确定rfid器件的性能的方法

专利名称：确定rfid器件的性能的方法
技术领域：
0001本发明涉及射频识别(RFID)器件领域，更具体地涉及确定 或预测这种RFID器件的性能的方法。
背景技术：
0002射频识别(RFID)标牌和标签(本文通称为"器件")被广 泛地用于将物件与识别码相关联。RFID器件一般地具有天线和模拟电 路和/或数字电路的组合，其可以包含例如通信电路、数据存储器和控 制逻辑。例如，RFID标牌被用于在汽车中和安全锁联合使用、用于建 筑物的进入控制以及用于跟踪存货目录和包裹。RFID标牌和标签的一 些例子出现在编号为6,107,920、 6，206，292以及6，262，692的美国专利之 中，所有这些以其全部内容通过参考合并于此。
0003如上述，RFID器件一般地被分为标签或标牌。RFID标签是被 胶着地或具有直接地贴在物件上的表面的RFID器件。相反，RFID标牌 通过其它手段被牢固到物件，例如通过使用塑料扣件、链条或者其它 紧固手段。
0004RFID器件包括有源标牌和标签，其包括电源，以及无源标牌 和标签，其不含电源。对于无源标牌，为了从芯片上取回信息， 一"基 站"或者"读出器(reader)"发送激励信号到RFID标牌或标签。该激 励信号为该标牌或标签供给能量，并且RFID电路传输存储的信息到读 出器。该"读出器"接收和解码来自RFID标牌的信息。 一般地，RFID 标牌可以保留和传输足够的信息来唯一地识别个体、包裹、存货等。 RFID标牌和标签也能够被特性化为信息仅被写入一次(尽管该信息可 能被重复地读取)，以及被特性化为在使用中信息可能被写入。例如， RFID标牌可能存储环境数据(其可能由相关联的传感器所探测)、后 勤历史、状态数据等。
0005常常需要测试RFID器件的性能以确定可接受的性能水平。这
些测试常常在受控模拟条件下进行。例如，标牌可以在类似于其实际 使用中期望的距离被单独地测试，以确定该标牌或其它器件可接受地 运转。
0006对于这类测试具有很多潜在的问题。第一，这种测试需要相 对大的空间。第二，该过程不支持大量的制造环境。第三，这种测试 的结果可能受多种因素的影响，诸如被测RFID器件周围的环境的变化。
这可能导致需要小心地对测试所在的环境进行控制，例如保持测试附 近的任何导电物品的位置。为了维持测试的可重复性，可能需要测试 室将被测器件与周围环境隔离开。应该理解，在一些情况下，在进行 测试时可能需要单个地隔离器件以防止来自于一个RFID器件的响应与
来自于其它的相邻器件的响应相干扰。因此，应该理解，在间隔很小 的器件(诸如在薄片上或巻上的器件)上进行这种测试可能是不现实 的和/或昂贵的。
0007承前所述，应该理解需要对RFID器件的测试进行改进。

发明内容
0008根据本发明的一方面，预测或确定RFID器件的性能的方法包 括基于来自于近场测试或测量的结果来预测或确定远场性能。
0009根据本发明的另一方面，确定RFID器件的远场性能的方法包 括测量近场性能，以及在数学上将一个或多于一个近场性能测量转换 为远场性能的预测。
0010根据本发明的另一方面，确定或预测RFID器件的性能的方法 包括使用近场测试结果来预测一个或多于一个下述参数的远场性能 范围、容限、灵敏度、频率性能、读出灵敏度、写入灵敏度、峰值操 作频率以及给定频带上的平均灵敏度。
0011根据本发明的另一方面，确定RFID器件的远场性能的方法包 括以下步骤在RFID器件上进行近场测试；以及从近场测试的测试结 果确定RFID器件的远场性能。
0012为了实现前述的和相关的目标，本发明包括下面充分描述的 特征和在权利要求中特别地指出的特征。下面的描述和附图详细地阐 明本发明的某些说明性实施例。但是这些实施例仅示出可以使用本发
