密集環(huán)境下無(wú)源超高頻系統(tǒng)RFID標(biāo)簽識(shí)別性能研究

燕怒 李達(dá) 韓冬桂 劉芳 肖夢(mèng)帆 彭亞文

關(guān)鍵詞： 射頻識(shí)別; 無(wú)源標(biāo)簽; 密集環(huán)境; 互耦效應(yīng); 雷達(dá)散射截面; 最大識(shí)別距離

中圖分類號(hào)： TN975?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）14?0018?04

Research on RFID tag recognition performance of passive

UHF system in dense environment

YAN Nu， LI Da， HAN Donggui， LIU Fang， XIAO Mengfang， PENG Yawen

（College of Mechanical Engineering & Automation， Wuhan Textile University， Wuhan 430000， China）

Abstract： The mutual coupling effect between tags in dense environment has an important influence on the tag recognition performance. Taking the passive double?tag of the UHF radio frequency recognition system in dense environment as the research object， the input impedance of the mutual coupling model under different tag spacing and the monostatic radar cross section （RCS） of the tag antenna under different load conditions are analyzed on the basis of the antenna scattering theory and by using the high?frequency electromagnetic field simulation software HFSS. And then the maximum recognition distance of the tag antenna in dense environment is obtained. The calculation result was verified in the experiment. The research results can contribute to optimization of the tag antenna design and improvement of the tag recognition performance in dense environment.

Keywords： radio frequency recognition; passive tag; dense environment; mutual coupling effect; radar cross section; maximum recognition distance

0 ?引 ?言

超高頻射頻識(shí)別是一種利用電磁場(chǎng)反向散射進(jìn)行標(biāo)簽識(shí)別的無(wú)線傳輸技術(shù)。它能實(shí)現(xiàn)快速無(wú)接觸識(shí)別，準(zhǔn)確讀取多枚標(biāo)簽信息，同時(shí)具備較高的數(shù)據(jù)傳輸效率和數(shù)據(jù)安全性，目前在物流管理、生產(chǎn)管理、智慧交通以及無(wú)人超市等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，當(dāng)標(biāo)簽近距離放置且小于工作波長(zhǎng)時(shí)，標(biāo)簽間的互耦效應(yīng)成為影響射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）系統(tǒng)識(shí)別性能的重要因素[1]，致使RFID系統(tǒng)在文檔管理、圖書(shū)管理、珠寶管理以及煙酒管理等領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制[2]。

目前已有不少文獻(xiàn)對(duì)于標(biāo)簽天線的識(shí)別性能進(jìn)行了分析和評(píng)估[3]，但是性能評(píng)估結(jié)果會(huì)隨著閱讀器靈敏度的改變而發(fā)生變化。Pears對(duì)影響RFID系統(tǒng)識(shí)別范圍的標(biāo)簽參數(shù)、傳播環(huán)境以及RFID閱讀器參數(shù)進(jìn)行了研究，著重分析了閱讀器靈敏度對(duì)于系統(tǒng)識(shí)別范圍的影響[4]。Nikitin推導(dǎo)出標(biāo)簽天線的RCS（Radar Cross Section）理論計(jì)算公式，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀以及微波暗室對(duì)標(biāo)簽天線RCS計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[5]。Thomaskutty通過(guò)電磁場(chǎng)仿真軟件CST仿真模擬單個(gè)標(biāo)簽天線不同負(fù)載下的RCS，并計(jì)算標(biāo)簽天線的最大識(shí)別距離[6]，識(shí)別距離是衡量RFID標(biāo)簽識(shí)別性能最重要的參數(shù)之一[7]。目前為止標(biāo)簽天線的性能研究均假設(shè)其處于理想條件下，并以單個(gè)標(biāo)簽為研究目標(biāo)。但是，工程實(shí)踐中標(biāo)簽的布放越來(lái)越密集，密集環(huán)境下標(biāo)簽天線性能研究逐漸成為亟待解決的課題。彭章友等人采用對(duì)稱振子天線陣列理論研究了密集環(huán)境下雙標(biāo)簽天線的增益方向性以及輻射效率[8]，并發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽天線在互耦情況下天線阻抗向低頻偏移[9]。佐磊等人分析了互耦效應(yīng)對(duì)于系統(tǒng)鏈路的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明密集標(biāo)簽會(huì)導(dǎo)致閱讀器天線的最小發(fā)射功率發(fā)生變化[10]。

