洪 濤 賀則昊 蔣天齊 王 翠 陳家焱
①(中國計(jì)量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院 杭州 310018)
②(杭州質(zhì)慧信息技術(shù)有限公司 杭州 310018)
伴隨射頻識(shí)別(Radio Frequency IDentification, RFID)技術(shù)研究與應(yīng)用的大規(guī)模展開[1,2],標(biāo)簽天線的需求量劇增,其中彎折偶極子RFID標(biāo)簽天線以其結(jié)構(gòu)簡單、阻抗變化靈活的特性成為目前實(shí)際生產(chǎn)與應(yīng)用中的主流。在實(shí)際應(yīng)用中,如RFID標(biāo)簽傳感器檢測對(duì)象的區(qū)別[3,4],化學(xué)測量領(lǐng)域[5]和動(dòng)態(tài)目標(biāo)定位領(lǐng)域[6]傳感器所處環(huán)境的差異,都對(duì)天線結(jié)構(gòu)提出了差異化要求,必將導(dǎo)致天線阻抗發(fā)生變化,影響阻抗匹配。在標(biāo)簽天線的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,為保持天線的阻抗匹配,設(shè)計(jì)者首先會(huì)根據(jù)應(yīng)用對(duì)象尺寸與所處環(huán)境等要求隨機(jī)產(chǎn)生一批基本結(jié)構(gòu)相同、局部尺寸有差異的天線樣本,然后借助計(jì)算機(jī)仿真軟件依次計(jì)算其阻抗。在計(jì)算完成后,篩選其中阻抗匹配程度最高的天線作為設(shè)計(jì)結(jié)果。若所有結(jié)果都不理想,則會(huì)按照經(jīng)驗(yàn)對(duì)天線結(jié)構(gòu)的局部尺寸進(jìn)行微調(diào),建立新一批天線樣本并重復(fù)上述步驟。在上述設(shè)計(jì)方法中,每一次微調(diào)模型后都需要大量時(shí)間等待計(jì)算機(jī)初始化天線結(jié)構(gòu)并計(jì)算阻抗,設(shè)計(jì)效率被計(jì)算機(jī)仿真次數(shù)與速度所限制,設(shè)計(jì)時(shí)間在等待仿真結(jié)果中浪費(fèi),因此如何快速獲得標(biāo)簽天線的阻抗值成為提高設(shè)計(jì)效率的研究重點(diǎn)。
在彎折偶極子天線阻抗計(jì)算的研究過程中,Choo等人[7]將T型匹配網(wǎng)絡(luò)等效為變壓器模型,并給出了互感系數(shù)的計(jì)算方法。Mohammed等人[8]也提出了自己的互感系數(shù)計(jì)算公式并給出匹配環(huán)阻抗計(jì)算的方法。在此基礎(chǔ)上,傅舟等人[9]對(duì)彎折偶極子輻射臂的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了定性的分析闡述,王瑞娜等人[10]、Faudzi等人[11]、Zhang等人[12]分別使用變壓器模型的耦合方式設(shè)計(jì)各自的標(biāo)簽天線。Bong等人[13]在使用變壓器模型的同時(shí)使用二端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步優(yōu)化匹配環(huán)阻抗的計(jì)算方法。但是上述文獻(xiàn)都沒有給出RFID標(biāo)簽天線阻抗完整的數(shù)值計(jì)算過程,事實(shí)上,由于變壓器模型較為復(fù)雜,設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線時(shí)所使用的方法從根本上來說仍然是花費(fèi)大量時(shí)間等待計(jì)算機(jī)仿真軟件計(jì)算結(jié)果的模式。同時(shí),在使用仿真軟件并通過阻抗計(jì)算方法得到標(biāo)簽天線阻抗、匹配環(huán)及偶極子輻射臂阻抗后,由于互感系數(shù)為平方項(xiàng),若使用變壓器模型反求互感系數(shù),可能會(huì)出現(xiàn)無解的情況。