明的原理的各种方式中的一些。通过以下对本发明的详细描述并结合 附图进行考虑，本发明的其它目标、优点和新特征将变得明显。


0013在不必按比例的附图中-
0014图l是根据本发明的方法的高阶流程0015图2是图1的方法中使用的近场测试器的局部示意图；以及
0016图3是图2中的近场测试器的功能图。
具体实施例方式
0017确定诸如在标牌、标签、包裹、薄膜、纸箱、包装或这些中 的一部分的里面或上面的RFID器件的远场性能的方法，其包括进行 RFID器件的近场测试或测量，以及基于该近场测试或测量的结果确定 或预测远场性能。远场性能的确定或预测可以涉及基于近场结果或测 量来计算远场性能的测量。作为替代，对远场性能的预测可以从其它 来源获得，诸如从基于在近场测试结果或测量与远场结果之间的现有 关系的查寻表。该预测的远场性能可以包括各种性能因子中的任何一 个，包括范围、灵敏度、频率性能、读出灵敏度、写入灵敏度、峰值 操作频率和/或给定频带上的平均灵敏度。使用近场测试结果来预测远 场性能可以允许使用小型测试设备、RFID器件的现场测试和/或RFID 器件的更快和/或更低成本的测试。
0018在对该方法进行描述之前，提供对本文所用的术语和惯用语 的一些相关定义。"发射应答器芯片"或"芯片"定义为用于通过天 线提供合适的交互以与外部器件如读出器通信的器件。芯片可以包括 各种合适的电子元件，诸如电阻器、电容器、感应器、电池、存储器 器件和处理器。应该理解RFID器件的很多发射应答器芯片是众所周知 的。该术语"发射应答器芯片"有意包括很大范围的这些器件，其在 复杂度和功能性上可能变化很大。
0019本文使用的术语"RFID器件"被广泛地定义为包括含有耦合 到用于和外部器件通信的天线的芯片的器件。RFID器件可以包括在标 牌、标签、包裹、薄膜、纸箱、包装或这些中的一部分的里面或上面
的RFID器件。在RFID器件中，芯片可以通过各种手段中的任何一个被 耦合到天线。例如，在天线和芯片上的触点之间可以具有直接的电连 接。作为替代，芯片可以是依次操作性地耦合到天线的直插件
(interposer)或带片(strap)的一部分。该芯片可以通过直接的欧姆 电连接被耦合到天线。作为替代，或者附加地，非直接的电耦合如电 容性和/或磁性耦合可以被用来操作性地将芯片耦合到天线。
0020除了芯片和天线，RFID器件可以包括其它层和域结构。这些 附加层的例子包括用于支持芯片和/或天线的基底，诸如纸质或聚合物 材料基底；保护层；粘贴剂层；以及信息承载层，例如具有字和/或图 形的印刷层。
0021主要地，RFID器件的天线用来与外部器件如合适的读出器进 行长距离远场的射频耦合。本文使用的远场指的是大于从射频能量发 射器件诸如发射超高频射频能量的器件起大约15毫米的距离。在远场 中RFID器件的耦合也可被称为"远场耦合"。可发生短距离耦合的近 场被定义为从射频能量发射器件起大约15毫米范围之内。小的电偶极 的近场和远场之间的空间的更精确分界线被称为反应场，其可能是 X/2tt，其中X是射频耦合的射频能量的波长。这种定义可以在IEEE Standard Test Procedures for Antennas (天线的IEEE标准测试程序)， IEEE Std 149-1979，附录A， 139页找到。使用该定义，对于915MHZ 的射频能量，近场和远场之间的分界线在从器件起大约52毫米处。
0022近场和远场之间的分界线也可能以RFID器件的接收孔的最大 尺寸和射频信号的波长来定义。该分界线可以使用公式f2D"X来定 义，其中r是远场控制的最小距离(近场和远场之间的分界线)，D是 RFID器件的接收孔的最大尺寸，而X是射频信号的波长。在较不特殊的 术语中，近场可以被定义为发射源和接收孔之间的空间区域，其中发 射波峰没有足够的时间(或距离)使振幅衰减l/一倍。近场包括反应区 和辐射区。该反应区处于紧紧环绕着发射孔(如读出器、测试器或其 它发射器的孔)的空间。该辐射区存在于反应区以外的空间。被发射 的信号的振幅在辐射区衰减l/r倍，其中r是发射源和接收RFID器件之间