針對(duì)密集環(huán)境下的標(biāo)簽性能分析較少的現(xiàn)狀，本文重點(diǎn)研究密集布放環(huán)境下，標(biāo)簽不同負(fù)載模式下雷達(dá)散射截面，并以此為基礎(chǔ)對(duì)密集環(huán)境下標(biāo)簽的識(shí)別性能進(jìn)行分析。研究成果有利于提高密集環(huán)境下無(wú)源射頻識(shí)別系統(tǒng)的標(biāo)簽性能，同時(shí)有助于優(yōu)化標(biāo)簽設(shè)計(jì)。

1 ?無(wú)源UHF RFID系統(tǒng)模型

RFID系統(tǒng)鏈路由閱讀器天線發(fā)射能量激活標(biāo)簽并通過(guò)連續(xù)波信號(hào)給予標(biāo)簽指令的前向鏈路，以及標(biāo)簽通過(guò)改變自身負(fù)載將接收信號(hào)進(jìn)行調(diào)制并經(jīng)過(guò)標(biāo)簽天線將響應(yīng)信號(hào)反饋至閱讀器的反向鏈路。無(wú)源射頻識(shí)別系統(tǒng)鏈路模型以及無(wú)源標(biāo)簽等效電路如圖1所示。

2 ?標(biāo)簽阻抗

選用典型雙標(biāo)簽為例研究密集環(huán)境下標(biāo)簽天線的互耦效應(yīng)，并通過(guò)二端口網(wǎng)絡(luò)對(duì)標(biāo)簽天線阻抗進(jìn)行分析。兩枚標(biāo)簽相互靠近時(shí)，由于電磁耦合產(chǎn)生互阻抗并引起阻抗改變。兩枚標(biāo)簽的芯片分別連在如圖2所示的二端口網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)端口上。根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)模型分析，可將目標(biāo)標(biāo)簽阻抗網(wǎng)絡(luò)與另一標(biāo)簽芯片均視為目標(biāo)標(biāo)簽芯片外阻抗。同時(shí)目標(biāo)標(biāo)簽與干擾標(biāo)簽完全對(duì)稱，因此目標(biāo)標(biāo)簽的外部輸入阻抗為：

[ZA1d=Zin=Z11-Z12Z21Z22+ZC=Z11-Z212Z11+ZC] （1）

對(duì)于多枚標(biāo)簽密集布放的情況，同理可得到第i枚標(biāo)簽的輸入阻抗，如下：

[ZAid=Zii-j=1，j≠iNZ2ijZii+ZC] （2）

3 ?標(biāo)簽雷達(dá)散射截面

標(biāo)簽通過(guò)改變阻抗實(shí)現(xiàn)雷達(dá)散射截面的調(diào)節(jié)，形成不同的反射信號(hào)，進(jìn)而將調(diào)制后的信號(hào)傳送給閱讀器，雷達(dá)散射截面的改變將直接影響反向鏈路中閱讀器的接收功率。無(wú)源標(biāo)簽通過(guò)自身天線實(shí)現(xiàn)對(duì)于閱讀器信號(hào)的接收與發(fā)送，因此根據(jù)天線散射理論，標(biāo)簽天線的雷達(dá)截面屬于單站雷達(dá)截面：

[σ=σs-（1-ΓA）σaexp（φr）2] （3）

式中：[ΓA] 是標(biāo)簽負(fù)載反射系數(shù);[σs]為結(jié)構(gòu)模式雷達(dá)散射截面; [σa]為天線模式雷達(dá)散射截面;[φr]為兩種雷達(dá)散射截面相位差。根據(jù)Donno等人的研究[11]，結(jié)構(gòu)模式雷達(dá)散射截面與天線負(fù)載無(wú)關(guān)，天線材料、表面結(jié)構(gòu)以及天線大小影響天線結(jié)構(gòu)模式RCS;對(duì)于同一天線，不同負(fù)載情況下天線雷達(dá)散射截面不同。

無(wú)源RFID標(biāo)簽通過(guò)改變自身負(fù)載阻抗實(shí)現(xiàn)雷達(dá)散射截面的改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于連續(xù)波信號(hào)的調(diào)制;同時(shí)密集環(huán)境下引起的標(biāo)簽間電磁互耦也會(huì)改變標(biāo)簽阻抗，標(biāo)簽的性能也會(huì)受到負(fù)載阻抗值變化的影響。因此，針對(duì)天線不同負(fù)載下的雷達(dá)散射截面進(jìn)行分析十分必要。

