李超, 吳垚

(1.中國(guó)人民解放軍92728部隊(duì),上海 200040;2.海裝駐上海地區(qū)第十軍事代表室,上海 200233)

0 引言

在復(fù)雜的軍用RFID應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境下,軍用RFID超高頻(UHF)和2.4 GHz電子標(biāo)簽的性能和識(shí)讀效果直接影響軍用物資、車輛、器械、醫(yī)療用品、食物等的實(shí)時(shí)監(jiān)控、后勤保障、物品追溯和總體的把控管理,因此軍用RFID UHF和2.4 GHz電子標(biāo)簽的性能至關(guān)重要[1]。

目前國(guó)軍標(biāo)電子標(biāo)簽性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中,只規(guī)定了無(wú)源電子標(biāo)簽和有源電子標(biāo)簽的性能測(cè)試要求,但沒(méi)有提出測(cè)試方法、測(cè)試設(shè)備、測(cè)試環(huán)境等要求和規(guī)范[2]。國(guó)際通用電子標(biāo)簽性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 18046-3規(guī)定了單一方向性能測(cè)試的環(huán)境要求、測(cè)試方法[3],但其最新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布時(shí)間是2012年,至2022年沒(méi)有更新。在軍用RFID應(yīng)用場(chǎng)景中,不僅需要測(cè)試RFID電子標(biāo)簽的單一方向性能,還需要測(cè)試電子標(biāo)簽全方向的應(yīng)用性能,而2012年的國(guó)際測(cè)試方法無(wú)法滿足軍用RFID電子標(biāo)簽性能測(cè)試需求[4]。因此,為了更好的測(cè)試和模擬出RFID UHF和2.4 GHz電子標(biāo)簽的全向識(shí)讀性能,根據(jù)OTA中的全向性能測(cè)試方法[5],搭建RFID-OTA系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境,從而完成RFID UHF和2.4 GHz電子標(biāo)簽的三維性能測(cè)試[6]。

為保證標(biāo)簽的三維全向性能的精確性,在此次系統(tǒng)中采用16探頭測(cè)試方案,每隔22.5°測(cè)試標(biāo)簽的雙極化性能,因此在該測(cè)試系統(tǒng)中采用了15組雙極化測(cè)試天線,總共30組路徑切換。而水平方向需要測(cè)試12個(gè)角度,因此1個(gè)產(chǎn)品測(cè)試至少需要進(jìn)行360次天線切換。為保證測(cè)試速度[7]、減少人工的系統(tǒng)連接時(shí)間、降低系統(tǒng)測(cè)試的不確定度,需要設(shè)計(jì)一臺(tái)軟件自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)專用的天線高速切換箱,把天線的極化方向之間、天線和天線之間的切換動(dòng)作轉(zhuǎn)化為軟件程序化語(yǔ)言,利用軟件控制自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)完成所有測(cè)試天線的切換,從而提高測(cè)試效率,保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性[8]。

1 路徑需求

RFID-OTA測(cè)試系統(tǒng)使用的是16天線測(cè)試方案(15組測(cè)試天線、1組通信天線),如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)測(cè)試天線配置

其中每組測(cè)試天線分為水平極化和垂直極化兩個(gè)方向,因此在實(shí)際測(cè)試中一個(gè)水平角度下需要完成30個(gè)天線極化的測(cè)試。整體端口的設(shè)計(jì)需求如表1。

表1 端口設(shè)計(jì)需求

2 鏈路設(shè)計(jì)

根據(jù)路徑需求和外接射頻端口設(shè)計(jì),RFID-OTA高速開(kāi)關(guān)箱內(nèi)部測(cè)試連接圖如圖2所示。

圖2 高速開(kāi)關(guān)箱內(nèi)部需求圖

目前市面上沒(méi)有支持30條路徑的切換開(kāi)關(guān),因此為保證內(nèi)部線路能夠快速進(jìn)行切換需要盡可能少的使用射頻開(kāi)關(guān),從而保證測(cè)試天線之間的切換。

