密集布放環(huán)境下的標簽互阻設(shè)計方法

彭章友 孟春陽任秀方 李 帥

(上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點實驗室 上海 200072)

密集布放環(huán)境下的標簽互阻設(shè)計方法

彭章友 孟春陽*任秀方 李 帥

(上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點實驗室 上海 200072)

在密集布放環(huán)境中，超高頻射頻識別標簽(UHF RFID)會受到相鄰標簽的干擾產(chǎn)生互阻抗，導(dǎo)致讀取率下降。基于二端口網(wǎng)絡(luò)和八木陣列天線的理論，該文分析天線結(jié)構(gòu)與互阻抗的關(guān)系，并解釋標簽天線傳輸系數(shù)和增益的變化原因。進而提出一種密集布放環(huán)境中的標簽互阻設(shè)計方法。仿真和測試結(jié)果表明，新標簽不僅單一性能良好，且互相間的干擾小，適用于多標簽密集布放環(huán)境中的射頻識別系統(tǒng)。

無線通信；標簽天線；密集布放；互阻抗；傳輸系數(shù)

1 引言

在無源超高頻(UHF)射頻識別系統(tǒng)(Radio Frequency IDentification, RFID)中，若標簽密集布放，天線間的干擾將嚴重影響系統(tǒng)讀取率[1]，因而如何提高密集布放下標簽的識別率成為了亟需解決的一大難題。文獻[2,3]分析并測試了在不同標簽間距下，成功讀取全部標簽的最遠距離，并給出了標簽芯片阻抗變化的測試方法。文獻[4]分析了多標簽下，標簽的阻抗模型，并給出了標簽間的互阻抗表達式。但以上3篇文獻都局限于標簽間間距在20 cm以上，未考慮如紙質(zhì)文檔歸類時，要求標簽間距只有幾毫米的密集布放場景。文獻[5]依據(jù)單標簽的增益表達式，分析了兩標簽時的標簽增益模型，并測試了多標簽下標簽的增益變化，但未提出改善密集布放下標簽增益的方法。文獻[6]也經(jīng)過實驗測試，發(fā)現(xiàn)了多標簽“群讀微弱點”的變化趨勢，但仍未提出解決方案。文獻[7]通過改善閱讀器天線，采用2×2的高增益天線陣列來提高RFID系統(tǒng)的讀取率。文獻[8]提出了一種新的分組算法，改善了RFID標簽的防碰撞能力，進而提高讀取率。但文獻[7,8]的兩種方法，未從本質(zhì)上解決密集環(huán)境下RFID系統(tǒng)讀取率低的問題，且為提升讀取率所帶來的成本和復(fù)雜度也頗高。

本文結(jié)合二端口網(wǎng)絡(luò)模型和八木陣列天線理論，從標簽天線間的干擾角度出發(fā)，通過對標簽天線傳輸系數(shù)τ和增益G的分析。提出了適用于密集布放下的RFID標簽互阻設(shè)計方法，仿真結(jié)果和微波暗室測試表明，本文設(shè)計的新標簽，不僅單一性能良好，且在標簽密集布放時互相間干擾小，適用于多標簽射頻識別系統(tǒng)。

2 標簽結(jié)構(gòu)與設(shè)計

圖1(a)為一款無源RFID標簽，采用阻抗匹配環(huán)和彎折線實現(xiàn)天線小型化[9,10]。根據(jù)文獻[11]建立的彎折線偶極子天線電感電路模型和兩根導(dǎo)線電流方向相反且間距遠遠小于波長時，電流輻射場將相消而無明顯輻射的電磁理論，將圖1(a)RFID電子標簽的輻射模型，等效成全長為天線主要輻射長度L的簡單對稱偶極子如圖1(b)。并將標簽天線劃分為3部分如圖2所示：(1)參數(shù)b,e代表標簽輻射臂長，調(diào)節(jié)天線間的互阻抗[12]；(2)參數(shù)g,h和c,d,l, m分別代表匹配環(huán)接入點和彎折線的幾何位置[13]，調(diào)節(jié)阻抗匹配；(3)參數(shù)a,n代表兩邊矩形片及標簽整體尺寸，調(diào)節(jié)天線增益。

圖1 RFID電子標簽

圖2 標簽初始模型

2.1 傳輸系數(shù)

在n枚標簽密集布放下，RFID標簽的等效電路可由芯片阻抗Zc，天線自阻抗Zii，閱讀器天線輻射的激勵源Vi和其他標簽輻射的激勵源Vji組成[6,14]，其模型如圖3所示。