針對(duì)以上情況,本文提出一種基于多項(xiàng)式的彎折偶極子RFID標(biāo)簽天線阻抗預(yù)測方法。在前人對(duì)導(dǎo)體阻抗研究的基礎(chǔ)及合理假設(shè)的前提下,通過計(jì)算機(jī)仿真收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)性分析、回歸擬合的方式獲得使用天線結(jié)構(gòu)長度預(yù)測天線阻抗的方程。利用本方程能夠有效代替后續(xù)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算阻抗的過程,在保持阻抗預(yù)測結(jié)果相對(duì)于計(jì)算機(jī)仿真的準(zhǔn)確性的同時(shí)極大地縮短了阻抗計(jì)算時(shí)間,從而提高了天線設(shè)計(jì)效率。
本文所述彎折偶極子RFID標(biāo)簽天線(以下簡稱“標(biāo)簽天線”)由印制電路板(Printed Circuit Boards,PCB)基板與彎折偶極子天線構(gòu)成。標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。PCB基板由長度為X,寬度為Y,厚度為s1的FR4材料構(gòu)成,其相對(duì)介電常數(shù)εr=4.5。彎折偶極子標(biāo)簽天線材料為厚度s2=3.5×10-5m的銅,電導(dǎo)率為σ=5.8×107S/m。
將彎折偶極子天線分為匹配環(huán)與彎折偶極子輻射臂兩個(gè)單元。匹配環(huán)是一段連接天線饋電端口的矩形導(dǎo)體走線,長為Xm,寬為d,導(dǎo)體線寬為b2。彎折偶極子輻射臂連接在匹配環(huán)兩側(cè)并按規(guī)律向外90°翻折形成,翻折間隔為w,中軸線向上、下兩方向延伸長度均為h,線寬為b1,單側(cè)彎折偶極子輻射臂的單側(cè)彎折次數(shù)N,單側(cè)彎折水平方向的長度為Xd??紤]到實(shí)際情況,上述參數(shù)需滿足式(1)的條件
導(dǎo)體阻抗計(jì)算公式能夠使用結(jié)構(gòu)尺寸分別導(dǎo)出匹配環(huán)阻抗Zm與彎折偶極子輻射臂阻抗Zd[14-18],但彎折偶極子輻射臂并不直接連接于饋電端口兩端,故Zd向匹配環(huán)一側(cè)換算的過程通常難以用常規(guī)電路模型準(zhǔn)確描述。傳統(tǒng)標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)中基本避開耦合問題而使用有限元等算法對(duì)標(biāo)簽天線阻抗Zin進(jìn)行反復(fù)計(jì)算。本研究將基礎(chǔ)射頻理論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法相結(jié)合,把彎折偶極子輻射臂阻抗轉(zhuǎn)換到標(biāo)簽天線端口兩端并在此基礎(chǔ)上提出基于線性關(guān)系的假設(shè)模型替代耦合模型,最終建立方程預(yù)測標(biāo)簽天線阻抗,流程圖如圖2所示。
圖1 標(biāo)簽天線正視與側(cè)視圖
圖2 標(biāo)簽天線阻抗預(yù)測方程獲取流程圖
在利用導(dǎo)體阻抗公式由天線結(jié)構(gòu)長度導(dǎo)出匹配環(huán)阻抗與彎折偶極子輻射臂阻抗的基礎(chǔ)上,將彎折偶極子輻射臂阻抗等效到天線端口兩端,利用目前的研究成果,在等效過程中對(duì)彎折偶極子輻射臂阻抗進(jìn)行相應(yīng)變換,形成彎折偶極子天線阻抗的虛部與實(shí)部模型假設(shè)。進(jìn)一步地,在對(duì)給定范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)長度及阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析、回歸擬合后,最終驗(yàn)證模型假設(shè)并獲得完整的標(biāo)簽天線阻抗預(yù)測方程,該方程能夠用于預(yù)測同結(jié)構(gòu)下的標(biāo)簽天線阻抗。使用基于上述流程所形成的標(biāo)簽天線阻抗預(yù)測方法取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真可以有效降低標(biāo)簽天線阻抗計(jì)算時(shí)間以達(dá)到提高設(shè)計(jì)效率的目的。
