一種基于180°移相器和方形環(huán)天線的UHF近場RFID閱讀器天線

于正永 黃承 錢建波 丁勝高 董進

摘要：基于180°移相器和方形環(huán)天線，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單且性能良好的UHF近場RFID閱讀器天線。該天線主要由兩個不共面的圓形移相器和方形環(huán)天線構(gòu)成。首先，由于移相器帶來的阻抗變化使得該天線無須復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計即能獲得20 MHz的帶寬（反射系數(shù)小于-10 dB，覆蓋910 MHz到930 MHz），涵蓋了中國RFID UHF頻段標準。其次，該天線利用兩個移相器180°的移相特性使得具有1倍波長環(huán)形天線的表面電流依然保持同向，避免了傳統(tǒng)天線由于尺寸過大導(dǎo)致電流反向的問題。最終，該天線在其圍繞的區(qū)域內(nèi)（約-70 mm × 70 mm）產(chǎn)生了強度強且均勻的磁場分布。

關(guān)鍵詞：180°移相器;UHF近場RFID;閱讀器天線

中圖分類號：TN823.15? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）36-0005-03

1引言

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)起源于20世紀30年代的雷達技術(shù)[1]，20世紀70年代隨著其工作原理的明確及集成電路的迅猛發(fā)展，RFID技術(shù)趨于成熟，逐步向民用領(lǐng)域發(fā)展，應(yīng)用于鐵路車輛識別、家畜跟蹤、門禁系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)等部分商用或民用領(lǐng)域[2]。近年來，隨著RFID技術(shù)的進一步豐富和完善，RFID技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于智能物流[3]、倉儲管理[4]、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）[5]等領(lǐng)域，融入人們的日常生活中。

RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象，快速地進行物品追蹤和數(shù)據(jù)交換。RFID系統(tǒng)主要包括閱讀器及閱讀器天線兩部分，根據(jù)閱讀器天線工作區(qū)域的不同，RFID系統(tǒng)可以分為近場RFID系統(tǒng)和遠場RFID系統(tǒng)[6]。近場RFID系統(tǒng)的基本工作原理是通過閱讀器與標簽之間的磁場耦合實現(xiàn)目標的識別，通常采用低頻段（Low Frequency，LF）125/134 KHz和高頻段（High Frequency，HF）13.56 MHz [7]。只要標簽處于非磁場環(huán)境（一般、磁導(dǎo)體、磁介質(zhì)不易獲取），系統(tǒng)均能正常工作，但近場磁場強度與距離的三次方成反比，因此識別距離較短，且工作頻率低導(dǎo)致識別速率較慢。遠場RFID系統(tǒng)則是基于電磁傳播理論，一般工作在甚高頻（Ultra High Frequency，UHF）頻段860 MHz～960 MHz和微波（Micro Wave，MW）頻段2.4 GHz～2.45 GHz或5.2 GHz～5.8 GHz，因此系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率高，識別速度快，但對標簽所處的環(huán)境有較高要求，標簽不能附著于金屬物體表面否則將無法被識別，從而降低系統(tǒng)性能[8]。因此Harrop.P首次提出了UHF近場RFID的概念并將其應(yīng)用于單品級標簽管理（Item-Level Tagging，ILT）領(lǐng)域，由于工作頻率的提升，系統(tǒng)提高了近場RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率，拓展了近場RFID系統(tǒng)的識別距離;同時，由于系統(tǒng)是基于近場RFID的技術(shù)，克服了遠場RFID系統(tǒng)標簽的環(huán)境適應(yīng)性差等問題[9]。