的距离。在远场中，被发射信号的振幅一般衰减l/一倍。0023"近场测试器"在本文被定义为用于和RFID器件在近场通信
的测试器。该测试器可以包括操作性地耦合到耦合器的读出器。该耦
合器可以包括天线和/或孔，且被用来在测试器和RFID器件之间发送和 /或传输信号。读出器被用来解释由耦合器接收的信号，并可以被用来 控制通过耦合器发送的信号。
0024"非辐射近场耦合器"被定义为具有使其适合于进行下述近 场测试或测量的某些特性的耦合器。这些特性包括下述特性中的一个 或多于一个使相邻RFID器件的交叉耦合最小化的配置；对在所需频 带上的RFID器件负载提供良好的射频匹配；用两个信号路径驱动RFID 器件的能力，在所需频带上一个信号路径在正相位(0°)而另一个信 号路径在反相位(180°);当RFID器件在所需频带上被考虑和不被考 虑时，展现与读出器的良好匹配的能力；以及具有使用TEM类型电路 设计技术(带状线快闪微带布局(strip line flash micro strip topology)) 的反馈电路以避免来自电路元件和/或连接点的寄生辐射，否则该寄生 辐射会导致与相邻的RFID器件的交叉耦合的问题。
0025现在参考图l，确定或预测RFID器件的方法10包括在步骤12 中进行对器件短距离近场测试或测量。使用由短距离测试或测量得到 的数据，在步骤14中确定或预测远场性能。方法10广泛地涵盖使用来 自近场操作的数据来预测或确定RFID器件的远场性能的核心概念。在
近场测试或测量中收集的数据可以是各种性能数据中的任何一个，诸 如但不限于器件灵敏度(RFID器件开始反应外部信号的最小入射功率 水平)、容限、峰值操作频率、最坏情况操作频率、频率性能响应形 状、所选频带上的平均灵敏度、RFID器件读出灵敏度(读出操作的灵 敏度)或RFID器件写入灵敏度(写入操作的灵敏度)。在近场测试获 得的数据可以包括各种合适的模拟测量中的任何一个。从所收集的近 场测试数据确定或预测的远场器件性能可以包括各种合适的性能测量 中的任何一个。除了与上述近场数据相应的远场性能测量之外，上述 远场性能可以包括远场性能的更抽象特性，诸如器件是否符合预设的 远场性能规范或标准。因此，远场性能的确定或预测可以包括对RFID 器件是否符合预定的性能标准进行简单的合格/不合格确定。但是应注 意，任何简单的性能标准均基于RFID器件的远场性能，且其满足或不
满足至少部分地基于近场测试结果。
0026使用近场测试或测量结果来生成远场性能的预测或确定应被 宽泛地解释为包括至少部分地基于近场测试结果来预测远场性能的各 种合适的方法。该确定或解释可以是直接在数学上操作该近场测试结 果的直接数学方法，诸如通过使用公式或方程式，来提供远场性能的 一些方面的数值指示。作为替代，查寻表或查寻图可以被使用来提供 基于近场测量的预测的远场器件性能。作为另一种替代，来自接受近 场和远场测试的现有器件的数据库的数据可以被用来从近场测试结果 或测量提供远场性能的预测。可以对来自己有器件的测试结果进行适 当的内插和外推。
0027此外，合适的曲线拟合方法可以被使用以从近场和远场性能 数据组中得到预测性的数学算法。合适的方法也可以被用来利用这些 数据进行内插或外推。
0028作为进一步的替代，应该理解远场性能的简单的合格/不合格 结果可以基于近场测试中的合适阈值或性能水平被确定。而且，应该 理解近场测试结果或测量之外的因素可以被用来确定远场性能。例如， 不同类型的补偿因子可能被用来补偿在器件和/或测试或配置中的不 同。进一步地，在部分地基于近场测试数据或测量来确定或预测远场 性能时有可能使用一些远场测试数据或测量。 一般地，本文中涉及的 基于近场数据或测量来确定远场性能广泛地指预测是至少部分地基于 近场数据或测量的情况。
