RFID产品认证与测试ZT

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RFID产品认证与测试
                                     作者：许立颖
无线射频辨识(Radio Frequency Identification, RFID)产品在目前台湾地区常用或热门的频率为小于135kHz、13.56MHz、922～928MHz三种频段，依通讯标准又可分为ISO/IEC系列、近场通讯(Near Field Communication, NFC)(13.56MHz)，及目前相当热门的EPCglobal(13.56MHz、860MHz～960MHz)等三种常见的标准，依使用方式又有门禁安全、金融交易、辨识及物流等应用。本文仅就上述之RFID产品所须注意的规范简单介绍，提供厂商在研发或者采购时之参考。
  
台湾地区电信产品管制之主管机关为交通部电信总局，RFID相关产品须依从「低功率射频电机技术规范」，该法规是参考美国FCC Part15之精神，依产品使用频率订定不同规定，例如发射功率，且部分频率会限定于仅某类型通讯产品可使用。而欧洲ETSI技术委员会所公告之电信产品管制规定，往往会根据个别电信产品特性及使用频率来制定不同法规，其余才依产品选用的频率来选择适合的一般性法规进行测试，如何选用适当的法规必须参考「ERC Recommendation70-03」文件。
RFID产品在台湾要符合低功率射频电机技术规范(LP0002)；在美国，则要符合FCC Part15的规定，按照所使用的频率依从相关章节内容之规定；在欧洲依使用频段分别符合ETSI EN 300 220(使用25～1000MHz)、ETSI EN 300 330(使用9kHz～30MHz)、ETSI EN 302 208(使用865～868MHz)、ETSI EN 300 440(使用1～40GHz)等法规，其中目前热门的EPCglobal标准所使用的超高频(UHF)频段，可选用EN 302 208来进行认证测试。世界各国都看到RFID所带来的商机，纷纷研拟开放专用频段，与世界潮流接轨，美国早已开放902～928MHz频段，目前国内电信总局在2005年3月也已开放922～928MHz频段予超高频RFID产品使用。
另外，RFID产品也属于电子产品，需通过一般电磁兼容(EMC)或安规(SAFETY)之测试，EMC的测试主要是分为电磁干扰(EMI)，即检验产品是否经由辐射方式或电源线发出干扰讯号，以及电磁耐受(EMS)，即检验产品之抵御干扰讯号的能力；而安规则是检验产品是否会造成燃烧或化学侵蚀等危险，目前大众对于电子产品的安全性要求越来越高，虽然产品在一般动作时不致发生上述危害，但厂商在研发期间仍应注意自身产品可能潜在的安全性问题。且通讯产品在一般使用时，若须距离人体(不包括手部)20公分以内，且功率超过规定值时，还须量测人体电磁波能量之特定吸收比(Specific Absorption Rate, SAR)，目的是为防止发射电波太强而伤害人体，减轻大众对于电磁波安全之疑虑。还有目前很热门的废电子电机设备(WEEE)及电子电机设备中危害物质禁用(RoHS)两项指令，虽然是欧盟发起的相关要求，但各国为维系欧洲市场，也开始辅导厂商遵守这两项指令，以免形成贸易障碍进而减弱电子业者竞争力。
测试13.56MHz与135kHz以下RFID产品
以下就已在使用的13.56MHz与小于135kHz之RFID产品国内测试法规与方法做介绍，而美国FCC之规定，包括13.56MHz与小于135kHz频段，均与台湾大同小异。
规定量测范围辐射
小于135kHz之RFID产品之辐射发射须符合低功率射频电机技术规范2.7节与2.8节之规定，量测范围至10倍之中心频率；而使用13.56MHz之RFID产品，除2.7节与2.8节规定外，其主波发射于距30公尺处量测所得之电场强度不得超过10mV/m。此部分测试一般于开放测试场地(OATS)或电波暗室(Chamber)内进行量测。
主波频率维持±0.01％内
采用13.56MHz的RFID产品，其频率容许差值应维持在主波频率之±0.01％以内，参考值为于20℃且正常供电的量测值，测试条件为：
‧在正常供应电压下，温度在-20～50℃间变化。
‧在20℃下，供应电压在额定值的±15％内变化，以电池供电之产品应以新电池测试。
此项测试一般可以在可调整温度的温柜里进行，将待测物置于温柜内，以直接传导或辐射方式观察主波频率于各种非常态工作环境下，都不可漂移超过0.01％。
