標(biāo)簽分布疏密狀態(tài)變化情形下超高頻天線設(shè)計方法研究

佐 磊 曹雪兵 朱良帥 丁雨晴 孫夢婷

①(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 合肥 230009)

②(合肥工業(yè)大學(xué)可再生能源接入電網(wǎng)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室 合肥 230009)

1 引言

無源超高頻(Ultra High Frequency, UHF)射頻識別(Radio Frequency IDentification, RFID)系統(tǒng)利用電磁波反向散射實現(xiàn)信號的傳播，具有成本低、體積小、同時識別等優(yōu)點，在物流、倉儲與零售等領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。根據(jù)無源UHF RFID工作原理，標(biāo)簽分布疏密程度的變化會導(dǎo)致其天線與負(fù)載的阻抗匹配關(guān)系改變，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能[1]。目前，對于區(qū)分標(biāo)簽分布狀態(tài)的標(biāo)簽間距臨界值尚無明確定義。文獻(xiàn)[2,3]通過理論分析和實際測量表明，標(biāo)簽間耦合效應(yīng)對系統(tǒng)性能的影響程度隨標(biāo)簽間距增大而減?。划?dāng)標(biāo)簽間距小于1.5倍系統(tǒng)工作波長時，標(biāo)簽間的耦合效應(yīng)對系統(tǒng)性能影響較大，標(biāo)簽處于密集分布狀態(tài)；標(biāo)簽間距大于1.5倍系統(tǒng)工作波長時，標(biāo)簽間的耦合效應(yīng)對系統(tǒng)性能影響較小，標(biāo)簽處于稀疏分布狀態(tài)。

標(biāo)簽疏密分布狀態(tài)變化時，標(biāo)簽間互耦效應(yīng)產(chǎn)生的互阻抗會改變標(biāo)簽天線與負(fù)載的阻抗匹配關(guān)系，進(jìn)而影響RFID系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[4]給出單標(biāo)簽環(huán)境下UHF RFID系統(tǒng)鏈路計算模型，指出標(biāo)簽天線與負(fù)載的阻抗匹配關(guān)系是制約RFID系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，但所建立的鏈路模型僅針對標(biāo)簽稀疏分布情形，并未考慮標(biāo)簽密集分布時互偶效應(yīng)對系統(tǒng)性能的影響。在互耦效應(yīng)作用下，密集分布標(biāo)簽的天線增益、阻抗及其雷達(dá)反射截面積等參數(shù)均會發(fā)生改變。文獻(xiàn)[5,6]從標(biāo)簽天線的增益特性與雷達(dá)反射截面積兩個角度出發(fā)，建立了標(biāo)簽互偶時兩種參數(shù)計算模型，并分析了耦合效應(yīng)對這兩者的影響；在此基礎(chǔ)上，若干學(xué)者也從不同方面研究提升標(biāo)簽在密集環(huán)境下傳輸性能的方法。文獻(xiàn)[7]提出了基于反向鏈路調(diào)制特性的系統(tǒng)性能分析方法。文獻(xiàn)[8]推導(dǎo)出標(biāo)簽密集分布時標(biāo)簽天線互阻抗表達(dá)式，并分析了互耦效應(yīng)對系統(tǒng)性能的影響。文獻(xiàn)[9]基于變壓器模型推導(dǎo)了密集分布標(biāo)簽位于彼此近場區(qū)的互阻抗表達(dá)式，并在此基礎(chǔ)上研究了密集標(biāo)簽頻率偏移問題。

