超高頻射頻識(shí)別小間隔雙標(biāo)簽天線增益特性研究

彭章友 任秀方 孟春陽(yáng) 李 帥

（特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200072）

超高頻射頻識(shí)別小間隔雙標(biāo)簽天線增益特性研究

彭章友 任秀方*孟春陽(yáng) 李 帥

（特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200072）

該文針對(duì)超高頻射頻識(shí)別（UHF RFID）標(biāo)簽自身參數(shù)和標(biāo)簽間互相耦合對(duì)標(biāo)簽天線增益的影響，推導(dǎo)了相應(yīng)的理論模型。首先從輻射場(chǎng)的角度將標(biāo)簽等效為帶集總負(fù)載的對(duì)稱振子天線，然后基于對(duì)稱振子天線陣列的理論建立了小間隔雙標(biāo)簽天線增益的簡(jiǎn)化模型，并對(duì)密集多標(biāo)簽應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行了簡(jiǎn)單拓展，仿真研究驗(yàn)證了所建模型的有效性。最后對(duì)增益的方向性和輻射效率進(jìn)行了研究，研究結(jié)果對(duì)密集標(biāo)簽的性能研究具有一定的指導(dǎo)意義。

天線；射頻識(shí)別；密集標(biāo)簽；互相耦合

1 引言

在密集環(huán)境下超高頻射頻識(shí)別（UHF RFID）標(biāo)簽的輻射特性除了與天線尺寸等自身參數(shù)有關(guān)，還受到標(biāo)簽間互相耦合的影響［13］-。由于UHF RFID標(biāo)簽天線往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無論是單標(biāo)簽還是密集標(biāo)簽，輻射特性的理論分析都較困難，往往需要利用有限元等仿真方法獲得相關(guān)參數(shù)［4，5］。文獻(xiàn)［6，7］將標(biāo)簽天線等效為類偶極子，建立了標(biāo)簽陣列中末端標(biāo)簽的電流模型，為密集標(biāo)簽提供了偶極子簡(jiǎn)化的思路。文獻(xiàn)［8，9］結(jié)合二端口網(wǎng)絡(luò)和天線散射理論推導(dǎo)出了密集環(huán)境下的標(biāo)簽天線間互阻抗計(jì)算表達(dá)式，分析了互耦效應(yīng)，后者還從輻射場(chǎng)的角度分析了標(biāo)簽天線方向圖，但是兩者都只適用于標(biāo)簽處于彼此遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)即大間隔的情況。

因此還要針對(duì)小間隔標(biāo)簽天線的輻射特性進(jìn)行理論研究。本文將常用的電感耦合型標(biāo)簽等效為對(duì)稱振子天線，基于對(duì)稱振子天線陣列的思想［10］推導(dǎo)出小間隔的雙標(biāo)簽天線增益模型，并拓展到多標(biāo)簽應(yīng)用場(chǎng)合。最后仿真驗(yàn)證了該模型，并分析了增益的方向性和輻射效率，對(duì)密集標(biāo)簽的性能研究具有一定指導(dǎo)意義。

2 UHF RFID標(biāo)簽等效模型

標(biāo)簽天線一般是基于對(duì)稱振子天線來設(shè)計(jì)的，常用彎折線天線以減小天線尺寸［11，12］，如圖1所示。彎折線天線的輻射特性與對(duì)稱振子天線的輻射特性相近，天線上電流可以近似為正弦分布［13］。沿 y方向的垂直相反的電流產(chǎn)生的電場(chǎng)近似抵消，只有同一方向的從左向右的正弦電流才產(chǎn)生輻射，輻射場(chǎng)的方向圖與對(duì)稱振子天線相似。超高頻段的彎折線輻射效率接近100%［13］，天線輸入功率幾乎全部用于輻射和負(fù)載損耗。假設(shè)彎折線的輻射場(chǎng)為md（，wE m， …， θ），將彎折線天線等效為輻射場(chǎng)近似的對(duì)稱振子天線，等效長(zhǎng)度為 2le，即

應(yīng)用中標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)除了采用彎折線結(jié)構(gòu)還常常采用T型匹配［14］、電感耦合［15］等方式進(jìn)行阻抗匹配，本文針對(duì)電感耦合型標(biāo)簽進(jìn)行分析，其物理結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的等效電路如圖2所示［16］。