對于UHF近場RFID系統(tǒng)而言，其閱讀器天線必須能夠在其近場區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強度足夠強且均勻的電場或磁場分布，以保證系統(tǒng)的正常工作。環(huán)天線是最常被采用的一種閱讀器天線形式，但傳統(tǒng)的閱讀器天線在UHF頻段是電大尺寸的，導(dǎo)致其表面電流反向，這意味著在天線表面正上方的近場區(qū)域內(nèi)存在強度極弱的磁場，使系統(tǒng)不能識別位于該區(qū)域的標簽，從而產(chǎn)生識別盲區(qū)，降低系統(tǒng)性能[10]。為了解決這個問題，學(xué)者們主要從三個方面進行了提升與改進。一是電容加載的分段環(huán)天線，Dobkin等人提出將周長為1倍波長的環(huán)天線分為16段且段與段之間通過貼片電容相連，從而實現(xiàn)環(huán)上表面電流同向，使得環(huán)內(nèi)區(qū)域近場磁場均勻[11];陳志寧等人提出利用叉形結(jié)構(gòu)或者雙C形結(jié)構(gòu)電容代替貼片電容，環(huán)天線的周長醉倒可以達到2倍工作波長[12-14]。二是耦合虛線的分段環(huán)天線，由陳志寧教授帶領(lǐng)的團隊首次提出由相互交錯的兩組分段線（又稱為耦合虛線）構(gòu)成的環(huán)天線，通過交錯部分的耦合電容使天線表面的電流相位延遲，從而使電大尺寸環(huán)天線的表面電流幾乎保持同相位[15];為了闡釋耦合虛線方法實現(xiàn)換上電流同相的機理，提出了零相移線（Zero Phase Shift Line， ZPSL）的概念，并對ZPSL周期單元建立等效電路模型，分析其色散特性，深入研究由ZPSL構(gòu)成的電大尺寸環(huán)天線的電流流向和近場磁場特性，并得出該結(jié)構(gòu)的理論最大設(shè)計周長（約為3倍波長）[16-19]。三是偶極子構(gòu)成的環(huán)天線，利用半波偶極子上電流呈現(xiàn)駐波形式但不會出現(xiàn)反向的理論，由多個半波偶極子通過合理的饋電和擺放構(gòu)成電大尺寸的環(huán)天線，從而提供較優(yōu)的近場磁場特性[20-21]。上述三種方法均能使得近場磁場均勻、識別區(qū)域面積大（周長至少大于1倍波長），但設(shè)計難度較大，如分段線的線長和個數(shù)、加載電容值的大小、偶極子環(huán)天線復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)等。

因此，文章提出一種結(jié)構(gòu)簡單且近場性能優(yōu)異的閱讀器天線。該天線由傳統(tǒng)的環(huán)形天線和圓形移相器組成，其中環(huán)形天線的周長約為1倍波長（工作頻率為922.5MHz對應(yīng)的波長），圓形移相器的長度約為0.5倍波長。利用圓形移相器180°相位反轉(zhuǎn)的特性，本文所提出的環(huán)天線的表面電流能夠保持同相，從而在其近場區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強度強且均勻的磁場分布。仿真分析結(jié)果表明，該天線具有20MHz左右的-10dB帶寬（從910MHz到930MHz），覆蓋了中國的標準帶寬（920 MHz～925 MHz）。同時，該天線具有強度強（大于-14 dB A/m）、均勻且面積大（識別區(qū)域約70 mm × 70 mm）的近場磁場強度。由此可見，本文為UHF近場RFID閱讀器天線提供了一種新的改進方法，且提出的天線具有很強的實用價值，能夠更好地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

2 UHF近場RFID閱讀器天線

2.1 系統(tǒng)工作原理及相關(guān)指標

一個基于磁場耦合的UHF近場RFID系統(tǒng)主要由標簽、閱讀器、閱讀器天線和含有控制閱讀器配套軟件的終端等四部分構(gòu)成。假定閱讀器天線為螺旋天線，天線半徑為a，圈數(shù)為N，閱讀器天線的表面電流強度為I，天線的螺旋電感為L;標簽天線也是螺旋天線，天線的圈數(shù)為Ntag，所圍成的面積為S。由安培環(huán)路定律可知，有電流通過時，天線周圍會產(chǎn)生磁場，該磁場不是輻射場而是一個衰減場。因此，在距閱讀器天線表面高度為r的位置上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度B為：

依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，時變的磁場通過閉合回路時會在回路上產(chǎn)生電壓，因此位于閱讀器天線近場區(qū)域內(nèi)的標簽上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢Vtag，該電動勢的大小可以通過標簽形成回路的磁通量的變化求得。

對于具有Ntag圈的標簽來說：

其中，磁通量Ψ可通過下式求得：

結(jié)合式（1）、（2）和（3），可以通過下面的公式粗略計算出Vtag。

式中，Q為天線的品質(zhì)因素，θ為磁場與標簽所圍成區(qū)域的法向的夾角，Scos（θ）代表標簽天線在近場磁場中的有效面積。感應(yīng)電動勢必然會在標簽上產(chǎn)生感應(yīng)電流從而驅(qū)動器正常工作。

上述即為簡化的近場RFID系統(tǒng)的理論推導(dǎo)，要想使系統(tǒng)獲得良好的識別性能，應(yīng)需滿足：

（1）閱讀器天線產(chǎn)生的磁場強度B應(yīng)盡可能大。值得注意的是磁場強度與距離r的三次方成反比，這意味著隨著標簽遠離閱讀器天線表面，磁場強度將會衰減的很快，這將是限制最大識別距離的主要因素。

（2）標簽獲取的功率Pchip（V2tag/2R）應(yīng)大于等于其工作的門限功率Pth，激勵其正常工作，從而被系統(tǒng)所識別。

Pchip與頻率f 的平方、標簽圈數(shù)Ntag的平方、標簽有效面積Scos（q）的平方和磁場強度B的平方成正比。當θ=0°時，有效面積最大且為S，標簽表面與閱讀器天線產(chǎn)生的磁場相互垂直;當θ=90°，有效面積僅為為0。由此我們可以看出，磁場在標簽所圍成區(qū)域的法向方向上的分量決定了Pchip的大小，如圖1所示。假如標簽平行于xoy平面擺放，則僅磁場在Z方向的分量（|Hz|）對Pchip有影響。結(jié)合標簽的門限功率Pth，最終我們可以獲得標簽所在位置的磁場在垂直于其平面方向上分量的最小值，我們將這個最小值定義為門限磁場強度（|Hth|）。