RFID標(biāo)簽天線的阻抗可以由電阻和電抗表示為
其中,Rein, Imin分別為標(biāo)簽天線阻抗Zin的實(shí)部與虛部。本文擬分別對(duì)實(shí)部與虛部提出耦合模型假設(shè)。
從Mohammed等人[8]所提分割系數(shù)可以看出,彎折偶極子輻射臂向饋電端口兩端等效后的阻抗在與彎折偶極子輻射臂阻抗有關(guān)的同時(shí)必然與天線結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)。因此,本文提出變換后彎折偶極子輻射臂阻抗Zd-tran的概念并定義Zd-tran與彎折偶極子輻射臂阻抗Zd及部分天線結(jié)構(gòu)參數(shù)的表達(dá)式為
其中,Red-tran, Imd-tran,Red, Imd分別是Zd-tran和Zd的實(shí)部與虛部,j為虛數(shù)單位, Ψ是由5個(gè)未知數(shù)組成的矩陣,ψ=[α1α2α3α4α5]。
Zd由2N個(gè)可以被等效為平行傳輸線的彎折結(jié)構(gòu)的輸入阻抗Zi組成[14]。彎折結(jié)構(gòu)特征阻抗為Z0,終端負(fù)載為ZL,其輸入阻抗為
其中,λ為工作頻點(diǎn)為f標(biāo)簽天線所接收與發(fā)射電磁波的波長[15];特征阻抗Z0使用等效后的平行傳輸線[16,17]表示;ZL為平行傳輸線的負(fù)載。
c為理想情況下電磁波波速,取3×108m/s, η是自由空間波阻抗,取377 Ω。將式(3)中Red·w,Red·Xm, Red·b1/b2, Red·b1, Red·Xm·d, Imd·w,Imd·Xm, Imd·b1/b2, Imd·b1, Imd·Xm·d稱為彎折偶極子輻射臂阻抗變換因子,且變換后的彎折偶極子輻射臂阻抗實(shí)部與虛部分別與其對(duì)應(yīng)的變換因子線性相關(guān)。
對(duì)于標(biāo)簽天線阻抗虛部Imin,假設(shè)Imin與匹配環(huán)阻抗實(shí)部Rem、虛部Imm及Red-tran, Imd-tran線性相關(guān)
其中,γ1, γ2, γ3, γ4為待擬合系數(shù),Γ1為常數(shù)項(xiàng),聯(lián)立式(3)、式(6)可以得到
其中,k1=γ1, k2=γ2, K3, K4為未知常數(shù)構(gòu)成的1×5階矩陣
對(duì)于矩形導(dǎo)體走線所構(gòu)成的匹配環(huán),其阻抗Zm被等效為輻射電阻Rr、導(dǎo)體損耗電阻Rs及導(dǎo)體電感L的串聯(lián),其中將走線線寬減半使窄金屬帶等效為金屬導(dǎo)線[18]
其中,Γ2為常數(shù)項(xiàng);t1, t2為待擬合系數(shù);T3, T4為未知參數(shù)構(gòu)成的1×5階矩陣
至此,標(biāo)簽天線阻抗的耦合模型假設(shè)分別由式(7)與式(10)給出,為驗(yàn)證模型所選取自變量的正確性并回歸模型中未知參數(shù)的值,需要收集模型數(shù)據(jù)并處理分析。
本文使用CPU型號(hào)為Inter Pentium G2020 @2.9 GHz,內(nèi)存容量為2 GB的計(jì)算機(jī)運(yùn)行HFSS17.2。設(shè)置標(biāo)簽天線基板長度X=0.1 m、寬度Y=0.12 m、厚度s1=0.001 m。另外,為增強(qiáng)模型準(zhǔn)確性,本文在標(biāo)簽天線阻抗預(yù)測過程中始終保持單側(cè)彎折次數(shù)N不發(fā)生變化并設(shè)置N=9,在9.2×108Hz的頻率下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分別為6組結(jié)構(gòu)變量b1, b2, d,h, Xm, w選取3個(gè)常用水平,并使其滿足式(1)的約束條件。進(jìn)一步地,收集6組結(jié)構(gòu)變量下的隨機(jī)509種組合及其阻抗仿真結(jié)果作為標(biāo)簽天線預(yù)測模型假設(shè)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)變量取值如表1所示。
