RFID近場天線應用及設計方法研究

周錦文

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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RFID近場天線應用及設計方法研究

周錦文

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

射頻識別(RFID)系統在交通、物流貨運、工業生產、設備監控以及服務行業等諸多領域中已經得到了廣泛的應用。對近場天線的應用及設計方法進行深入研究，結合天線近場耦合原理和微帶天線諧振腔模型法，提出了一種近場天線的優化設計方法，還將天線應用到電信機柜管理系統中，利用HFSS對設計出的天線進行仿真，并加以測試驗證。制作出的天線經過測試，在電信機柜環境下的回波損耗在頻帶918～926 MHz中小于-10 dB，并且諧振于922 MHz。單根近場天線的近場場強能夠覆蓋電信機柜管理平面內的500 mm×300 mm的區域，并據此確定出覆蓋整個電信機柜平面的天線系統的設計方案。

射頻識別系統；近場天線；微帶天線；諧振腔模型法；優化設計方法

0 引 言

射頻識別技術[1](RFID)是自動識別技術的一種，是無線電識別的簡稱，即通過無線電波進行識別。早在第二次世界大戰期間就已經出現了射頻識別技術。它是對雷達概念的繼承與發展。RFID的理論基礎于上世紀40年代建立，并在80年代開始有了較為成熟的商業應用[2]。同其他識別系統相比，射頻識別系統避免了與觸點連接易受干擾的缺點，從而越來越受到人們的重視。

一個較為典型的射頻識別系統的基本結構組成[3]一般包括標簽、讀寫器和應用系統。

對于配備無源標簽的射頻識別系統而言，系統工作主要包括3個過程：首先由讀寫器主機發送高頻電流，通過讀寫器天線發射射頻信號給在讀寫器讀寫范圍內的無源標簽提供能量，即激活標簽；然后被激活的標簽將標簽內存儲的信息發送給讀寫器；最后讀寫器再將標簽返回的信息傳送給應用系統，應用系統根據具體的應用背景，對接收數據進行控制、存儲和管理。

一般情況下，射頻識別系統中的標簽由標簽天線和標簽芯片兩部分組成。標簽要想正常工作，首先要被激活，而標簽被激活就必須滿足3個條件：

(1) 標簽的頻率范圍在射頻識別系統讀寫器天線的工作頻率范圍之內；

(2) 標簽必須處在射頻識別系統讀寫器天線的讀寫范圍，也就是系統作用距離之內；

(3) 標簽必須獲取足夠大的能量才能被激活。

標簽被激活之后，系統就要對標簽進行“讀”和“寫”2個步驟。標簽先將自己的信息通過標簽天線發送給讀寫器，這是“讀”的過程；之后讀寫器再將接收到的標簽信息傳送給應用系統，并對標簽信息進行處理，這是“寫”的過程。

射頻識別系統主要工作在以下頻率[2]：低頻(LF：125～134 kHz)，高頻(HF：13.56 MHz)，超高頻(UHF：國際標準為860 MHz～960 MHz，在中國為902 MHz～928 MHz)和微波波段(2.4 GHz和5.8 GHz)。其中低頻和高頻射頻識別系統主要采用磁感應耦合的方式進行工作，低頻讀寫器天線的讀寫范圍一般為幾厘米至幾十厘米，而高頻讀寫器天線的讀寫距離一般小于10 cm，也就是說標簽位于讀寫器天線的近場范圍之內才能被識別，故它們都屬于近距離RFID系統。

近距離RFID系統中的標簽工作時不需要發射電磁波，這樣就可以為系統的正常工作提供比較大的能量，甚至可以為耗電量大的微處理器供電[1]。近距離RFID系統應用于安全性需求較高但對作用距離要求不大的應用場合中，如電子門鎖系統或非接觸式計數用IC卡系統。