圖3 標簽等效電路模型

當3枚標簽擺放時，目標標簽1的端口輸入阻抗為

當k枚標簽擺放時，令k?1枚標簽滿足上述情況，即

則k枚標簽時，目標標簽1的輸入阻抗為

因此，第1枚標簽的輸入阻抗為

由于相同的n枚標簽擺放時：

且每一枚標簽都是一個獨立的個體，因而第1枚標簽的輸入阻抗和第i枚標簽的輸入阻抗是一致的。所以，在n枚標簽密集布放環(huán)境中，目標標簽i的輸入阻抗為此外，根據(jù)標簽天線與芯片間的共軛匹配關(guān)系，推導(dǎo)第i枚標簽受到其余n?1枚標簽干擾后的標簽天線傳輸系數(shù)τi：

在上述所有公式中，R為阻抗實部，X為芯片阻抗虛部，Zin為RFID標簽的輸入阻抗，ZIC為芯片阻抗，Zii為第i個RFID標簽的自阻抗，Zij為第i個RFID標簽和第j個RFID標簽的互阻抗。在標簽密集布放中，隨著標簽的增多，天線互阻抗虛部Xij逐步增加，傳輸系數(shù)不斷減小。因此，若要保證標簽傳輸系數(shù)不被嚴重惡化，需使互阻抗虛部Xij較小。

2.2 天線增益

密集布放下，目標標簽主要受相鄰標簽的干擾，其中標簽天線的增益將隨著輻射效率er改變，分析模型類似于八木陣列天線，以圖4所示的兩標簽為例來分析天線增益。

根據(jù)八木天線理論，可知在干擾天線1的影響下，目標天線2的輻射阻抗為

由于互阻抗的影響，導(dǎo)致目標天線的輻射阻抗改變。當天線間的互阻抗Z12增大，輻射阻抗Zr1減小，天線輻射效率降低；若天線間的互阻抗變小，輻射效率增大，接近于1。圖5表明了不同間距下，即不同的互阻抗下目標標簽2的天線輻射效率。

2.3 互阻抗

依據(jù)前文中傳輸系數(shù)和增益的分析可知，在密集布放下，天線間產(chǎn)生的互阻抗是惡化標簽性能的關(guān)鍵因素[15]。

根據(jù)圖6所示的互阻抗分析模型和偶極子天線近場互阻抗理論，標簽間的互阻抗為[16]

式中，k是與波長相關(guān)的常數(shù)，l為偶極子標簽總長度的一半，r1為兩RFID標簽的距離，r2為標簽1的末端到標簽2頂端的距離，r為標簽1的中心到標簽2頂端的距離。由式(12)可知，天線間產(chǎn)生的互阻抗只與天線的形狀和間距有關(guān)。

令r1=d=c;r=;r2=，在標簽間間距d極小時，互阻抗Z21虛部：

圖4 標簽天線增益分析模型

圖5 不同間距下的標簽天線輻射效率

圖6 互阻抗分析模型

其中，可見標簽天線的輻射臂長度L與互阻抗虛部成正比，如圖7所示。

因此，要降低標簽間互阻抗，提升密集布放下標簽的讀取率，應(yīng)使用輻射臂較短的標簽。此外，根據(jù)標簽芯片和天線的阻抗共軛匹配關(guān)系[17]和傳輸系數(shù)τi的分析，要使天線間產(chǎn)生的互阻抗虛部小，需在選取芯片時，選用阻抗虛部小的電子芯片。因而，優(yōu)化設(shè)計的新標簽選用阻抗為11?j142的Monza-4芯片，而原標簽選用的則是阻抗為14.4?j160.4的Monza-5芯片。此外，本文設(shè)計的RFID 標簽工作在超高頻920 MHz。

依據(jù)前文的天線結(jié)構(gòu)劃分，進而調(diào)節(jié)尺寸參數(shù)，改善標簽天線的傳輸系數(shù)τ、天線增益G和互阻抗Z12。為此，擬定3個性能參數(shù)：(1)920 MHz時，單標簽的傳輸系數(shù)τ；(2)920 MHz時，單標簽的天線增益G；(3)兩標簽下，標簽間距為2 mm時，標簽天線產(chǎn)生的互阻抗Z12。

3 實驗測試與分析

設(shè)計制作后的標簽如圖8所示。

參數(shù)a=15 mm, b=11.9 mm, c=15.2 mm, d=16 mm, e=3 mm, g=3.2 mm, h=14 mm, l=2 mm, m=16.1 mm, n=58 mm。標簽仿真性能對比如圖9所示。

在超高頻920 MHz，天線傳輸系數(shù)由0.42增大到0.80，增益由1.86 dBi提升到2.28 dBi；兩標簽下，標簽在間距2 mm時產(chǎn)生的互阻抗虛部從60.17?降到46.01 ?，實部均保持在0 ?。設(shè)計的新標簽輻射臂為28 mm，相較于原標簽，減少了16 mm。