1） 短路負(fù)載。電阻[RL=0]，并且負(fù)載感抗[XL=-XA]。反射系統(tǒng)[Γa=（Z*a-ZL）（Za+ZL）]的值為1，由式（1）可知，無(wú)天線模式散射發(fā)生。由此可得天線模式RCS，結(jié)構(gòu)模式RCS和總散射RCS。

[σa?sc=0，σs?sc=（4π）3R4（λGt）2P3?scP1，σsc=σs?sc] （4）

式中[sc]用來(lái)標(biāo)識(shí)該負(fù)載的情況。

2） 開(kāi)路。[ZL=∞]，反射系數(shù)[Γa=-1]，天線的結(jié)構(gòu)模式與天線模式均有散射產(chǎn)生。但天線負(fù)載的改變僅影響天線模式雷達(dá)散射截面，結(jié)構(gòu)模式RCS與短路負(fù)載情況相同。因此，開(kāi)路負(fù)載下雷達(dá)散射截面如式（5）～式（7）所示，下標(biāo)load用oc來(lái)標(biāo)識(shí)。

3） 負(fù)載匹配。[ZL=Z*A]，反射系數(shù)[Γa=0]。天線的結(jié)構(gòu)模式與天線模式均有散射產(chǎn)生。負(fù)載匹配下雷達(dá)截面如式（4）～式（6）所示，下標(biāo)load用m來(lái)標(biāo)識(shí)。

4） 其他負(fù)載。反射系數(shù)[Γa]介于（-1，1）之間。天線負(fù)載處于短路和開(kāi)路之間。此時(shí)雷達(dá)散射截面如式（5）～式（7）所示，下標(biāo)load用oth進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

[σs?load=（4π）3R4（λGt）2P3?scP1] （5）

[σa?load=（4π）3R4（λGt）2P3?scP1-P3?loadP12] （6）

[σload=（4π）3R4（λGt）2P3?loadP1] （7）

式中：[P1]為閱讀器發(fā)射功率;[P3]為標(biāo)簽天線反向散射功率。天線短路情況下雷達(dá)散射截面最大，當(dāng)標(biāo)簽天線阻抗與芯片阻抗實(shí)現(xiàn)共軛匹配時(shí)，標(biāo)簽與閱讀器之間傳輸功率最大。通過(guò)調(diào)節(jié)標(biāo)簽的芯片阻抗在短路與共軛匹配之間變化，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽與閱讀器間數(shù)據(jù)的交換。

4 ?識(shí)別距離

標(biāo)簽識(shí)別性能是標(biāo)簽最重要的性能參數(shù)之一。標(biāo)簽識(shí)別距離為標(biāo)簽從閱讀器獲取激活功率的最大距離與閱讀器接收標(biāo)簽反向散射信號(hào)的最大距離兩者之間的較小者。通過(guò)Friis傳輸方程計(jì)算自由空間中標(biāo)簽天線接收功率[P2]：

[P2=P1G1G2λ2（4πR）2] （8）

式中：[G1]為閱讀器天線增益;[G2]為標(biāo)簽天線增益;[R]是閱讀器與標(biāo)簽間距離。假設(shè)標(biāo)簽芯片工作閾值是[Ptag?chip]，則識(shí)別距離可以表示為：

[R=λ4πP1G1G2τPtag?chip] （9）

式中，[τ]為功率傳輸系數(shù)，它與標(biāo)簽天線的阻抗情況有關(guān)，當(dāng)[τ=1]，標(biāo)簽芯片與負(fù)載完全匹配時(shí)，標(biāo)簽識(shí)別距離最大。在標(biāo)簽天線將調(diào)制信號(hào)傳遞給閱讀器的反向鏈路中，標(biāo)簽天線不同負(fù)載下RCS如式（7）所示，則識(shí)別距離為：

[R=λG14πσ4πP1P3] （10）

由式（10）可得，對(duì)于無(wú)源射頻識(shí)別標(biāo)簽，雷達(dá)散射截面越大，則標(biāo)簽識(shí)別距離越遠(yuǎn)。當(dāng)標(biāo)簽天線工作諧振頻率等于閱讀器天線發(fā)射頻率，且閱讀器天線極化方向與標(biāo)簽天線極化方向一致，可得到最大標(biāo)簽天線RCS。同時(shí)，標(biāo)簽的雷達(dá)散射截面的四次方根與標(biāo)簽的識(shí)別距離成正比。