0029图2示出可以被用来对RFID器件22进行近场测试的测试器20。 该测试器20包括通过电缆30耦合到读出器28的测试头24。该测试头24 包括近场耦合器34。该近场耦合器34被置于电介质材料块36之中。该 电介质材料块36可以是低介电常数材料，例如合适的聚合物材料(如 聚苯乙烯)块。块36将近场耦合器34维持在从RFID器件22被放置于其 上的柔性表面40起一指定的合适距离。该柔性表面材料40可以是合适 的聚合物泡沫。近场耦合器34位于柔性表面40的指定的附近。近场耦 合器34可以有利地具有以下特性它在RFID器件22的天线结构42的所 有关键部分中感应电流和电压。
0030读出器28中的电源和软件通过电缆30发送合适的信号到近场 耦合器34。从近场耦合器34发射的射频信号与天线42以及RFID器件22
的芯片42交互。该交互导致来自RFID器件22的有源或无源响应。该响 应由近场耦合器34接收或者影响近场耦合器34。这些效应能够由读出 器28中的软件所测量。测量结果可以被显示在耦合到读出器28的显示 器46上。作为替代或者附加地，应该理解可以使用合适的数据存储器 器件存储结果，和/或将结果传输到其它处理器。作为进一步替代，应 该理解读出器28的软件可以基于所做的测量自行预测或确定RFID器件 22的远场性能。
0031应该理解由测试器20所做的测量可以是前述多种测量中的任 何一个。该测试可能涉及进行多种类型的测量和/或在多种操作条件下 如在多个频率下进行测量。
0032应该理解其它元件可以被用作近场测试器20的一部分。例如， 可以利用隔离室来帮助将被测器件与外界物品隔离开来，否则该外界 物品会影响性能。然而，应该理解与传统的远场测试相比，近场测试 可能对这种影响更不敏感。
0033图3示出测试器20的功能图。该功能图示出各种信号和数据在 读出器28和测试头24之间是怎样被传送的，以及是怎样在读出器28的 各种内部硬件和软件部件之间移动的。图3还示出可以被耦合到读出器 28的各种外部器件，包括个人计算机50、图形用户界面(GUI) 52 (其 可以是显示器46的一部分)以及可以通过网络58耦合到计算机50的辅 助或管理计算机54。
0034现在描述的是基于近场灵敏度性能推导用于确定或预测远场 灵敏度性能的公式。应该理解这仅是近场数据可以用来确定或预测远 场器件性能的多种方法的一个例子。
0035近场容限(超过RFID器件灵敏度的过量功率)可被表示为 Mnf (dB) = Pr醫a! - g2國pnf - S (O 在该公式中，M。f是近场容限；Pr是RFID读出器输出功率(dBm)(典 型值+30dBm) ; q是近场辐射区耦合系数(dB) =10*log(l/r)，其中 r是RFID器件和耦合器之间的自由空间距离；ci2是耦合器和RFID器件之 间的耦合系数(dB) =10*log(A2/Al)，其中Al是耦合器的耦合面积， A2是RFID器件的重叠面积；Pn产近场中的RFID嵌体的失配损耗(dB) =10*log(l-p2)，其中p是反射系数，p = (VSWR-l)/(VSWR+l)= 10八(返回
损耗(dB)/20)，其中VSWR是电压驻波比，即反射电压与传输源电压的 比值；以及S是集成电路运行所需的最小射频功率。0036远场容限可以被表示为
Mff(dB)二Pt + Gtx - Lrange - Pff画S (2) 在该公式中Mff是近场容限；Pt是RFID读出器输出功率(dBm) ; 是传输天线的增益(dBi)，即典型RFID远场读出器天线的增益(典型