優(yōu)化標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)是改善標(biāo)簽天線性能的一種有效途徑。文獻(xiàn)[10]對UHF無源標(biāo)簽天線的常用設(shè)計方法做了研究和總結(jié)，并通過實例對標(biāo)簽天線阻抗匹配的方法進(jìn)行了闡述。文獻(xiàn)[11]對縫隙天線的理論進(jìn)行了論述，并設(shè)計了一款采用半縫隙結(jié)構(gòu)、可集成在板狀金屬結(jié)構(gòu)上的小尺寸標(biāo)簽天線；測試結(jié)果表明所設(shè)計標(biāo)簽可實現(xiàn)與傳統(tǒng)天線相同的性能。文獻(xiàn)[10,11]提出的設(shè)計方法提升了標(biāo)簽性能，但僅適用于標(biāo)簽稀疏分布情形。文獻(xiàn)[12]通過引入間隔較近的反向電流的設(shè)計方法，使標(biāo)簽近場區(qū)的磁場分布均勻，提高標(biāo)簽在近場區(qū)耦合時的讀寫性能，但也帶來標(biāo)簽識別距離過短的問題。文獻(xiàn)[13]基于八木陣列天線理論，提出一種適用于密集分布情形標(biāo)簽天線互阻設(shè)計方法，并基于此方法設(shè)計了一款應(yīng)用于密集布放環(huán)境下的天線。但所設(shè)計的標(biāo)簽天線只適用于密集布放環(huán)境，并未考慮標(biāo)簽處于稀疏分布的情形。

綜上所述，目前對RFID系統(tǒng)標(biāo)簽阻抗匹配特性的討論及所提出的標(biāo)簽天線設(shè)計方法僅針對標(biāo)簽處于稀疏或密集的單一分布狀態(tài)。然而在實際應(yīng)用中，單個標(biāo)簽經(jīng)常工作于不同分布狀態(tài)。例如，某標(biāo)簽貼附的商品在倉儲、上架等環(huán)節(jié)處于密集分布情形，而在支付時則處于稀疏分布情形。僅針對單一分布狀態(tài)設(shè)計的標(biāo)簽，在其分布狀態(tài)改變時，會導(dǎo)致系統(tǒng)性能的顯著下降。

本文利用變壓器模型和二端口網(wǎng)絡(luò)分析方法，推導(dǎo)了標(biāo)簽處于稀疏和密集分布狀態(tài)時的RFID系統(tǒng)鏈路模型；基于加載條匹配原理，提出了一種適用于不同分布情形下的標(biāo)簽設(shè)計方法；以Alien9662標(biāo)簽為原型示例，在HFSS軟件和微波暗箱及室內(nèi)開闊環(huán)境下，對所提出的設(shè)計方法進(jìn)行了仿真實驗與實際測量。

2 無源UHF RFID系統(tǒng)鏈路模型

2.1 標(biāo)簽稀疏分布時的鏈路模型

RFID系統(tǒng)鏈路可分為閱讀器至標(biāo)簽的信號通路為前向鏈路和標(biāo)簽至閱讀器的通信鏈路為反向鏈路。標(biāo)簽處于稀疏分布狀態(tài)時其性能接近單標(biāo)簽情形，因此假設(shè)閱讀器發(fā)射天線與標(biāo)簽天線的增益分別為Gr(θ,φ)與Gt(θ,φ)，閱讀器天線的發(fā)射功率為Pr-t， 設(shè)定閱讀器天線與標(biāo)簽間的間距為d，系統(tǒng)工作頻率波長為λ，那么標(biāo)簽天線在自由空間下接收功率Pt-r為[14]

2.2 標(biāo)簽密集分布時的鏈路模型

2.2.1 密集環(huán)境下標(biāo)簽天線互阻抗

標(biāo)簽密集分布時，由電磁波的傳播機(jī)制可知，標(biāo)簽間距的改變伴隨著標(biāo)簽從彼此的感應(yīng)近場區(qū)變化到輻射遠(yuǎn)場區(qū)。當(dāng)兩個標(biāo)簽位于彼此的近場區(qū)時，F(xiàn)riis功率傳輸公式將不再適用[9]。因此本文將基于變壓器模型和Friis傳輸方程，并結(jié)合二端口網(wǎng)絡(luò)分析法分別推導(dǎo)出不同場區(qū)下標(biāo)簽間的互阻抗表達(dá)式[16]。