电信总局也在「低功率射频电机技术规范」中研拟新章节，4.8节开放922～928MHz供超高频RFID产品使用，其内容定义RFID器材系指采用跳频系统(Frequency Hopping System)或数字调变技术(Digital Modulation Techniques)，提供射频识别用途之器材，其操作频率范围为922～928MHz，但被动式标签(Passive Tag)则不适用本节规范。而美国FCC Part15.247早已开放902～928MHz、2400～2483.5MHz与5725～5850MHz频段，此章节在过去乃无线局域网络或蓝芽等产品所适用之章节，亦是LP0002第4.8节所参考的对象。以下节录LP0002较重要之规定，详细条文请参考「低功率射频电机技术规范」与FCC Part15.247之内容。
依设置场所限制功率
器材设置场所及其峰值输出功率限制值如下：
‧设置于室内或特殊场所者：最大峰值输出功率1瓦(含)以下。其中特殊场所系为某特定、封闭，且管制人员进出之专属区域(不限室内或室外)场所。
‧设置于室外者：最大峰值输出功率0.5瓦(含)以下。
‧若其发射天线之方向性增益超过6dBi，应依所超过之dB数降低峰值输出功率；亦即假设天线之方向性增益若为8dBi，则最大可允许之峰值输出功率便要降低2dB。
发射功率衰减20dB
使用频带范围外之任意100kHz内，RFID产品所产生的射频功率相较于使用频带范围中包含最高所需功率之100kHz内的射频功率，须衰减20dB，以射频传导或发射方式测量。此外，落于第2.7节禁用频段之辐射发射，应符合第2.8节之规定；亦即使用922～928MHz频带外之噪声或谐波须符合第2.8节之规定，或较主波最大发射功率衰减20dB。
依频宽选择跳频频道
载波频率之频道间隔应至少25kHz，或跳频频道之20dB频宽，两者取较宽者，且系统之跳频频道应依虚拟随机数排列，在各频率之跳频频道上跳跃，每一发射机必须均等使用每一频率。当20dB频宽小于或等于250kHz时，须使用至少12个(含)跳频频道，当20dB频宽大于250kHz者，须使用至少6个(含)跳频频道，但20dB频宽不得大于500kHz。另外，在使用跳频系统方面，其每一载波频率在周期(跳频频道数乘以0.4秒)内，任一频率每次出现占用之平均时间不得超过0.4秒。
规定数字调变技术使用频带范围
数字调变技术系统在6dB频宽至少应有500kHz，在使用频带范围之任意3kHz频宽内，于天线端之峰值发射电功率密度，在任意期间内皆不得大于8dBm。
操作复合系统跳频功能
复合系统之跳频操作，当关闭直接序列或数字调变作业时，其每一载波频率在周期(跳频频道数乘以0.4秒)内，所占用之平均时间不得超过0.4秒，反之关闭跳频功能之复合系统且以数字调变技术作业时，应符合前述在使用频带范围之任意3kHz频宽内，于天线端所量测到之峰值发射电功率密度，在任意期间内皆不得大于8dBm之规定。
测试条件分为温度与电压
而有关ETSI EN 302 208(使用865～868MHz)之规定，其限制读取器发射讯号强度在某些频道最大为2W(e.r.p.)，各频道最大之频宽为200kHz。此外，该法规还规定须经严苛环境测试(Extreme Test)，在测试中产品特性不可改变致超过限制值。
而其测试条件分为温度与电压变化，温度变化一般为-20～55℃间，若产品使用场合受到限制，还可放宽测试条件；在电压变化方面，若产品使用交流电源，须测试±10％之变化；若产品使用铅酸电池，须分别测试正常电压值之1.3倍及0.9倍，而若使用Gel-cell Type电池，须分别测试正常电压值之1.15倍及0.85倍；使用干电池(Leclanch)或锂电池须分别测试正常电压值至正常电压值之0.85倍；使用镍镉电池须分别测试正常电压值至正常电压值之0.9倍；其它种类之电池则由厂商自行宣告。
EN 302 208之规定包括读取器与标签，其中读取器还分为发射机与接收机部分，美国与台湾在接收机部分要求符合一般EMI规定，以下仅节录较重要章节，详细条文请参考EN 302 208内容。
发射机
‧频率偏差：与正常使用条件相比，严苛测试条件之频率偏差不得超过±20ppm。
‧频率稳定度：与正常使用条件相比，当供给电压持续下调至0V时，其频率稳定度不得超过±20ppm。此规定仅限定使用电池之产品，且须以无调变之载波进行量测。
‧有效辐射功率：依频带划分(图1)。
‧频谱屏蔽：单一频道(fc)之发射强度不得超过如图2之屏蔽，以免干扰邻近频道。
‧非必要之发射：发射机不必要之发射(表1)。
