基于相控陣技術的新型無源RFID標簽理論研究*

楊　棟， 毛陸虹， 李美苓

(天津大學 電子信息工程學院，天津 300072)

基于相控陣技術的新型無源RFID標簽理論研究*

楊棟， 毛陸虹， 李美苓

(天津大學 電子信息工程學院，天津 300072)

摘要:基于無源超高頻射頻識別(UHF RFID)系統(tǒng)的基本工作原理，提出了一種新型標簽，將相控陣天線引入無源標簽，使得標簽具有了定位功能，并且可以改善UHF RFID系統(tǒng)的通信距離。對標簽相控陣天線各參數進行了理論數值分析，并使用Matlab軟件針對不同的天線陣元個數和陣元間距仿真天線波束幅值與方向性參數，進而實現(xiàn)對理論分析結果的驗證。結果表明：理論與仿真結果相符。通過仿真確定了合適的相控陣天線參數，為進一步的研究設計奠定了理論基礎。

關鍵詞：射頻識別； 無源標簽； 相控陣技術

0引言

射頻識別(RFID)是二十世紀九十年代興起的一項利用射頻信號進行非接觸式雙向通信，自動識別目標對象并獲取相關信息數據的無線通信技術[1]。它利用射頻信號的空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別對象的目的[2]。RFID被公認為二十一世紀十大重要技術之一，已經成功應用到生產制造、物流倉儲、資產管理、交通運輸、醫(yī)療衛(wèi)生、商業(yè)零售、銀行、公交車票、公共安全等各個領域[3]。

超高頻(UHF)RFID系統(tǒng)最基本的構成包括閱讀器(reader)和電子標簽(tag)兩部分[4]。其中，電子標簽可分為無源標簽、有源標簽和半有源標簽三種。由于無源標簽從閱讀器發(fā)出的電磁波中獲取能量[5]，無需內置電源，具有體積小、重量輕、成本低，使用壽命不受限等優(yōu)點，因此,無源標簽相比另外兩種標簽受到越來越多關注[6]。王晉雄等人針對無源標簽內部電路的研究[7]，提出了一種新型的整流電路結構，將整流電路的轉換效率提高到了30 %，同時降低了穩(wěn)壓電路的功耗，實現(xiàn)為數字電路提供1V電壓的同時功耗為500nW，進而提高了標簽與閱讀器的通信效率。杜永乾等人針對無源標簽內部電路的研究[8]是將射頻/模擬前端通過系統(tǒng)分區(qū)和分時供電對系統(tǒng)功耗進行了優(yōu)化，實現(xiàn)的讀取距離大于6m。李揚陽等人通過對閱讀器天線進行設計[9]，使得RFID系統(tǒng)具有了定位功能，增大了系統(tǒng)工作范圍，改善了信噪比，有效提高了標簽與閱讀器之間的通信效率。

基于以上研究，本文從天線接收射頻能量的角度出發(fā)，提出一種可實現(xiàn)遠距離通信且具有定位功能的新型標簽，即在標簽中引入相控陣技術，構成相控陣天線，在連續(xù)的時間內形成多個不同方向的高增益窄波束。該技術的應用可以確定標簽與閱讀器之間的方向角和距離，實現(xiàn)對閱讀器的準確定位，同時窄波束范圍可以滿足更遠距離的通信。

1相控陣天線的基本工作原理

閱讀器和標簽之間的射頻(RF)場環(huán)境是RFID系統(tǒng)中重要的因素[10]，RF場環(huán)境的建立需要天線向空間輻射RF能量，但是通常天線的輻射方向圖是固定的，這就降低了RFID系統(tǒng)的工作效率。天線的發(fā)射功率限制和固定的輻射方向圖，導致RFID系統(tǒng)的有效識別區(qū)域受限，加上在系統(tǒng)射頻場識別區(qū)域內存在多徑干擾，導致標簽接收到的能量進一步降低，限制了系統(tǒng)工作的最大距離。為此，本文在標簽中使用相控陣天線進行波束掃描控制。