高速切換箱采用三級(jí)固態(tài)開(kāi)關(guān)串聯(lián)的控制方式,PC通過(guò)NI GPIB控制卡發(fā)出路徑切換控制指令到HWA-GPIB控制板,控制板接收到上位機(jī)開(kāi)關(guān)切換指令后,輸出TTL控制信號(hào)到固態(tài)開(kāi)關(guān)控制端,固態(tài)開(kāi)關(guān)根據(jù)控制信號(hào)的高低電平邏輯來(lái)完成開(kāi)關(guān)切換,最終實(shí)現(xiàn)整條射頻測(cè)試鏈路的路徑切換。最終高速開(kāi)關(guān)箱內(nèi)部設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 高速開(kāi)關(guān)箱內(nèi)部連接圖

圖3其中A、B、C為三層切換結(jié)構(gòu),A1、B1、B2、B3、C1～C12為單刀四擲開(kāi)關(guān),真值表如表2所示。

表2 單刀四擲開(kāi)關(guān)真值表

軟件控制邏輯見(jiàn)表3。

表3 軟件端口控制指令

由于測(cè)試過(guò)程中需要進(jìn)行多次路徑切換,為保證測(cè)試速度和設(shè)備的使用壽命,在進(jìn)行開(kāi)關(guān)選型時(shí)采用固態(tài)開(kāi)關(guān)。相比機(jī)械開(kāi)關(guān),固態(tài)開(kāi)關(guān)具有切換響應(yīng)速度快,壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),在測(cè)試過(guò)程中不會(huì)發(fā)生開(kāi)關(guān)斷鏈情況,但固態(tài)開(kāi)關(guān)因其本身的半導(dǎo)體特性,在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的熱量,在散熱條件不理想的情況下可能對(duì)開(kāi)關(guān)造成不可逆的損傷。

同時(shí)在RFID-OTA測(cè)試系統(tǒng)中,為了降低線纜的損耗,高速開(kāi)關(guān)箱會(huì)放置在暗室內(nèi)部,放置空間狹小,不利于散熱,長(zhǎng)期使用的情況下還會(huì)影響高速開(kāi)關(guān)箱的性能指標(biāo),如:電壓駐波比、插入損耗等,從而對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度帶來(lái)一定的影響。因此在進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),改善高速開(kāi)關(guān)箱內(nèi)部開(kāi)關(guān)排列分布,通過(guò)采用豎排排列的方式,一個(gè)單刀六擲開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)一列輸出端口,調(diào)整風(fēng)扇分布,增加傳導(dǎo)式散熱模式,提高高速開(kāi)關(guān)箱的散熱效率,從而提高高速開(kāi)關(guān)箱的穩(wěn)定性和使用壽命。設(shè)計(jì)如圖4、圖5所示。

圖4 開(kāi)關(guān)散熱設(shè)計(jì)

圖5 高速開(kāi)關(guān)箱連接端口設(shè)計(jì)

同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)軟件自動(dòng)化控制射頻信號(hào)處理單元的路徑切換,設(shè)計(jì)時(shí)加入多功能專用控制板,通過(guò)RJ45網(wǎng)絡(luò)端口對(duì)開(kāi)關(guān)箱切換鏈路進(jìn)行控制連接,配合測(cè)試儀表進(jìn)行天線間的快速切換,從而保證測(cè)試系統(tǒng)能夠正確選擇天線進(jìn)行測(cè)試,使測(cè)試系統(tǒng)完整測(cè)試除待測(cè)物品的2D/3D方向性能。

3 總結(jié)

通過(guò)設(shè)計(jì)RFID-OTA系統(tǒng)高速開(kāi)關(guān)箱,進(jìn)行軟件控制開(kāi)關(guān)鏈路的切換,使該系統(tǒng)測(cè)試天線之間切換具備自動(dòng)化能力,不僅提高了測(cè)試效率,還保證了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)通過(guò)選擇高速控制板、高性能開(kāi)關(guān)和合理的鏈路設(shè)計(jì),增加設(shè)備的散熱效率,使軟件控制天線路徑切換時(shí)間<10 ms,所有天線路徑的電壓駐波比在工作的頻率范圍內(nèi)小于2.5∶1,且每條路徑損耗小于3.5 dB,各路徑之間的隔離度>30 dB。實(shí)際應(yīng)用及測(cè)試結(jié)果表明,該高速開(kāi)關(guān)箱軟件控制、路徑設(shè)計(jì)方法正確有效。