接收机
‧听取模式：有接收机位准(Receiver Threshold)量测最小可接收位准、隔绝特性(Blocking or De-sensitisation)抵抗干扰讯号的能力，及听取时间等项目。
‧讲话模式：有邻频道选择性(Adjacent Sub-band Selectivity)抵抗相邻频道之RFID讯号干扰、隔绝特性(Blocking or Desensitisation)，及非必要之发射，限制值如表2。
标签
‧仅须量测是否辐射能量到使用频道外(图3)，在862MHz外须降至-54dBm以下。
此法规包括一般通讯产品所常见的测试规定，只要配合频谱分析仪、温柜与电源供应器即可量测。另外也将抗噪声干扰规定纳入，须使用讯号产生器或另一台RFID读取器来发射其它频道的干扰讯号，来测试待测读取器是否能选择正确的频道或卷标。测试场地可在开放测试场地或电波暗室内进行量测。
ETSI EN 300 330制定有关使用9KHz～30MHz频段的短距离无线通讯产品之规定，同样有分成发射与接收两部份。在发射机方面，距离10m之主波辐射磁场强度限制值为60dBuA/m，非必要之发射依频率有不同限制值，而发射频宽亦有限制；在接收机方面，主要量测项目为邻频道选择性、隔绝特性，及非必要之发射。本规范并无规定标签测试，但在测试读取器时，标签须一同测试。
部份测试亦须量测正常条件(正常供电、室温下)与严苛条件(变电压、最多-20～55℃变温)，皆不可逾越限制值。
有关欧盟各国的频率分配、发射功率与频带，可参考ERC Recommendation 70-03文件，此文件会依ETSI所制定的标准或各国主管机构的法令而更新，内容包括各国开放频率及适用之标准法规等。此文件也是进入欧洲市场，必参考的一份文件。
所有电子产品均须符合电磁兼容(EMC)的一般规定，电磁兼容又分为电磁干扰(EMI)与电磁耐受(EMS)，台湾和美国仅要求EMI，而欧盟另外还要求必须符合EMS之规定。
　
EMI包括辐射干扰(RE)与电源传导干扰(CE)，CE仅在产品使用市电时(含电源线)才须要量测，若仅使用电池供电则不须测试。
RFID产品所须符合的电源传导干扰的限制如表1所示，其包括准峰值与平均值的限制，两者相差10dB。一般的EMI测试接收器(Test Receiver)会包括准峰值(Quasi-peak, QP)检波器与平均值(Average, AVG)检波器，来量测QP与AVG值。准峰值检波器的输出电压会依被测讯号的脉冲速率而变化，若某频率的讯号在一段时间内重复出现率较高，便会得到较高之量测值。
辐射干扰之一般限制如表2，一般均在符合国际无线干扰特别委员会(CISPR)规定的正规化场地衰减(NSA)之场地进行量测，其可为开放式场地(OATS)，即郊区较无其它无线电波干扰之场地；或为电波暗室(Chamber)，以可吸收反射电波之电波吸收材料布建于一封闭室内之场地，来模拟开放式场地的环境。一般亦使用EMI测试接收器配合适当之天线，并考虑待测物辐射电场强度选择适当距离来量测。检测时须将待测物放置于旋转桌上，观察旋转360度与天线升降1～4m的量测值，若待测物为手持式产品时，须分别量测特测物的三个轴向，找出辐射最大电场强度之配置方式。
ETSI要求符合EMI与EMS规定
在欧洲方面，有关电信产品的EMC规定可参考欧洲电信标准协会(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)公告的文件。ETSI是一个负责制定欧洲电信标准的非营利组织，其所制定的标准亦被很多国家所参考采用，如中国大陆。ETSI所公告的文件中有关EMC的一般规定为EN 301 489-1，内容除EMI之规定外(表1、表3)，还有EMS电磁耐受规定，主要是检测待测物在各种电磁干扰环境下是否能正常动作，测试内容包括：
‧辐射耐受性测试(Radio Frequency Electromagnetic Field)：主要为仿真无线电波、电台讯号对产品之影响。
‧静电测试(Electrostatic Discharge)：主要为模拟人体所带静电或手持工具对产品的影响。
‧电性快速瞬时干扰耐受测试(Fast Transients, Common Mode)：本试验目的为验证待测物之电源线，讯号线(控制线)遭受重复出现之快速瞬时脉冲时之耐受程度。
‧电磁传导耐受测试(Radio Frequency, Common Mode)：本试验为验证待测物对射频产生器透过电源线传导之噪声耐受程度。
