基于软件自动化的天线高速切换箱的设计

李超, 吴垚

(1.中国人民解放军92728部队,上海 200040;2.海装驻上海地区第十军事代表室,上海 200233)

0 引言

在复杂的军用RFID应用系统环境下,军用RFID超高频(UHF)和2.4 GHz电子标签的性能和识读效果直接影响军用物资、车辆、器械、医疗用品、食物等的实时监控、后勤保障、物品追溯和总体的把控管理,因此军用RFID UHF和2.4 GHz电子标签的性能至关重要[1]。

目前国军标电子标签性能测试标准规范中,只规定了无源电子标签和有源电子标签的性能测试要求,但没有提出测试方法、测试设备、测试环境等要求和规范[2]。国际通用电子标签性能测试标准ISO/IEC 18046-3规定了单一方向性能测试的环境要求、测试方法[3],但其最新标准的发布时间是2012年,至2022年没有更新。在军用RFID应用场景中,不仅需要测试RFID电子标签的单一方向性能,还需要测试电子标签全方向的应用性能,而2012年的国际测试方法无法满足军用RFID电子标签性能测试需求[4]。因此,为了更好的测试和模拟出RFID UHF和2.4 GHz电子标签的全向识读性能,根据OTA中的全向性能测试方法[5],搭建RFID-OTA系统测试环境,从而完成RFID UHF和2.4 GHz电子标签的三维性能测试[6]。

为保证标签的三维全向性能的精确性,在此次系统中采用16探头测试方案,每隔22.5°测试标签的双极化性能,因此在该测试系统中采用了15组双极化测试天线,总共30组路径切换。而水平方向需要测试12个角度,因此1个产品测试至少需要进行360次天线切换。为保证测试速度[7]、减少人工的系统连接时间、降低系统测试的不确定度,需要设计一台软件自动化测试系统专用的天线高速切换箱,把天线的极化方向之间、天线和天线之间的切换动作转化为软件程序化语言,利用软件控制自动化实现自动完成所有测试天线的切换,从而提高测试效率,保证测试结果的准确性[8]。

1 路径需求

RFID-OTA测试系统使用的是16天线测试方案(15组测试天线、1组通信天线),如图1所示。

图1 系统测试天线配置

其中每组测试天线分为水平极化和垂直极化两个方向,因此在实际测试中一个水平角度下需要完成30个天线极化的测试。整体端口的设计需求如表1。

表1 端口设计需求

2 链路设计

根据路径需求和外接射频端口设计,RFID-OTA高速开关箱内部测试连接图如图2所示。

图2 高速开关箱内部需求图

目前市面上没有支持30条路径的切换开关,因此为保证内部线路能够快速进行切换需要尽可能少的使用射频开关,从而保证测试天线之间的切换。

高速切换箱采用三级固态开关串联的控制方式,PC通过NI GPIB控制卡发出路径切换控制指令到HWA-GPIB控制板,控制板接收到上位机开关切换指令后,输出TTL控制信号到固态开关控制端,固态开关根据控制信号的高低电平逻辑来完成开关切换,最终实现整条射频测试链路的路径切换。最终高速开关箱内部设计图如图3所示。

图3 高速开关箱内部连接图

图3其中A、B、C为三层切换结构,A1、B1、B2、B3、C1～C12为单刀四掷开关,真值表如表2所示。

表2 单刀四掷开关真值表

软件控制逻辑见表3。

表3 软件端口控制指令

由于测试过程中需要进行多次路径切换,为保证测试速度和设备的使用寿命,在进行开关选型时采用固态开关。相比机械开关,固态开关具有切换响应速度快,寿命长等优点,在测试过程中不会发生开关断链情况,但固态开关因其本身的半导体特性,在使用时会产生较大的热量,在散热条件不理想的情况下可能对开关造成不可逆的损伤。

同时在RFID-OTA测试系统中,为了降低线缆的损耗,高速开关箱会放置在暗室内部,放置空间狭小,不利于散热,长期使用的情况下还会影响高速开关箱的性能指标,如:电压驻波比、插入损耗等,从而对整个测试系统的测试精度带来一定的影响。因此在进行内部结构设计时,改善高速开关箱内部开关排列分布,通过采用竖排排列的方式,一个单刀六掷开关对应一列输出端口,调整风扇分布,增加传导式散热模式,提高高速开关箱的散热效率,从而提高高速开关箱的稳定性和使用寿命。设计如图4、图5所示。

图4 开关散热设计

图5 高速开关箱连接端口设计

同时为了实现软件自动化控制射频信号处理单元的路径切换,设计时加入多功能专用控制板,通过RJ45网络端口对开关箱切换链路进行控制连接,配合测试仪表进行天线间的快速切换,从而保证测试系统能够正确选择天线进行测试,使测试系统完整测试除待测物品的2D/3D方向性能。

3 总结

通过设计RFID-OTA系统高速开关箱,进行软件控制开关链路的切换,使该系统测试天线之间切换具备自动化能力,不仅提高了测试效率,还保证了测试结果的准确性。同时通过选择高速控制板、高性能开关和合理的链路设计,增加设备的散热效率,使软件控制天线路径切换时间<10 ms,所有天线路径的电压驻波比在工作的频率范围内小于2.5∶1,且每条路径损耗小于3.5 dB,各路径之间的隔离度>30 dB。实际应用及测试结果表明,该高速开关箱软件控制、路径设计方法正确有效。