圖1 彎折線天線

圖2 電感耦合標(biāo)簽物理結(jié)構(gòu)及電路模型

饋電環(huán)上沒有輻射電阻不產(chǎn)生輻射，目標(biāo)標(biāo)簽的輸入功率全部輸入至輻射體中心，因此分析該天線的輻射場(chǎng)，可以將輻射體中心視為饋電端口，而將饋電環(huán)和標(biāo)簽芯片等效為端口處的負(fù)載，等效的阻抗為

其中M是天線輻射體和饋電環(huán)之間的互感，表示它們之間的耦合強(qiáng)度；是饋電環(huán)阻抗，取決于饋電環(huán)自身的電感值為饋電環(huán)端口處的輸入阻抗的實(shí)部；為輻射體阻抗值，是它的實(shí)部。

于是從輻射場(chǎng)的角度標(biāo)簽被等效為帶有集總負(fù)載ZLe的對(duì)稱振子天線，單個(gè)標(biāo)簽天線的輻射場(chǎng)與等效長(zhǎng)度有關(guān)，與負(fù)載阻抗無關(guān)。

3 小間隔的雙標(biāo)簽天線增益建模與仿真驗(yàn)證

3.1 小間隔的雙標(biāo)簽天線增益建模

閱讀器根據(jù)多標(biāo)簽防碰撞協(xié)議［17］對(duì)閱讀范圍內(nèi)的多個(gè)標(biāo)簽依次讀取，某時(shí)刻目標(biāo)標(biāo)簽只有一個(gè)，其他的都是干擾標(biāo)簽。圖 3（a）為兩枚平行疊放的標(biāo)簽，目標(biāo)標(biāo)簽沿x軸放置，干擾標(biāo)簽與目標(biāo)標(biāo)簽的間隔為d。這可以等效為圖3（b）對(duì)稱振子天線陣列，彎折線用長(zhǎng)e2l的對(duì)稱振子天線來等效，振子1端口輸入功率為inP ，振子2集總負(fù)載阻抗值LeZ 由式（1）求出。于是雙標(biāo)簽天線輻射問題便轉(zhuǎn)化為帶負(fù)載天線陣列的輻射問題。

圖3 平行雙標(biāo)簽及等效輻射模型

根據(jù)文獻(xiàn)［10］可以推導(dǎo)出雙標(biāo)簽天線增益為

式中 η0= 120π，RrL是歸于波腹電流 IM1的天線阻抗的實(shí)部，分別為振子1（振子2）歸于輸入電流的自阻抗和互阻抗。雙標(biāo)簽天線增益除了與天線自阻抗有關(guān)，還與互阻抗和負(fù)載阻抗有關(guān)。

天線增益由天線輻射效率和方向性系數(shù)決定，若不考慮天線損耗功率，則天線輻射效率為

天線的方向性系數(shù)表示天線方向性的強(qiáng)弱，根據(jù)式（4），式（5）可得

式（4）～式（6）針對(duì)平行疊放的雙標(biāo)簽，綜合考慮了標(biāo)簽天線自身參數(shù)（等效尺寸、標(biāo)簽芯片阻抗值）、輻射體間互耦效應(yīng)導(dǎo)致的變化參數(shù)（輻射體自阻抗和互阻抗）及閱讀場(chǎng)景因素（閱讀角度）等主要影響因素，能用來定量分析UHF RFID雙標(biāo)簽的天線增益。對(duì)于排布復(fù)雜的多標(biāo)簽場(chǎng)合，標(biāo)簽并非平行疊放，在遠(yuǎn)場(chǎng)會(huì)有不同的方向函數(shù)。根據(jù)雙標(biāo)簽天線增益的推導(dǎo)過程，復(fù)雜排列的N標(biāo)簽的增益模型可以拓展為

式中 IMn/IM1可由n端口網(wǎng)絡(luò)求出，rn和r分別為第n個(gè)標(biāo)簽和目標(biāo)標(biāo)簽至E/H面上遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)點(diǎn)的距離。可以看出雙標(biāo)簽天線增益除了與天線自身阻抗有關(guān)，還與互阻抗和負(fù)載阻抗有關(guān)。