新標簽在微波暗室中測試驗證，標簽到閱讀器的距離固定為1 m。閱讀器系統(tǒng)工作頻率為920 MHz，閱讀器天線增益為8.5 dBi。單標簽下，閱讀器所需最小讀取功率和兩枚標簽下，目標標簽受干擾標簽影響后的最小讀取功率分別如圖10，圖11所示。

在整個頻段內(nèi)，設(shè)計的新標簽與原標簽相比，性能差異不大。在超高頻910～925 MHz中，優(yōu)化后的標簽比原標簽略好，閱讀器所需的最小讀取功率僅為8 dBm。兩標簽下，隨著間距的不斷增加，設(shè)計的新標簽將更快接近單一時的性能。超高頻920 MHz時，原標簽在單一情況下的讀取功率為13 dBm，當兩枚標簽間距為30 mm時，目標標簽的讀取功率增為19 dBm，相差6 dBm；而優(yōu)化后的標簽，功率值分別對應(yīng)為12 dBm和14 dBm，僅相差2 dBm。實驗說明新標簽互相耦合影響比原標簽小，也說明在相同功率的多標簽密集布放環(huán)境下，新標簽將比原標簽讀取距離更遠，讀取率更高。

在空曠的環(huán)境中，將多枚原標簽和新標簽進行讀取對比實驗。規(guī)定系統(tǒng)有效輻射功率為2 W，閱讀器天線距離標簽為1 m，標簽正對閱讀器天線水平擺放，標簽總數(shù)依次分為15, 25, 35, 45，共4組實驗。在每組實驗中，相鄰標簽間的間距依次為2 mm, 3 mm, 4 mm。測試結(jié)果如表1，表2所示。

實驗分析可知：(1)固定標簽間間距，標簽數(shù)目越多，環(huán)境越密集，系統(tǒng)讀取率越低；(2)固定標簽數(shù)目，標簽間間距越近，系統(tǒng)所能讀取的標簽個數(shù)越少；(3)相同環(huán)境下，新標簽的讀取率遠高于原標簽。由此可見，設(shè)計的新標簽適用于密集布放下的多標簽識別系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

結(jié)合二端口網(wǎng)絡(luò)和八木陣列天線理論，分析了密集布放下，多標簽讀取性能下降的原因。進而提出了一種適用于密集布放下的標簽互阻設(shè)計方法。仿真和測試表明，設(shè)計的新標簽傳輸系數(shù)τ和增益G都高于原標簽，且標簽間產(chǎn)生的互干擾小。最后，將新標簽應(yīng)用于密集布放的多標簽識別系統(tǒng)中，實驗顯示新系統(tǒng)的讀取性能獲得了大幅提升。但需要指出的是，本文對標簽的分析，是基于簡化后的偶極子模型，且標簽間以前后平行方式擺放。下一步工作將針對在密集布放的環(huán)境下，從標簽本身的不規(guī)則形狀和標簽間不同的擺放角度出發(fā)，提出更完善的多標簽識別方案。

圖8 優(yōu)化后的新標簽

圖9 新標簽與原標簽性能對比

圖10 單標簽對比

圖11 兩標簽對比

表1 原標簽密集群讀實驗

表2 新標簽密集群讀實驗

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彭章友： 男，1965年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為無線通信技術(shù)、通信信號處理、交通信息工程與控制等.

孟春陽： 男，1990年生，碩士生，研究方向為RFID讀寫器天線和標簽天線.

任秀方： 女，1989年生，碩士生，研究方向為RFID標簽天線.

李 帥： 男，1988年生，碩士生，研究方向為RFID標簽測試方法.

Design of Stacked Tags for Mutual Impedance in Intensive Distribution Environment

Peng Zhang-you Meng Chun-yang Ren Xiu-fang Li Shuai
(Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

In the dense distribution environment, the Ultra-High Frequency Radio-Frequency IDentification (UHF RFID) tags are interfered by the mutual impedance of adjacent tags, which can lead to a decline in reading rate. Based on the two-port network and Yagi-Uda antenna array theory, this paper firstly analyzes the relationship of antenna structure and mutual impedance. Then, the reasons for the change of the tag antenna transmission coefficient and the gain are explained. At last, a design of stacked tags for mutual impedance in intensive distribution environment is proposed. The numerical simulation and measurement results show that the new kind of RFID tag, not only has better performance in stand-alone scenario, but also has less interference between each other. It is suitable for RFID system in dense environment of multiple tags.

Wireless communication; Tag antenna; Dense environments; Mutual impedance; Transmission coefficient

TN92；TN821+.4

： A

：1009-5896(2015)06-1304-06

10.11999/JEIT141340

2014-10-20收到，2014-12-20改回

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(12510500600)資助課題

*通信作者：孟春陽 mcy61346688@163.com