經(jīng)過導(dǎo)體阻抗運(yùn)算與天線阻抗仿真后,在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上回歸k1, k2, K3, K4, t1, t2, T3, T4,完成模型假設(shè)的驗(yàn)證。
為驗(yàn)證模型假設(shè)中自變量的變化是否影響阻抗值,分別對(duì)Imin與Rmin的各自假設(shè)的自變量進(jìn)行相關(guān)性分析,圖3給出了兩者與自變量的相關(guān)性分析結(jié)果(本文相關(guān)性系數(shù)均以絕對(duì)值表示)。
在圖3(b)中,各個(gè)自變量與因變量之間的相關(guān)性系數(shù)均不大于0.7,因此需要對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)??紤]到標(biāo)簽天線阻抗實(shí)部Rein在實(shí)際意義上就是電路中串聯(lián)的電阻,其值總是>0的特性,對(duì)模型因變量取對(duì)數(shù),此時(shí)標(biāo)簽天線阻抗對(duì)數(shù)實(shí)部耦合模型為
表1 N=9的結(jié)構(gòu)變量取值(×10-3 m)
圖3 阻抗與自變量相關(guān)性
對(duì)阻抗對(duì)數(shù)實(shí)部與自變量進(jìn)行相關(guān)性分析,如圖4所示。
在圖3(a)與圖4中對(duì)相關(guān)性系數(shù)高于0.7的變量進(jìn)行自相關(guān)分析,標(biāo)簽天線阻抗耦合模型為
使用仿真數(shù)據(jù)對(duì)式(13)進(jìn)行回歸擬合,得到
其中,阻抗虛部的擬合優(yōu)度達(dá)到96.6%, D-W檢驗(yàn)值為1.834,對(duì)數(shù)阻抗實(shí)部的擬合優(yōu)度為83.3%,D-W檢驗(yàn)值為2.001,兩方程皆不存在自相關(guān)性。同時(shí),兩方程的自變量顯著性檢驗(yàn)水平p值均小于0.05, VIF值均小于3,說明自變量顯著影響因變量的結(jié)果,方程具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義且方程不存在多重共線性。
阻抗虛部與實(shí)部預(yù)測模型評(píng)價(jià)指標(biāo)分別如圖5、圖6所示,圖5(a)、圖6(a)為阻抗虛部預(yù)測模型P-P圖,圖5(b)、圖6(b)是標(biāo)準(zhǔn)化殘差散點(diǎn)圖。圖5(a)、圖6(a)中各點(diǎn)近似呈一條直線,圖5(b)、圖6(b)中絕大多數(shù)樣本的標(biāo)準(zhǔn)化殘差都在-2~2,可以看出預(yù)測模型樣本殘差基本符合正態(tài)分布,模型整體擬合效果較好。綜上,本文所提出標(biāo)簽天線阻抗預(yù)測模型得到驗(yàn)證。
阻抗預(yù)測方法在天線設(shè)計(jì)中用于取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真,因此有必要在證明模型假設(shè)的正確性后,對(duì)該方法在工作頻段上的適用性、阻抗預(yù)測相對(duì)于計(jì)算機(jī)仿真的準(zhǔn)確性、高效性進(jìn)行分析。
圖4 阻抗對(duì)數(shù)實(shí)部與自變量相關(guān)性
圖5 阻抗虛部預(yù)測模型評(píng)價(jià)指標(biāo)
圖6 阻抗實(shí)部預(yù)測模型評(píng)價(jià)指標(biāo)