為簡化分析過程，以雙標(biāo)簽為例推導(dǎo)標(biāo)簽天線間的互阻抗公式。圖1(a)所示為典型的雙標(biāo)簽密集分布情形，其中標(biāo)簽1為目標(biāo)標(biāo)簽，標(biāo)簽2為干擾標(biāo)簽，二者相對方向天線增益分別為G1(θ12,φ12)和G2(θ21,?21)；圖1(b)為雙標(biāo)簽等效二端口網(wǎng)絡(luò)，V1，V2為標(biāo)簽天線1，2單獨位于閱讀器天線輻射場區(qū)時的感應(yīng)電壓，V12，V21分別為標(biāo)簽2，1散射電磁波在標(biāo)簽天線1，2上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，Z12，Z21為標(biāo)簽天線間的互阻抗，標(biāo)簽1,2的自阻抗分別為Z11=Za11+ZL11，Z22=Za22+ZL22，Za11，Za22為 標(biāo)簽天線的阻抗，ZL11,ZL22為標(biāo)簽的負(fù)載阻抗，I1，I2為 流經(jīng)Za11，Za22上的感應(yīng)電流。

圖1(b)中，V12=Z12I2，V21=Z21I1有

圖1 雙標(biāo)簽密集布放及其等效二端口網(wǎng)絡(luò)模型

2.2.2 密集環(huán)境下系統(tǒng)鏈路模型

標(biāo)簽密集布放時在目標(biāo)標(biāo)簽的前向鏈路中由式(3)知標(biāo)簽1芯片的接收功率為

不失一般性，當(dāng)n個標(biāo)簽密集布放且均處于彼此輻射近場區(qū)時，任意兩個標(biāo)簽之間的互阻抗Zij為

3 標(biāo)簽多分布狀態(tài)時功率傳輸系數(shù)分析

標(biāo)簽布放疏密程度改變時，標(biāo)簽間互耦效應(yīng)產(chǎn)生的互阻抗會導(dǎo)致系統(tǒng)前向鏈路中功率傳輸系數(shù)的變化進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的不穩(wěn)定。

3.1 標(biāo)簽互阻抗對功率傳輸系數(shù)的影響

3.1.1 稀疏分布時標(biāo)簽的功率傳輸系數(shù)

仿真設(shè)置掃頻中心頻率為920 MHz，標(biāo)簽間距變化為500～1000 mm，步進(jìn)值為25 mm。仿真結(jié)果根據(jù)式(4)計算得出。

如圖2，標(biāo)簽之間的距離大于d12＞1.5λ(500 mm)，此時標(biāo)簽處于稀疏分布狀態(tài)，互耦效應(yīng)已經(jīng)可以忽略，標(biāo)簽的功率傳輸系數(shù)接近于1性能接近于單標(biāo)簽的情形。

圖2 標(biāo)簽稀疏布放時傳輸系數(shù)與標(biāo)簽間距關(guān)系

3.1.2 密集分布時標(biāo)簽的功率傳輸系數(shù)

圖3 標(biāo)簽密集布放時傳輸系數(shù)與標(biāo)簽間距關(guān)系

3.2 功率傳輸系數(shù)對標(biāo)簽天線反向散射功率的影響

4 適用于多分布環(huán)境的天線設(shè)計

標(biāo)簽分布由稀疏變?yōu)槊芗瘯r，標(biāo)簽間的互耦效應(yīng)產(chǎn)生的互阻抗使標(biāo)簽天線的阻抗增大，造成標(biāo)簽在密集環(huán)境下性能嚴(yán)重下降。一般使用調(diào)節(jié)天線阻抗的方法來調(diào)整標(biāo)簽在密集環(huán)境下的性能[18]。通常的阻抗匹配方法，需要重新設(shè)計標(biāo)簽天線的外形。本文選擇了在不完全破壞標(biāo)簽外形并保持原有天線性能基礎(chǔ)上的標(biāo)簽天線設(shè)計方法，即加載條匹配的方法。