值是+6.0dBi); L咖ge是传输天线和嵌体之间的空间损耗-l(mog [(4TOVa)2]
(在l米范围和915MHz频率时等于31.68dB) ; Pff是远场中RFID嵌体的 失配损耗(dB) =10*log(l-p2)，其中p是和上述相同的反射系数；S是
集成电路在近场运行所需的最小射频功率。反射系数Pff和Pnf需要针对
典型的RFID器件倍特征化/测量。典型的RFID器件在远场(自由空间) 具有反射系数Pff，但是在近场，耦合器能够加载RFID器件，将其阻抗 改变为Pnf。该反射系数在金属、液体和其它电介质材料存在时也被改 变。
0037公式(1)和公式(2)可以进行如下组合。首先，两个公式 可以解出其各自的灵敏度
<formula>formula see original document page 12</formula> (5)
<formula>formula see original document page 12</formula>(6)
通过代入，
<formula>formula see original document page 12</formula>(7)
解Mff^去除相同的项得到以下表达式，
Mff = Gtx - Lrajlge- pff +(^ + 02 + pnf + Mnf (8) 公式(8)给出从近场容限预测或确定远场容限的简单表达式。0038利用方法IO，可以使用近场和远场测试通过测试多个RFID器 件22来收集数据。该数据可以被处理并且被用来生成表格或算法，该 表格或算法用于在已知条件下以确定的精确度预测RFID器件的性能。 给出简单的例子，对RFID器件的一个近场测试器的单个频率测试可以 足够在指定的精确度(诸如土0.5dB)下预测远场性能。在更复杂的例 子中，在不同测试系统中不同频率下的多个测量可以被组合以允许不 仅对一般的远场性能进行可靠预测，而且对当被附连在一系列产品上 时的远场性能进行可靠预测，这些产品中的一些可能影响器件操作频
率和带宽。
0039因此，方法10可以涉及使用一种算法或一组算法，这些算法 本质上被调适以基于近场测试数据鉴别RFID器件的远场性能。该算法 或多个算法可以被用来生成索引表，该索引表根据终端用户的要求提 供对RFID器件的有效性的决策。该索引表可以具有对不同种类用法和 器件性能相关联的有效范围，从而一组读出性能输入可以提供在一些 应用中接受该器件而在其它应用中拒绝该器件的基础。例如，对附连 在导电物体(诸如金属罐)上的器件和被附连在不导电物体(诸如塑 料瓶)上的器件可以使用不同的标准。更广泛地，方法10可以被用来 预测不同环境中RFID的性能如邻近不同类型的物体和域在具有不同 类型的可能竞争射频信号的环境中。应该理解操作环境可以具有多种 其它变体。
0040因此可以从RFID器件的近场频率性能预测或确定远场频率性 能响应的多种特性。例如，具有在某一频带上相同的平均响应的不同 器件可以适合不同类型的环境。
0041尽管针对特定的优选实施例或多个实施例已经示出和描述了 本发明，但通过对该说明书和附图的阅读和理解，很明显本领域技术 人员容易想到等价的变化和修改。特别是对于由上述元件(部件、配 件、器件、合成物等)执行的各种功能，除非另外指出，用来描述这 些元件的术语(含"手段")，意在对应于执行所述元件的特定功能 的任何元件(即功能等价)，即使结构上并不等价于本发明的示例性 实施例或多个实施例中所公开的执行该功能的结构。此外，虽然已通 过几个示例性实施例中的一个或多于一个描述了本发明的具体特征， 该特性可与其它实施例的一个或多于一个其它特性相结合，这对于任 何给定的或特定的应用可能是需要和有利的。
权利要求
