應用于物流倉儲的偶極子反向電流對天線的研究

鄧紅星，趙超男，王 猛

（東北林業(yè)大學交通學院，哈爾濱 150040）

射頻識別（RFID）是一種無線電通信技術(shù)，主要功能是利用無線電訊號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，對運動或靜止的標簽進行不接觸識別［1-15］。如今 RFID技術(shù)已廣泛應用于醫(yī)學、軍事、物流等眾多領(lǐng)域。RFID的通訊距離遠，辨別速度快，使用時間比其他系統(tǒng)更久，容量也占優(yōu)勢，適應環(huán)境的能力在通訊中屬于上等。與磁卡技術(shù)、簡單條碼相比，RFID技術(shù)具有及時通訊的能力。當前，RFID技術(shù)在物流領(lǐng)域和供應鏈中應用廣泛，如物流公司在零部件運輸過程中，供應商通過運輸車廂內(nèi)的電子標簽對零部件的狀態(tài)進行實時跟蹤和查詢［7］，使物流在運輸環(huán)節(jié)中更加方便安全和快捷；在存儲環(huán)節(jié)中，利用RFID技術(shù)在出入庫環(huán)節(jié)配備射頻識別裝置，可以讀取到出廠零件的源頭信息，如零件型號、批次等。

1 RFID天線概述

1.1 RFID天線系統(tǒng)

RFID系統(tǒng)通常由3部分構(gòu)成，即閱讀器、電子標簽、應用系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

閱讀器：通過射頻信號對電子標簽進行讀取或?qū)懭胄畔⒌囊环N設(shè)備，讀出來的標簽信息可通過應用系統(tǒng)在本地使用，也可通過計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行信息傳達和整改。

電子標簽：存儲被識別物體的編碼，通常是把要識別的物體固定住，通過空中的接口定向協(xié)議，用不接觸方式將已存儲信息寫入或者讀出。

應用系統(tǒng)：RFID系統(tǒng)中，閱讀器是通過標準接口，應用系統(tǒng)與計算機相連，主要目的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1.2 閱讀器天線基本理論

天線可以實現(xiàn)電磁波和電流信號相互轉(zhuǎn)換。天線的形式有很多種：在系統(tǒng)中，天線設(shè)備有標簽天線和閱讀器天線2大類。閱讀器發(fā)射的電磁波務(wù)必通過天線形成電磁場，只有電場覆蓋的地方，標簽天線才可識別［8］。天線性能好壞直接影響到系統(tǒng)的工作性能和距離。

1.3 RFID天線與物流倉儲

在傳統(tǒng)的倉儲出入庫作業(yè)中，大部分依靠人工手動操作，這種作業(yè)模式需要很長時間且易出錯，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化物流倉儲作業(yè)的要求。將RFID引入到倉儲中，可實現(xiàn)信息與數(shù)據(jù)之間的非接觸快速傳遞，實施物品跟蹤，收集全面信息和實時監(jiān)控，從而提高物品的驗收效率。對溫度也可以實時監(jiān)控，縮短在庫盤點時間，提高分揀效率。

2 偶極子反向電流對天線基本理論

偶極子天線又稱對稱振子，可定義為“在中間斷開并接入饋源的導線”［9］，一般將終端開路的平行雙導體張開，構(gòu)成偶極子天線。常見的偶極子天線是半波振子天線，即每個臂長度為1／4波長，全長為1／2波長。偶極子天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 偶極子天線結(jié)構(gòu)

分析偶極子天線，首先要知道其電流分布。對于一個很細的偶極子天線，此電流按正弦分布為：

偶極子天線的輻射電阻可以寫為

其中 C＝0.577 2是歐拉常數(shù)，Ci（x）和 Si（x）是余弦函數(shù)和正弦函數(shù)的積分，由式（4）給出，

輸入電阻可以寫為

基于公式給出的理想電流分布，在不考慮導電線的直徑a和饋電處的間隔A的基礎(chǔ)上，得出輻射電阻和輸入阻抗。導電線直徑對電阻的影響不是很大，但饋電處的間隔會對天線產(chǎn)生影響，尤其是當饋電點的電流很小時。

3 偶極子反向電流對閱讀器天線設(shè)計與仿真

3.1 確定天線結(jié)構(gòu)