4.1 適用于多分布環(huán)境的天線設(shè)計方法

4.1.1 基于加載條匹配的標(biāo)簽天線等效電路模型

基于加載條匹配的設(shè)計方法給標(biāo)簽天線添加了一條加載條后天線模型如圖4(a)所示，其等效電路可類比于變壓器等效電路[19]，如圖4(b)所示。

圖4 基于加載條匹配的天線模型及等效電路

設(shè)E=wL2-1/wC2，則標(biāo)簽天線受到加載條耦合影響下的等效阻抗為

不失一般性，本文采用常見的印刷偶極子天線Alien 9662作為天線分析模型，因此，在Alien 9662基礎(chǔ)上添加加載條后的天線仿真模型如圖5所示。對長為a寬為b的加載條而言，其電感L2與寬度有

圖5 標(biāo)簽天線仿真模型圖

可以發(fā)現(xiàn)，電感L2與加載條長度有關(guān)，且呈對數(shù)關(guān)系，但電感值變化范圍較小，因此在加載條長度不變的條件下可將加載條的電感值視為一定值。加載條的電容C2與加載條寬度關(guān)系為

由式(30)可知加載條的電容值與其寬度線性相關(guān)，因此可以通過調(diào)節(jié)加載條的寬度值來改變其電容值。

4.1.2 加載條的設(shè)計方法及性能分析

固定加載條與天線間的距離為2 mm，加載條寬度變化為2～6 mm，步進(jìn)值為2 mm，設(shè)置掃頻中心頻率為920 MHz。如圖6(a)所示，仿真結(jié)果表明隨著加載條寬度增加，天線阻抗實部和虛部也增大，在諧振頻率920 MHz時，標(biāo)簽天線的輸入阻抗的實部僅增加了幾歐姆，而虛部則增加了幾十歐姆，加載條寬度的變化主要影響天線輸入阻抗的虛部。

固定加載條的寬度為2 mm，加載條距天線本體距離變化為2～6 mm，步進(jìn)值為2 mm，掃頻中心頻率設(shè)置為920 MHz。如圖6(b)所示，隨著加載條與天線本體間距離增加，標(biāo)簽天線的阻抗值減小。調(diào)節(jié)加載條寬度和加載條與天線本體間的距離，可實現(xiàn)對標(biāo)簽阻抗的精細(xì)調(diào)節(jié)，基于加載條匹配的天線自阻抗實部可在原型天線實部的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)( -5,5)Ω，虛部阻抗可在原虛部阻抗基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)(-10,20)Ω。

圖6 加載條參數(shù)變化對天線的影響

4.2 仿真實驗及結(jié)果分析

本文采用仿真軟件ANSYS HFSS 15.0做標(biāo)簽建模與仿真實驗。原型標(biāo)簽采用Alien9662，Monza-5芯片，基于加載條匹配的改進(jìn)標(biāo)簽為圖5所示，設(shè)置a=73 mm, b=2 mm, dis=2 mm。為便于論述Alien9662以下稱為標(biāo)簽1，根據(jù)本文方法改進(jìn)的Alien9662以下稱為標(biāo)簽2。兩枚標(biāo)簽耦合造成的影響與多枚標(biāo)簽耦合造成的影響趨勢是一致的[19]，圖7(a)為加載條匹配標(biāo)簽平行疊放的雙標(biāo)簽仿真模型。調(diào)整兩枚標(biāo)簽間距離，使兩枚標(biāo)簽的垂直距離從λ/300 增加到3λ，并由公式(22)計算工作頻率內(nèi)標(biāo)簽的功率傳輸系數(shù)值。