1. 一种确定RFID器件的远场性能的方法，所述方法包括在所述RFID器件上执行近场测试；从所述近场测试的测试结果确定所述RFID器件的所述远场性能；其中所述确定包括使用数学算法来确定所述远场性能；以及其中所述使用数学算法包括计算远场性能参数。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述执行近场测试包括 将所述RFID器件放在接近于近场测试器的近场耦合器处；以及使用所述近场耦合器从所述测试器发送信号到所述RFID器件 和所述测试器的读出器。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述发送信号包括在一个频 率范围上发送信号。
4. 根据权利要求2或3所述的方法，其中所述执行近场测试进一 步包括所述测试器接收来自所述RFID器件的信号。
5. 根据权利要求2到4中的任何一个所述的方法，其中所述测试 器包括测试头，所述测试头包括所述近场耦合器和其中放置所述近场 耦合器的电介质材料块。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中所述测试头还包含在所述电介质材料块上的柔性表面；以及其中所述测试包括将所述RHD器件放置在所述柔性表面上。
7. 根据权利要求1至6中的任何一个所述的方法，其中所述使用数学算法包括使用査寻图或查寻表。
8. 根据权利要求1至7中的任何一个所述的方法，其中所述确定 包括确定数值的远场性能参数。
9. 根据权利要求1至8中的任何一个所述的方法，其中所述确定 包括确定所述RFID器件是否满足远场性能阈值。
10. 根据权利要求1至9中的任何一个所述的方法，其中所述确 定包括确定灵敏度、容限、峰值操作频率、频率性能响应形状、所选 频带上的平均响应、读出灵敏度以及写入灵敏度中的一个或多于一个。
11. 根据权利要求1至10中的任何一个所述的方法，其中所述确 定包括确定远场性能在不同远场操作环境中的适合性。
12. 根据权利要求1至11中的任何一个所述的方法，其中所述测 试包括执行多个测试。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述测试包括在一系列频 率上测试。
14. 根据权利要求12或权利要求13所述的方法，其中所述测试 包括用多个测试器测试。
15. 根据权利要求12至14中的任何一个所述的方法，其中所述 测试包括在多个操作环境中测试。
16. 根据权利要求1至15所述的方法，其中所述测试包括在所述 RFID器件的天线结构的所有关键部分中感应电流和电压。
17. —种RFID器件测试器，其包括 电介质材料块；所述电介质材料块中的近场耦合器；以及 电耦合到所述近场耦合器的读出器；其中所述近场耦合器被置于离所述测试器的表面一指定距离， RFID器件要放置在所述表面上。
18.根据权利要求17所述的测试器，其中所述表面是附在所述电 介质块的柔性表面材料的柔性表面。
全文摘要
一种用于确定诸如处于标牌、标签、包裹、薄膜、纸箱、包装或这些中的一部分的里面或上面的RFID器件的远场性能的方法，其包括执行RFID器件的近场测试或测量，以及基于近场测试或测量的结果确定或预测远场性能。确定或预测远场性能可以涉及基于近场结果或测量计算远场性能的测量。被预测的远场性能可以包括多种性能因素中的任何一个，包括范围、灵敏度、频率性能、读出灵敏度、写入灵敏度、峰值操作频率和/或给定频带上的平均灵敏度。使用近场测试结果来预测远场性能可以允许使用小型测试设备、RFID器件的现场测试、快速测试和/或较低成本测试。
文档编号G01R29/08GK101384911SQ200680053190
公开日2009年3月11日 申请日期2006年11月2日 优先权日2006年2月22日
发明者I·J·福斯特, T·C·威克利 申请人:艾利丹尼森公司