通過上述分析，當閱讀器天線的輸入阻抗與閱讀器內(nèi)阻共軛匹配時，閱讀器天線能夠獲得最大電流，從而產(chǎn)生最強的磁場。對于一般的閱讀器來說，用于UHF近場RFID系統(tǒng)的閱讀器天線的輸入阻抗應(yīng)匹配到50 Ω，從而保證系統(tǒng)獲得良好的識別性能。

針對RFID系統(tǒng)，全球在LF和HF頻段已經(jīng)形成了統(tǒng)一的標準，分別為125/134 KHz和13.56MHz，而隨著UHF頻段應(yīng)用的興起，很多國家都單獨為RFID系統(tǒng)劃分了對應(yīng)的應(yīng)用頻段，中國使用的頻段為920 MHz ～ 925 MHz。為了使閱讀器獲得更好的性能，上述的帶寬均是指反射系數(shù)（S11）小于-10dB的帶寬。

UHF近場RFID系統(tǒng)要獲得良好識別性能，閱讀器天線要在其近場范圍內(nèi)在沿著垂直標簽表面（假設(shè)標簽表面與xoy面平行）的方向產(chǎn)生足夠強的磁場分布|Hz|，即需要滿足|Hz| >|Hth|。結(jié)合理論推導(dǎo)和實際閱讀器的技術(shù)參數(shù)，識別標簽的門限磁場強度|Hth|約為-24dBA/m。

由此可見，-10dB帶寬和近場磁場強度是系統(tǒng)最重要的指標，因此閱讀器天線將圍繞這兩項指標展開研究。

2.2天線設(shè)計與分析

文章所提出的天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，正方形環(huán)天線的邊長為L（長度約70 mm）;兩個圓形移相器的半徑均為r（約為22 mm），但不位于同一平面。圖中棕色部分（環(huán)形天線和1個移相器）置于襯底頂部，黃色部分（另一個移相器）置于襯底底部。另外，該天線采用介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.02且厚度為1.6mm的襯底。

借助于商用仿真軟件HFSS，該天線的反射系數(shù)如圖3所示。從圖中可以看出，該天線具有20 MHz的-10dB帶寬，覆蓋910 MHz到930 MHz，符合中國UHF近場RFID系統(tǒng)頻段標準。

該天線的電流分布如圖4所示，由于環(huán)形移相器的周長約為0.5倍波長，因此移相器表明電流同向;同時，該移相器具有180°的移相功能，因此1倍周長的環(huán)形天線表面電流也能夠保持同向。這意味著該天線的近場磁場分布（主要是|Hz| 分布，如圖5所示）將不同于傳統(tǒng)的環(huán)天線，不會存在識別盲區(qū)。

由圖5中可以看出，該天線在其所圍繞的區(qū)域內(nèi)磁場強度強且分布較為均勻，而其外部區(qū)域磁場強度較弱，這表明位于該位置的標簽不易被識別，從而不會帶來誤識別等負面影響。為了更加直觀地體現(xiàn)近場磁場的強度以及分布，圖6展示了|Hz|分別沿著x軸和y軸的分布情況，在-70 mm～70 mm的范圍內(nèi)，|Hz|均大于-14 dBA/m，遠遠強于所需的-24dBA/m。因此在實際RFID應(yīng)用場景下，可以適當降低閱讀器的輸出功率，或者將標簽置于更遠的區(qū)域。

經(jīng)過上述的分析，我們發(fā)現(xiàn)所提出的天線能夠很好地滿足UHF近場RFID閱讀器天線的重要設(shè)計指標，為環(huán)天線的改進提供了一種新的思路，同時可以有效地應(yīng)用于實際場景。

3 結(jié)論

文章提出了一種基于180°移相器和環(huán)天線的UHF近場RFID閱讀器天線。該天線結(jié)構(gòu)簡單，無須復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)和設(shè)計準則，同時具有良好的近場性能。該天線具有兩個圓形移相器，利用其180°的移相特性使得具有1倍波長環(huán)形天線的表面電流依然保持同向，從而產(chǎn)生強度強且均勻的磁場分布，避免了識別盲區(qū)、誤讀等。該天線具有20MHz的-10dB的帶寬，涵蓋了中國UHF頻段標準，同時具有-70 mm × 70 mm的識別區(qū)域。另外，在相同功率輸出的情況下，該天線具有較遠的識別距離。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】