由于標(biāo)簽天線的場(chǎng)點(diǎn)應(yīng)為閱讀器天線所在場(chǎng)點(diǎn)，為了滿足模型推導(dǎo)條件r d＞＞ ，本文將標(biāo)簽間隔限定在 w＜ d ＜ λ /（2π），w為標(biāo)簽寬度。當(dāng)d＞ λ /（2π ）時(shí)，可根據(jù)文獻(xiàn)［9］按遠(yuǎn)場(chǎng)散射分析；當(dāng)標(biāo)簽過于密集（d w＞ ）時(shí)難以用對(duì)稱振子天線理論來分析。由于標(biāo)簽交錯(cuò)放置比平行疊放的干擾小，尤其是交錯(cuò)角度接近90°時(shí)幾乎不造成干擾，并且多標(biāo)簽非平行疊放的情形建模較復(fù)雜，因此本文針對(duì)平行疊放的雙標(biāo)簽具體分析。

3.2 標(biāo)簽天線仿真建模與驗(yàn)證

本文采用ANSOFT HFSS13.0進(jìn)行多標(biāo)簽建模和仿真驗(yàn)證。標(biāo)簽原型、饋電環(huán)、輻射體如圖4所示，標(biāo)簽芯片 Monza5可等效為1800 Ω電阻與1.07 pF電容并聯(lián)。在920 MHz時(shí)天線增益達(dá)到2.1 dBi。將inZ ，lpZ 和rbZ 代入式（1）可以求出等效負(fù)載為 ZLe=76.1 +j38.1。

仿真對(duì)比了輻射體和線寬為1 mm的對(duì)稱振子天線的輻射場(chǎng)（仿真指標(biāo) =r·ErE ，即不考慮遠(yuǎn)場(chǎng)距離r）。閱讀頻率為 920 MHz時(shí)該輻射體與長(zhǎng)度為140 mm的對(duì)稱振子天線的輻射場(chǎng)方向圖幾乎完全重疊。

圖 5（a）為平行疊放雙標(biāo)簽仿真模型，底層標(biāo)簽和上層標(biāo)簽分別為目標(biāo)標(biāo)簽和干擾標(biāo)簽，干擾標(biāo)簽端口處帶有芯片的集總負(fù)載，該模型可以得到兩標(biāo)簽增益仿真值。圖5（b）為對(duì)應(yīng)的兩個(gè)輻射體，中心都設(shè)置集總端口激勵(lì)，利用這個(gè)模型獲取輻射體的自阻抗值和互阻抗值。

針對(duì)標(biāo)簽小間隔情況，設(shè)置仿真間隔的變化范圍是10～50 mm。根據(jù)式（4）計(jì)算 θ= 0°方向的增益，與增益仿真值進(jìn)行對(duì)比，如圖 6（a）所示。增益的理論計(jì)算值從-2.55 dBi變化到2.17 dBi，而實(shí)際仿真值從-4.02 dBi變化到1.17 dBi，曲線變化趨勢(shì)較一致，且?guī)缀跛虚g隔對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)誤差小于1 dBi，平均誤差為0.74 dBi。仿真證明本文推導(dǎo)的增益模型能夠用來定量地分析 UHF RFID 密集標(biāo)簽的天線增益。

4 小間隔的雙標(biāo)簽天線增益特性研究

方向性系數(shù)和輻射效率決定了增益的大小。根據(jù)式（5），式（6）求解不同間隔的方向性系數(shù)和輻射效率，如圖6（b），6（c）所示。可以看出雖然方向性系數(shù)隨間隔變化幅度較小。理論計(jì)算值從2.01 dB變化到3.09 dB，相比增益變化曲線，方向性系數(shù)隨間隔變化較平緩。圖 6（c）所示輻射效率從 34%增加到80%，且變化幅度與增益較一致。通過圖 6可以得出：標(biāo)簽越近增益幅值的衰減越大，這主要源于輻射效率的衰減，即干擾標(biāo)簽在目標(biāo)標(biāo)簽的場(chǎng)的作用下負(fù)載損耗得更多，從而降低了目標(biāo)標(biāo)簽的輻射功率。研究密集多標(biāo)簽的增益幅值，可以針對(duì)輻射效率來分析。