1.1相控陣天線的定位

本文提出的基于相控陣技術的標簽工作原理圖1。

圖1　標簽工作示例圖Fig 1　Working example of tag

其工作過程為：1)改變相控陣天線陣列之間的相位差來改變天線陣列所發(fā)出的波束方向，實現(xiàn)相控陣天線的掃描功能，確定標簽接收到的相應信號的閱讀器的掃描范圍，從而確定閱讀器與天線陣列的方向角θB；2)建立標簽接收功率P與天線陣列到所發(fā)射信號的閱讀器之間距離s的函數，此函數不依賴于天線的波束指向，因此，當波束指向不同時，可用同一函數根據接收功率來計算閱讀器與標簽天線之間的距離;3)根據所確定的方向角和距離可實現(xiàn)閱讀器的定位。

圖1所示的標簽還具有智能選擇的功能，標簽通過上述過程首先進行一次波束掃描來確定閱讀器1和閱讀器2的位置以及對應的接收功率，并通過一定方式將其記錄保存，之后相控陣天線進行第二次掃描，根據記錄的接收功率大小自動調節(jié)天線的波束指向來選擇能使標簽的接收功率較大的閱讀器來進行通信。

1.2標簽與閱讀器之間遠距離通信的實現(xiàn)

RFID系統(tǒng)中，標簽與閱讀器之間的通信是通過天線來完成的，良好的天線設計能使標簽獲得盡可能多的能量。RFID系統(tǒng)的有效工作距離與標簽天線接收到的功率有關，標簽通過天線接收射頻能量來啟動內部電路工作。天線的接收功率與發(fā)射功率、兩天線之間的距離及天線波束的最遠距離有關，其公式為

(1)

式中Pr為接收天線的接收功率，Pt為發(fā)射天線的發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線的增益，Gr為接收天線的增益，R為兩天線間的距離，天線的增益(G)與波束的最遠距離(Ae) 的關系為

(2)

而天線波束的最遠距離Ae與波束立體角ΩA的關系為

Ae·ΩA=λ2

(3)

由以上公式可得，在一定頻率下，天線增益與波束范圍呈反比關系。因此，在發(fā)射功率一定的情況下，減小波束范圍可以提高接收功率，而在標簽最小接收功率一定的情況下，減小波束范圍可以提高增益，進而增大系統(tǒng)的有效識別距離。如圖2所示，波束在一定的時間內在多個方向進行掃描，在同等功率下，高增益的窄波束比低增益固定波束的掃描距離要遠，且波束在空間內進行掃描，其識別范圍也增大。因此，在標簽中引入相控陣天線提高了標簽的工作距離和識別范圍。同時，減小波束范圍使得進入范圍內的干擾信號變少，降低了多徑干擾。

圖2　相控陣波束與固定波束Fig 2　Phased array beam and fixed beam

2相控陣技術

相控陣天線包含一系列的天線陣元，每個陣元等間距分布，工作時，每個陣元上都接有一個移相器控制各陣元之間相對饋電方式，改變相控陣天線的波束控制，使得波束在空間內按一定規(guī)律掃描，其示意圖如圖3所示。

圖3　n元線性相控陣天線Fig 3　Linear phased array antenna of n element

2.1相控陣天線的幅值

圖3中，n為天線陣元的數量，d為相鄰兩天線陣元之間的間距，入射方向與陣面法線方向夾角為θ，因此，相鄰兩陣元的波程差引起的相位差為

(4)

式中λ為接收信號的波長。

假設每個天線陣元對應的激勵電流幅度為ai(i=0,1,…,n),激勵電流在相鄰兩個天線陣元間的相位差為ΔφB，是由天線陣中移相器提供的附加相位，目的是獲得波束掃描方向。然后依據相控陣天線的方向圖函數(5)，可以確定波束在某一方向上的幅值大小