5 ?標(biāo)簽天線建模與仿真

5.1 ?標(biāo)簽阻抗

選用兩種典型的標(biāo)簽Alien?9662，Alien?9654進(jìn)行比較，兩種標(biāo)簽均采用Higgs?3芯片，但兩種標(biāo)簽具有不同的標(biāo)簽參數(shù)。Alien?9662為彎曲偶極子天線，饋電環(huán)位于天線中部，Alien?9654尺寸為93 mm×19 mm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。按照標(biāo)簽天線實(shí)際形狀在HFSS中建立互耦模型如圖3所示，2枚相同的標(biāo)簽僅Z坐標(biāo)不同。中心頻率920 MHz，兩種標(biāo)簽在5 mm，15 mm，25 mm間距下輸入阻抗如表1所示。

5.2 ?標(biāo)簽雷達(dá)散射截面

通過(guò)HFSS獲取兩種標(biāo)簽在不同間距不同負(fù)載下的RCS，進(jìn)而分析標(biāo)簽天線的識(shí)別性能。比較圖4a）中Alien?9662標(biāo)簽在間距5 mm時(shí)，短路和匹配負(fù)載的RCS差值先增加，至940 MHz時(shí)，到達(dá)最大值0.068 163 m2后逐漸減小?？傻玫綐?biāo)簽的識(shí)別性能在860～940 MHz時(shí)標(biāo)簽識(shí)別性能增強(qiáng)，940 MHz時(shí)標(biāo)簽識(shí)別性能最佳，940～960 MHz時(shí)標(biāo)簽識(shí)別性能減弱。隨著標(biāo)簽工作頻率增加，RCS的差值增大，可知間距為5～25 mm時(shí)標(biāo)簽識(shí)別性能隨工作頻率的增加不斷增強(qiáng)。Alien?9654標(biāo)簽在不同間距下短路和匹配兩種負(fù)載的RCS差值很小，可知該標(biāo)簽在不同間距的密集環(huán)境下識(shí)別性能差異小。但是Alien?9654由于尺寸限制，單個(gè)存在時(shí)匹配阻抗較差，識(shí)別性能相對(duì)Alien?9662較弱。由此可知，標(biāo)簽天線的互耦效應(yīng)導(dǎo)致標(biāo)簽天線識(shí)別性能發(fā)生改變。

6 ?實(shí)驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)SMA型步進(jìn)式同軸衰減器調(diào)節(jié)Impinj R2000閱讀器發(fā)射至閱讀器天線的功率大小，在微波暗箱中測(cè)試目標(biāo)標(biāo)簽的讀取距離。通過(guò)相關(guān)換算，將測(cè)試所得讀取距離轉(zhuǎn)換成目標(biāo)測(cè)試功率下標(biāo)簽讀取距離。

7 ?最大識(shí)別距離的計(jì)算與分析

通過(guò)分析式（9）可知，[P1G1]最大，[P3]最小，此時(shí)天線與負(fù)載完全匹配，標(biāo)簽的讀取距離最大。其中 [P1G1=PEIRP]，[PEIRP]在通信協(xié)議ISO/IEC 18000?6中定義為有效全輻射功率，最大值為4 W。Alien?9662和Alien?9654都采用Higgs?3芯片，激活功率大小一般為-8～-20 dBm。選取Higgs?3芯片的[ptag?chip]=-13 dBm，由此可以計(jì)算出標(biāo)簽的最大識(shí)別距離。相比第6節(jié)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果存在一定的誤差，但標(biāo)簽的計(jì)算最大識(shí)別距離與實(shí)測(cè)最大識(shí)別距離都隨著標(biāo)簽間距的增加而不斷變大，同時(shí)兩者的差值均處于±5%，處于合理范圍。仿真結(jié)果基于天線理想工作條件，實(shí)際測(cè)試中存在的電磁干擾以及閱讀器與天線間連接電纜的功率損耗均會(huì)對(duì)上述測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

基于上述分析，考慮到仿真計(jì)算的理想化和實(shí)際測(cè)量過(guò)程中各種不可避免的干擾損耗，可以認(rèn)定差值處于合理范圍內(nèi)，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。

8 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文通過(guò)雷達(dá)散射截面研究了密集環(huán)境下無(wú)源超高頻標(biāo)簽的識(shí)別性能。高頻電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS建立Alien?9662和Alien?9654兩種標(biāo)簽的互耦模型，并得到不同負(fù)載條件下標(biāo)簽天線不同間距的輸入阻抗和標(biāo)簽天線單站RCS。通過(guò)理論分析與仿真計(jì)算，分析得出密集環(huán)境下標(biāo)簽天線的最大識(shí)別距離，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，兩者基本吻合。

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