圖4 單標(biāo)簽及分割部分仿真模型

圖5 兩天線平行疊放仿真模型

圖7所示雙標(biāo)簽天線的H面增益方向圖呈現(xiàn)一定的方向性。式（4）中是兩輻射體電流相位差，在（π/2，π）之間，于是d趨近于 0時(shí)，出現(xiàn)了圖 7中標(biāo)簽間隔為10 mm時(shí)的凹點(diǎn)，此時(shí)干擾標(biāo)簽對(duì)目標(biāo)標(biāo)簽起到反射器的作用； coskd θ是干擾標(biāo)簽相對(duì)目標(biāo)標(biāo)簽所走過的相位差，在（0，1）之間，隨著d增加總的相位差跳躍到（-π，0）的范圍，這種反射作用逐漸減弱。還可以計(jì)算出 G （180°，d）＞ G （0°，d）故標(biāo)簽在θ=180°的增益大于θ=0°的增益。這解釋了圖7所示標(biāo)簽天線增益方向性的變化，也為密集標(biāo)簽群讀提供了指導(dǎo)：結(jié)合角度、間隔、阻抗關(guān)系等確定每一枚干擾標(biāo)簽相對(duì)目標(biāo)標(biāo)簽的相位差，再綜合起來，可以確定目標(biāo)標(biāo)簽在哪個(gè)方向上可以獲得最大增益。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將標(biāo)簽彎折線等效為對(duì)稱振子天線，同時(shí)將饋電環(huán)和芯片等效為集總負(fù)載，然后基于對(duì)稱振子天線陣列的思想，推導(dǎo)了UHF RFID標(biāo)簽自身參數(shù)和小間隔時(shí)臨近標(biāo)簽對(duì)天線增益影響的理論模型，仿真和理論計(jì)算結(jié)果的一致性驗(yàn)證了該模型的有效性。增益方向性分析有助于確定標(biāo)簽的最佳讀取方向，而研究增益幅值的衰減程度可以分析輻射效率，這對(duì)密集標(biāo)簽的性能研究具有指導(dǎo)意義。

圖6 增益、方向性系數(shù)、輻射效率隨標(biāo)簽間隔變化圖

圖7 不同間隔時(shí)標(biāo)簽天線增益方向圖

但是本文的理論建模仍存在一定的不足之處，一方面，標(biāo)簽彎折線的等效長(zhǎng)度、阻抗和互阻抗等需要利用仿真工具求得，要建立更精確的增益模型，還需要從輻射場(chǎng)的角度對(duì)彎折線進(jìn)行深入分析；另一方面，本文最終建立的增益模型適用于電感耦合型標(biāo)簽天線，還需要擴(kuò)展到其他類型的標(biāo)簽天線。

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彭章友： 男，1965年生，教授，博士，主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)、通信信號(hào)處理、交通信息工程與控制等.

任秀方： 女，1989年生，碩士生，研究方向?yàn)镽FID標(biāo)簽天線.

孟春陽(yáng)： 男，1990年生，碩士生，研究方向?yàn)镽FID讀寫器和標(biāo)簽天線.

李 帥： 男，1988年生，碩士生，研究方向?yàn)镽FID測(cè)試平臺(tái)開發(fā).

Study on Gain Characteristics of Dual Ultra-high-frequency Radio Frequency Identification Tag Antennas with Small Interval

Peng Zhang-you Ren Xiu-fang Meng Chun-yang Li Shuai
（Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks， Shanghai 200072， China）

Parameters of the Ultra-High-Frequency Radio Frequency IDentification （UHF RFID） tags and the mutual coupling effect have great impact on antenna gain，and a corresponding theoretical model is developed. Firstly，from the perspective of the radiation field，the tag is equivalent to dipole antenna with lumped load. Then based on the theory of dipole array，a simplified gain model of dual tag antennas with small interval is derived，and application of multiple tags is expanded simply. The simulation results show that the model is effective. Finally，the directivity and radiation efficiency are studied. The results provide a theoretical guidance for the research of intensive tags performance.

Antenna；Radio Frequency IDentification （RFID）；Intensive tags；Mutual coupling

TN821+.4

A

1009-5896（2015）07-1774-05

10.11999/JEIT141371

2014-10-27收到，2015-01-08改回，2015-05-11網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（12510500600）資助課題

*通信作者：任秀方 imnotno1@126.com