如圖7(b)所示，當(dāng)標(biāo)簽間的距離dλ12＜1.5時，標(biāo)簽為密集布放狀態(tài)，標(biāo)簽2的功率傳輸系數(shù)始終高于標(biāo)簽1；而當(dāng)標(biāo)簽天線間的距離dλ12＞1.5時，標(biāo)簽處于稀疏狀態(tài)，彼此間的互耦效應(yīng)已經(jīng)可以忽略，標(biāo)簽1和標(biāo)簽2的功率傳輸系數(shù)都已接近于1，仿真結(jié)果與上述分析相符。

圖7 雙標(biāo)簽仿真模型及仿真結(jié)果

標(biāo)簽天線的調(diào)制因子是反映反向鏈路傳輸性能的重要參數(shù)[20]。如圖8(a)所示，當(dāng)標(biāo)簽間距d12＜1.5λ時，標(biāo)簽2的調(diào)制因子相較于標(biāo)簽1的調(diào)制因子的波動范圍要大，但整體的取值范圍更接近于1。而當(dāng)d12＞1.5λ時，標(biāo)簽1的調(diào)制因子相較于標(biāo)簽2更接近于1。圖8(b)為調(diào)制因子的計算值，與仿真結(jié)果基本吻合。

圖8 標(biāo)簽調(diào)制因子隨標(biāo)簽間距變化圖

5 實驗結(jié)果與分析

實驗中采用深圳YND公司的UHF RFID系統(tǒng)，包括閱讀器YND3002及閱讀器天線YND9028，其中閱讀器天線YND9028為圓極化面天線，工作頻率為840～960 MHz，增益為9.2 dBi，駐波比小于1.3。選用的對比標(biāo)簽分別為Alien9662(標(biāo)簽1)，根據(jù)本文方法改進(jìn)Alien9662(標(biāo)簽2)與文獻(xiàn)[13]中提出的應(yīng)用于密集環(huán)境中的標(biāo)簽(以下稱標(biāo)簽3)，系統(tǒng)工作頻率設(shè)置為920 MHz。

5.1 雙標(biāo)簽性能測試

由式(27)知標(biāo)簽天線的后向散射功率Pt-b與傳輸系數(shù)τ為單調(diào)變化關(guān)系，因此標(biāo)簽布放狀態(tài)改變時，標(biāo)簽間的互耦效應(yīng)對標(biāo)簽天線傳輸系數(shù)的影響在實驗測試中可以用返回信號強(qiáng)度(RSSI)的變化來反映。雙標(biāo)簽實驗測試場景如圖9所示，限于微波暗室的尺寸，標(biāo)簽處于稀疏分布狀態(tài)時，實驗設(shè)置在空曠的室內(nèi)。

圖9 標(biāo)簽性能測試實驗場景

由文獻(xiàn)[9]可知標(biāo)簽彼此之間角度θ＞75o，標(biāo)簽間的影響可忽略不計。因此本文只研究標(biāo)簽間的夾角θ分別為0°和45°時雙標(biāo)簽系統(tǒng)的性能變化。閱讀器天線與目標(biāo)標(biāo)簽之間d1=100 cm ，設(shè)置閱讀器的發(fā)射功率為1 W(30 dBm)。干擾標(biāo)簽與目標(biāo)標(biāo)簽間距為d2，d2從0增加至100 cm，步進(jìn)值為1 cm。分別設(shè)置兩枚標(biāo)簽間的夾角為θ=0o,45o，實驗結(jié)果如圖10所示。如圖10(a)，標(biāo)簽2和標(biāo)簽3的返回信號強(qiáng)度始終大于標(biāo)簽1，隨著間距的增大，標(biāo)簽1的返回信號強(qiáng)度逐漸上升，標(biāo)簽2和標(biāo)簽3的性能有所波動但仍高于標(biāo)簽1。當(dāng)標(biāo)簽分布狀態(tài)由密集變?yōu)橄∈?，如圖10(b)所示，相較于標(biāo)簽1，標(biāo)簽2的性能有所下降，但比標(biāo)簽3性能穩(wěn)定，此時標(biāo)簽3的性能嚴(yán)重惡化。