‧电压瞬断变异耐受测试(Voltage Dips and Interruptions)：本试验为验证待测物透过电源线仿真电压变化之耐受程度。
‧雷击耐受性测试(Surges)：本试验为针对待测物在操作状态下，电源线或通讯端口承受开关或雷击瞬时之过电压/电流突波之耐受程度。
以上并非所有测试项目或条件都要执行，须依产品特性并详细阅读其执行条件才可决定。并且目前EN 301 489共有26份文件(-1～-26，更新版本可能会有增加)，除EN 301 489-1为一般规定外，还依据各类型通讯产品特性，另外订定25份详细规范之文件，各文件还会引进其它技术规范，如必须一并测试。
台湾在射频通讯产品方面已有优良的设计能力，研发RFID产品对台湾厂商来说并非难事，但往往只注意到功能(Function)与性能(Perfor-mance)是否符合要求，却抵触各国无线电信器材管制法规，导致上市日期延迟，常见情形如下：
‧主波发射电场强度或功率过高，超过法规的限制或使用不被允许的频带。
‧主波以外之谐波或其它不必要之噪声，其电场强度或功率过高。
‧不必要噪声的电场强度或功率过高且落在禁用频带或使用频带外。
‧产品不符合EMC之相关规定。
以上几点都是工程师设计无线通讯产品时经常忽略的重点，而法规的详细内容或本文疏漏之处，可到各国电信主管机关网站取得相关文件的最新版本。于研发前即须通盘考虑产品的规格，以免造成符合A国法规却抵触B国法规的情况，而导致必须重新设计或修改电路。

通过协议认证及性能测试
以上所述，即一般所指的型式认证(Regulation Test)，属于各国强制要求检测的部份，且各国的要求会有所差异。而通讯标准(如NFC、EPCglobal)，即属统一的国际标准，于制定标准(或称协议)时，便会将各国型式认证之规定考虑在内，举例来说EPCglobal的GEN2标准使用860MHz～960MHz，即包含各主要国家之开放频段，但并非符合EPCglobal的产品皆可使用此频带，如在台湾读取器只能使用922MHz～928MHz，但只要标签能够对860MHz～960MHz(或部份)的讯号有良好的感应能力，即可应用在全球的物流运输。但是使用860MHz～960MHz频带的并非只有RFID而已，例如台湾GSM系统也在这个频带内，此时要分辨彼此，就必须要以通讯协议为之，发射端与接收端双方都必须以正确的封包格式与内容才会产生相对应的正常动作，否则就会被当成噪声不予理会。因此测试产品是否符合通讯协议标准就相形重要：
[b]‧符合性测试(Conformance Testing)：通讯协议(Protocol)部份，如射频界面、封包格式(Packet Format)等。
‧互通性测试(Interoperability Testing)：与其它产品的互通性测试。
‧性能测试：在仿真环境中测试产品性能。
以EPCglobal为例，符合性测试通常在指定的认证实验室，以仪器搭配测试软件检验产品是否符合通讯协议规范，目前是由美国MET Lab负责执行，而互通性测试也可委由MET Lab测试，而通讯业界盛行的插拔大会也是可以利用的方式。[/size]
性能测试一般是由厂商自行测试产品的性能，但因物流应用的特殊性及场地建构不易的关系，EPCglobal也特别在世界各地遴选了几所性能测试实验室，在2005年9月中旬正式公告。台湾由EPCglobal Taiwan、工研院、正隆公司、台湾电子检验中心所组成之团队─亚太RFID应用验测中心(Pacific RFID Performance Solu-tions)，成为第一波被EPCglobal所认可的四所验测中心中，亚洲地区唯一的性能测试实验室，详细公告可到EPCglobal网站查询。这些EPCglobal所指定的性能测试实验室，主要模拟贴附有符合EPCglobal标准的RFID标签之货箱或栈板等，在各种物流仓储流程中，是否能被RFID读取器正确读取。包括在输送带(Conveyor)或车载之情况下，以不同速度、不同卷标贴附位置等条件通过RFID读取器之读取范围。厂商可以就自己的货品进行测试，调整至最佳状态，如此可确保送交货物给Wal-Mart时，不致发生读取失败之情况。
NFC目前尚未正式公告其符合性测试的政策，但已有多家厂商推出NFC产品，台湾近端行动交易服务计划联盟(Proximity Mobile Transaction Service Alliance, PMTSA)日前也公开征求消费者，免费提供含NFC芯片的行动电话，在架设悠游卡系统的场所测试金融交易之应用，此测试方式可视为互通性测试与性能测试的范围。

本文作者为台湾电子检验中心副工程师：许立颖