由于模型假設(shè)的驗(yàn)證中僅使用了9次單側(cè)彎折的標(biāo)簽天線作為驗(yàn)證對(duì)象,因此需要對(duì)本文所提方法在其他彎折次數(shù)下的阻抗預(yù)測性能做進(jìn)一步驗(yàn)證。同時(shí),考慮到工業(yè)和信息化部發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中國800 MHz/900 MHz頻段RFID技術(shù)的具體使用頻率為920~925 MHz,為進(jìn)一步說明所提出方法在實(shí)際工作頻率范圍內(nèi)的適用性,提出以下驗(yàn)證實(shí)驗(yàn):不同于假設(shè)驗(yàn)證時(shí)所使用的單側(cè)彎折9次的標(biāo)簽天線,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在其他的標(biāo)簽天線單側(cè)彎折次數(shù)上建立阻抗預(yù)測模型,同時(shí)在規(guī)定頻段兩端即920 MHz與925 MHz上對(duì)標(biāo)簽天線進(jìn)行多次阻抗預(yù)測與計(jì)算機(jī)仿真,統(tǒng)計(jì)比較阻抗預(yù)測值相對(duì)于計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性及阻抗預(yù)測所節(jié)約的時(shí)間。
為了說明本文所提阻抗預(yù)測方法能否替代計(jì)算機(jī)仿真過程,需要評(píng)價(jià)預(yù)測方程的輸出阻抗值能否準(zhǔn)確預(yù)測計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果,因此從擬合優(yōu)度R2和平均偏離度E兩個(gè)維度對(duì)預(yù)測方程輸出阻抗進(jìn)行評(píng)價(jià);另外,使用設(shè)計(jì)效率η來對(duì)比兩種彎折偶極子天線設(shè)計(jì)方法的效率,其計(jì)算公式為
其中,yi為第i個(gè)天線的計(jì)算機(jī)仿真阻抗;為第i個(gè)天線的預(yù)測阻抗;y ˉi為實(shí)際輸出的平均值;T1為標(biāo)簽天線阻抗預(yù)測所花費(fèi)的時(shí)間;T2為計(jì)算機(jī)仿真軟件所花費(fèi)的時(shí)間。擬合優(yōu)度R2是用來表示模型擬合性的值,值越高表示模型擬合性越好;平均偏離度E指計(jì)算機(jī)仿真輸出與預(yù)測阻抗之差的絕對(duì)值所占計(jì)算機(jī)仿真輸出值比例的均值,值越小說明預(yù)測輸出阻抗與計(jì)算機(jī)輸出結(jié)果越接近;η越小則本文 所提方法的效率越高。
5.3.1 實(shí)驗(yàn)過程
本次實(shí)驗(yàn)選取單側(cè)彎折次數(shù)為7的標(biāo)簽天線,用于建立模型并驗(yàn)證的各結(jié)構(gòu)變量取值如表2所示,使用前3行結(jié)構(gòu)取值并仿真用于建模。進(jìn)一步地,花費(fèi)61.13 h收集表2中測試組數(shù)據(jù)在920 MHz與925 MHz頻點(diǎn)上的阻抗以完成模型驗(yàn)證,共獲得4096組數(shù)據(jù)。
經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后得到阻抗預(yù)測方程為
5.3.2 標(biāo)簽天線阻抗預(yù)測準(zhǔn)確性分析
使用式(16)與表2中數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)簽天線在兩個(gè)頻點(diǎn)上的阻抗進(jìn)行預(yù)測,并進(jìn)一步使用式(15)對(duì)預(yù)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行分析,準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)指標(biāo)如表3所示。
從表3可以看出:預(yù)測阻抗實(shí)部與虛部的擬合優(yōu)度保持在80%與95%附近,說明建立阻抗耦合模型時(shí)的假設(shè)基本成立。同時(shí),與計(jì)算機(jī)仿真的阻抗相比,阻抗實(shí)部預(yù)測的平均偏離度基本保持在11.7%左右,虛部平均偏離度基本保持在2.3%左右,標(biāo)簽天線阻抗的整體擬合效果較好。
表2 N=7時(shí)結(jié)構(gòu)變量取值(×10-3 m)
表3 準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)指標(biāo)(%)