(5)

(6)

由式(6)可得，天線的幅值與天線陣元個數n和陣元間距d有關

2.2相控陣天線的波束指向

(7)

2.3相控陣天線的波束寬度

(8)

化簡可得波束寬度Δθ3dB為

(9)

由式(9)可得，波束寬度Δθ3 dB與天線的陣元個數n以及陣元間距d有關，當兩者乘積一定時，波束寬度一定。

3相控陣天線參數仿真驗證

上述分析表明天線的波束指向、波束寬度均與天線陣元數n及相鄰陣元間距d有關，為探究這兩個參數對相控陣天線波束的影響，使用Matlab軟件對相控陣天線進行仿真，觀察其波束方向性隨陣列個數和陣元間距的變化，為便于比較，仿真幅值采用對固定天線陣列幅值的歸一化系數來表示。

3.1天線方向圖與陣元個數的關系

從圖4的仿真結果可以看出:隨著相控陣天線陣元個數的增加，相控陣波束的寬度會變窄，同時其增益變大，天線波束方向性變好。但陣元個數的增加不可避免地增大了整個相控陣天線的面積，因此,在應用中要選擇合適的個數。

圖4　相控陣波束隨陣元個數n的變化Fig 4　Phased array beam varies with element number n

3.2天線方向圖與陣元間距的關系

圖5所示為相控陣波束與陣元間距之間的關系，從其仿真結果可以看出:隨著陣元間距的減小，天線波束寬度變大，增益變小，方向性變差。因此，陣元間距越大，陣列天線的性能越好，但是陣元間距增大的同時也增加了整個相控陣的面積，因此,相控陣天線陣元間距的選擇也是一個折衷的過程。

圖5　相控陣波束隨陣元間距d的變化Fig 5　Phased array beam varies with element space d

對天線進行進一步仿真對比得到圖6，從圖6中可以看出:天線陣元個數為10，陣元間距為λ/2時，其波束寬度和方向性與陣元個數為20，陣元間距為λ/4時相同。這表明，陣元個數與陣元間距的乘積不變時，天線陣列的波束寬度和增益保持不變，即相控陣天線的波束方向性與其整個陣列的面積有關。

圖6　相控陣波束與陣元個數和陣元間距的關系Fig 6　Relationship between phased array beam and element number & space

綜合以上仿真結果可以看出:以上仿真結果與第2小節(jié)的理論推導結果相符。

4結論

本文提出了一種基于相控陣技術的新型標簽，將相控陣天線與射頻無源標簽相結合，通過控制相控陣天線的波束指向來進行空間掃描，使無源標簽具有空間定位功能。通過理論分析與仿真表明：使用相控陣天線的UHFRFID無源標簽與使用固定天線的標簽相比，具有更好的方向性和更遠的工作距離，并且掃描范圍變大，增益顯著提高，同時改善了UHFRFID系統(tǒng)的抗干擾能力。

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TheoreticalresearchofnewtypepassiveRFIDtagbasedonphasedarraytechnology*

YANGDong,MAOLu-hong,LIMei-ling

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract:Based on basic working principle of passive UHF RFID system,propose a new type tag which intoduces phased array antenna to make the tag has function of positioning and can improve communication distance of UHF RFID system.Theoretical and numerical analysis on parameters of tag phased array antenna is done,for different number of antenna array element and different element space,magnitude and direction parameters of the antenna beam are simulated by Matlab.Simulation results coincide with theoretical analysis.Appropriate parameters of phased array antenna is determined by simulation,which lay theoretical foundation for further study and design.

Key words:radio frequency identification(RFID); passive tags; phased array technology

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0032—03

收稿日期：2015—08—03

*基金項目：國家自然科學基金資助項目(61372011)

中圖分類號：TN 821

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)04—0032—03

作者簡介:

楊棟(1992-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，主要研究方向為射頻集成電路設計、微波與毫米波電路設計。