由圖10(c)和圖10(d)可知，標(biāo)簽間角度變化時，3種標(biāo)簽的性能變化保持一致，即分布狀態(tài)改變時標(biāo)簽2的性能始終介于標(biāo)簽1和標(biāo)簽3之間。且標(biāo)簽間的夾角越小，標(biāo)簽間的互耦效應(yīng)越強(qiáng)且作用距離變短。

圖10 標(biāo)簽返回信號強(qiáng)度隨θ 的變化

實驗結(jié)果表明基于加載條改進(jìn)的標(biāo)簽可以平衡稀疏環(huán)境下普通標(biāo)簽和專門應(yīng)用于密集環(huán)境下的標(biāo)簽之間的性能，即同時滿足標(biāo)簽在不同分布狀態(tài)下的使用條件。

5.2 多分布狀態(tài)下標(biāo)簽群讀實驗

在空曠的室內(nèi)環(huán)境中，對3種標(biāo)簽做讀取對比實驗，實驗場景布置如圖11所示，相鄰標(biāo)簽水平及垂直間距均為d。設(shè)置d=5 cm, 10 cm即讓標(biāo)簽分別處于密集和稀疏狀態(tài)，設(shè)置閱讀器的發(fā)射功率為1 W，閱讀器天線至最近標(biāo)簽的距離固定為1 m。標(biāo)簽正對著閱讀器天線水平貼附在厚度為10 cm的泡沫板上。測試結(jié)果分別如表1，表2所示。不同分布狀態(tài)下標(biāo)簽的讀取率如圖12所示。

圖11 標(biāo)簽群讀實驗

表1 密集環(huán)境下標(biāo)簽群讀實驗

表2 稀疏環(huán)境下標(biāo)簽群讀實驗

圖12 標(biāo)簽讀取率

由圖12(a)可知標(biāo)簽密集布放時標(biāo)簽1的讀取率遠(yuǎn)低于標(biāo)簽2和標(biāo)簽3，標(biāo)簽2的讀取率雖然低于標(biāo)簽3但仍保持在73%以上。當(dāng)標(biāo)簽處于稀疏分布時，如圖12(b)所示，標(biāo)簽3的讀取率遠(yuǎn)低于標(biāo)簽1和標(biāo)簽2，而標(biāo)簽2的讀取率雖然低于標(biāo)簽1但整體保持在81%以上。綜上分析可知基于本文所提出的設(shè)計方法設(shè)計的標(biāo)簽天線在標(biāo)簽分布狀態(tài)改變時仍保持著穩(wěn)定性能，可適用于分布狀態(tài)變化環(huán)境中。

6 結(jié)束語

針對標(biāo)簽分布疏密程度變化時，標(biāo)簽間的互耦效應(yīng)會對標(biāo)簽天線性能產(chǎn)生影響，結(jié)合變壓器模型和二端口網(wǎng)絡(luò)分析方法，推導(dǎo)得到了密集環(huán)境下標(biāo)簽天下互阻抗和傳輸系數(shù)表達(dá)式，提出了基于加載條匹配的方法來調(diào)節(jié)天線的阻抗，并給出了設(shè)置加載條之后標(biāo)簽天線的變壓器等效模型，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了加載條的尺寸與其電感和電容的關(guān)系表達(dá)式以及分析了設(shè)置加載條后對標(biāo)簽天線性能的影響。通過實驗測試基于加載條匹配后的改進(jìn)標(biāo)簽在稀疏環(huán)境和密集環(huán)境下都可以保持穩(wěn)定的性能。本文只是對設(shè)置加載條對標(biāo)簽天線性能的影響的初步研究，下一步需要分析更多的天線實例，總結(jié)出加載條對標(biāo)簽天線的阻抗的影響的一般表達(dá)式，從而使本方法能夠有一定的普適性。