考慮到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的中國RFID應(yīng)用頻段為920~925 MHz,而表3中實(shí)部與虛部在該頻段兩端的擬合優(yōu)度差異僅為1%和2.8%,準(zhǔn)確性指標(biāo)基本保持一致。由此本文所提方法在中國頻段內(nèi)的適用性較強(qiáng)。
最后,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是在9次彎折的標(biāo)簽天線上完成的,對(duì)比假設(shè)驗(yàn)證中7次彎折標(biāo)簽天線,認(rèn)為本文所提方法在不同彎折次數(shù)的彎折偶極子標(biāo)簽天線中都適用。
5.3.3 標(biāo)簽天線阻抗預(yù)測效率分析
為證明本文所提方法在阻抗預(yù)測耗時(shí)上的優(yōu)越性,統(tǒng)計(jì)阻抗預(yù)測過程中數(shù)據(jù)預(yù)處理、建立模型、阻抗輸出的時(shí)間。阻抗預(yù)測與計(jì)算機(jī)仿真耗時(shí)的對(duì)比如表4所示。
表4 耗時(shí)對(duì)比(h)
對(duì)于阻抗預(yù)測,其主要時(shí)間花費(fèi)在數(shù)據(jù)收集上,預(yù)測方程建立所需數(shù)據(jù)的仿真共花費(fèi)10.3 h,建立預(yù)測方程后,阻抗輸出的耗時(shí)基本為0。對(duì)于計(jì)算機(jī)仿真,無需人為建立阻抗模型,但其仿真計(jì)算時(shí)間過長,達(dá)到61.13 h。比較兩者耗時(shí)可以看出:基于多項(xiàng)式的阻抗預(yù)測方法在耗時(shí)上遠(yuǎn)優(yōu)于計(jì)算機(jī)仿真,在對(duì)4096組數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測時(shí),其耗時(shí)僅為計(jì)算機(jī)仿真的17.34%。在標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的阻抗計(jì)算環(huán)節(jié)中極大 地縮減了計(jì)算時(shí)間,提高了標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)效率。
考慮到彎折偶極子RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)過程中反復(fù)的阻抗計(jì)算所產(chǎn)生的巨大時(shí)間消耗,本文針對(duì)其中的阻抗計(jì)算環(huán)節(jié)提出一種基于多項(xiàng)式的標(biāo)簽天線阻抗預(yù)測方法,并得出如下結(jié)論與展望:
(1) 相對(duì)于傳統(tǒng)標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)方法中的使用計(jì)算機(jī)仿真反復(fù)進(jìn)行的阻抗計(jì)算過程,本文所提出的基于多項(xiàng)式的標(biāo)簽天線阻抗預(yù)測方法在保持預(yù)測阻抗相對(duì)于計(jì)算機(jī)仿真的準(zhǔn)確性的同時(shí)極大地縮短了計(jì)算時(shí)間。
(2) 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,本方法在中國應(yīng)用頻段上針對(duì)不同彎折次數(shù)的彎折偶極子RFID標(biāo)簽天線阻抗預(yù)測仍然適用。
(3) 雖然本文主要研究對(duì)象是彎折偶極子RFID標(biāo)簽天線,但所提方法的核心在于使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)同結(jié)構(gòu)下的標(biāo)簽天線阻抗進(jìn)行預(yù)測,該思想未來仍能應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)形式的RFID標(biāo)簽天線阻抗預(yù)測中。