圖3所示為2個長度相等的半波振子，由1根傳輸線串聯(lián)饋電而組成“H形”偶極子對。根據(jù)傳輸線基本知識，當2個偶極子之間的長度約為λg／2（λg表示傳輸線的導波長）時，2個偶極子上電流存在約為π／2的相位差。實際上由于互耦的影響，相位差會和 π／2稍有偏差［15］，但由于偶極子之間λg／2的間距已經(jīng)比較大，互耦對電流相位的影響不明顯，因此忽略了互耦的影響，而當偶極子間距較小時，互耦將對電流幅度和相位產(chǎn)生較大的影響。

為了擴大天線的識別區(qū)域，上述的“H形”偶極子對可以拓展為包含多個偶極子的陣列。為了驗證其可拓展性并不失一般性，本文設(shè)計了1個三單元串饋偶極子天線，如圖4所示。該天線由3個半波偶極子天線、1條CPS饋線和匹配部分組成［11］。3個偶極子的長度分別為 l1、l2和 l3，連接相鄰偶極子的 CPS的長度為 d（半個導波波長λg／2）。由于該天線的輸入電阻比較接近50Ω，因此本文僅使用1個匹配電容C進行電抗匹配。匹配電容C的大小取決于天線輸入電抗的大小。仿真模型的具體結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖3 “H型”偶極子對及其理論電流分布

表1 模型尺寸

圖4 天線結(jié)構(gòu)

3.2 天線仿真設(shè)計流程

第1步按照具體尺寸畫出結(jié)構(gòu)圖，加入電源、電容和饋線。

第2步加入介質(zhì)板和空氣盒子，設(shè)計好坐標和對應的尺寸。

第3步設(shè)計金屬的邊界條件、輻射邊界條件。

第4步設(shè)計激勵方式。

第5步檢驗參數(shù)并保存。

第6步對上述進行仿真。

第7步數(shù)據(jù)后處理（查看仿真結(jié)果）。

3.3 天線仿真結(jié)果分析

圖5給出了該天線仿真和測試的端口反射系數(shù)隨頻率變化的曲線。由圖5可見，仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合得較好。該天線具有945 MHz（900～945 MHz）的帶寬（對于 -10 dB端口反射系數(shù)），這個頻段足以覆蓋中國 RFID的頻段（920～925 MHz）［12］。所以，該天線滿足近場 UHF RFID的頻帶要求。

圖5 端口反射系數(shù)參考

圖6 給出了該天線的仿真電流分布。相鄰單元上的電流方向相反，形成了2對ODCs，使得磁場顯著增強。

圖6 電流分布

圖7 給出了仿真時在相同高度z0＝30 mm時基于偶極子反向電流對天線（a）和傳統(tǒng)偶極子天線（b）的識別區(qū)域。可以看出：基于偶極子反向電流對天線的識別區(qū)域和磁場相較于傳統(tǒng)偶極子天線均有明顯的增大。

圖7 相同高度下的不同磁場分布

圖8 給出該天線仿真三維增益方向圖，圖9對應了最大輻射方向和最大增益。由上述仿真結(jié)果可知，加入偶極子反相電流對的天線在磁場增益方面有著明顯的提高，增益高達6.0 dB，同時在天線的輻射范圍也有明顯得擴大［13-17］。

圖8 三維增益方向

圖9 最大輻射方向和最大增益

4 結(jié)束語

本文將偶極子反向電流對天線技術(shù)應用到物流倉儲管理過程中，增加了信息采集速度并提高了準確度，擴大了物流倉儲識別區(qū)域，降低了因系統(tǒng)性能缺陷而導致的庫存差錯，使企業(yè)運作成本降低，管理更加科學高效。設(shè)計的新型閱讀器天線，增加了偶極子對數(shù)，形成反向電流對。仿真結(jié)果表明，該天線具有更好的反射系數(shù)、較好的相對帶寬和增益。反向電流對的加入增強了天線磁場，擴大了識別區(qū)域，基本解決了傳統(tǒng)偶極子天線存在的識別“盲區(qū)”問題，適用于大型物流倉儲管理，符合現(xiàn)代物流快速發(fā)展的趨勢。