系统设计

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

　 　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

　 　RFID标签测试台准备了多种标签设计和方向配置（图7）。测试台的配置包括多达77个标签、并指向x-y平面（平行于查询器平面）以及正交于查询器平 面。每个RFID标签内的各芯片都内含一个独特标识符，作为读取过程的一部分，可以读出该标识符；它用来标记其测试台的位置。读写器反应（读取标签的能 力）以IA（Z轴）之上的固定增量被记录下来。此外，还记录了卡片以小步进增量在查询器的x-y平面移动的结果。x-y平面上的运动很重要，因为它允许对 标签和查询器导线的对称排列并指示出在先前预测试时遇到的射频黑洞。

　 　结果发现，单和多标签测试结果对平行平面和垂直平面来说，都符合得相当好。垂直平面测量的结果符合这样一种情况：在标签-标签间的高度耦合是主导趋势 时，当标签间距小于0.4英寸时，有恶化现象。在垂直平面条件下的多标签测试是不停地读取更多的标签；因标签间的高度耦合使位于射频黑洞内的标签得以激 活，所以可将其认为是一个激活标签产生的结果，而非直接来自查询器。

对指向与IA平面相同的标签进行的测试，指明了对所有标签尺寸 和查询器设计而言所共有的黑洞位置。如前面观察到的，当存在与标签的对称情况时，在IA PCB导线附近就出现射频黑洞。图8（a）详尽标明了映射响应， 当把卡向左或右移动，使这一整列标签与查询器天线导线具有对称性时，可清楚显示出射频黑洞。随着高度的增加，处在边缘的标签逐渐落在可读取范围之外，此 时，可用金字塔表述该整体三维可读取区的形状。我们还发现，读取区的大小与查询器和标签的大小成正比。

当标签指向与查询器正交时， 因为标签和查询器场域正交且耦合不好，所以认为标签读取性能会变差。该方向的标签映射如图8（b）所示，当标签接近并与查询器PCB导线平行时，标签读取 效果很好，但其它地方都不好。在查询器PCB走线附近，没发现RF黑洞，与平行平面指向的对称排列所测得结果不一样。读取性能是高度的函数，特别是对小标 签来说，性能随高度增加而显著恶化（相对于平面平行反应）；这些结果证明，在此方向只能使用较大的ISO标签。尽管该方向的总体读取性能表现不佳，但分集 系统的多天线设计可改善读取性能。