而微波波段的射頻識別系統是采用電磁波傳播耦合的方式進行工作的，其讀寫器天線的讀寫范圍可達100 m，也就是說標簽能被識別的區域已經位于讀寫器天線的遠場區，故其屬于遠距離RFID系統。遠距離RFID系統中讀寫器與標簽之間數據交換所需要的能量是由讀寫器天線所發射出的電磁波來提供的，所以它可以具有很遠的作用距離。然而，對于超高頻頻段的RFID系統，它的讀寫距離位于讀寫器天線的近場區和遠場區的邊界附近，既可以利用它進行標簽和讀寫器之間的近距離信息交換，也可以進行標簽和讀寫器之間的遠距離信息交換。若利用超高頻頻段的RFID系統進行標簽和讀寫器之間的近距離信息交換，將比低頻和高頻的RFID系統具有更高的數據通信速率和存儲量，而且系統的安全性需求也能夠得到滿足。

1 近場耦合與標簽靈敏度

近場耦合就是指標簽天線位于讀寫器天線的感應近場區和輻射近場區內兩天線進行的能量交換。在UHF近場RFID讀寫器天線和標簽天線之間存在2種耦合方式：電耦合(電容耦合)、磁耦合(電感耦合)。

在電耦合的RFID系統中，標簽感應到的能量主要存儲于電場中，所以很容易產生損耗和受到高電導率物體的影響。然而在實際應用中，設計出的標簽往往較讀寫器尺寸小得多[3]，讀寫器天線的輻射近場分布被標簽天線所影響的程度很小，只要標簽所在位置有很強的場強，就能夠使標簽耦合到足夠的能量以激活自身開始工作。

而在磁耦合的RFID系統中，標簽感應的能量則主要儲存在磁場中，這樣就很容易受到高磁導率物體的影響。此時的讀寫器天線和標簽天線之間的耦合系數可以表示為[4]：

(1)

式中:f為天線的工作頻率;Ntag為標簽天線的匝數;Stag為標簽天線的橫截面積;B為由讀寫器天線在標簽處產生的磁感應強度;α為天線錯位損耗。

當標簽位于讀寫器的讀寫范圍內時，若想要標簽被激活并正常工作，就必須在標簽所在位置處有讀寫器天線輻射出的足夠的電場強度或足夠的能量。而這正是評價標簽性能好壞的關鍵指標之一。標簽的動作靈敏度[1]與標簽的供電方式沒有關系，它是指激活標簽或者說有足夠的能量使得標簽電路正常工作所需要的最小電場強度E。這個最小的電場強度被稱作標簽的動作電場強度Emin。

現今采用先進的低功率半導體工藝，可以使標簽芯片的功率[1]不超過5 μW。一般來說，工作在UHF頻段內的集成式整流器的效率[1]為5%～25%。假如其效率為15%，要確保標簽正常工作，就要求標簽天線處的接收功率為33.3 μW，大約為-14.8 dBm。也就是說設計出的讀寫器天線需要在標簽處產生大約-14.8 dBm的能量才可以激活標簽。

由以上的RFID耦合原理可知，讀寫器近場天線的設計需要滿足2個條件：

(1) 天線在近場指定區域內要有足夠大的場強分布，才能有足夠大的能量激活標簽；

(2) 天線在近場指定區域內要有足夠均勻的場強分布，這樣標簽才能在指定區域內的任何地方被激活。

2 單片矩形輻射元微帶天線近場計算

近場天線的設計應該著眼于場，以場分布情況作為優化目標，通過改變天線的幾何形狀，使得優化目標最優。

根據邊界條件，矩形諧振腔的內場可以表示成：

(2)

其中：

(3)

式中：m，n，p不同時為零，且分別表示沿著x，y，z軸方向的半駐波數。

(4)

(5)

(6)

(7)

由于y分量的磁流互相抵消，所以磁流只有x分量，那么矢量磁位也只有x分量。考慮到微帶天線的接地板對于磁流的影響，運用鏡像原理，相當于有4根大小相同的磁流源向上半空間輻射電磁波。要注意在進行積分運算的時候，積分路徑的選擇很容易出錯。在式(7)中，積分路徑是一個環路C，而并不是任意進行積分的。

為了求矩形微帶天線的近場分布，必須建立近場場點坐標系。為了計算方便，將坐標原點O確定在矩形微帶天線輻射元的幾何中心處，x軸方向與矩形微帶天線寬度a的方向平行，y軸方向與矩形微帶天線的長度b的方向平行，矩形微帶天線向z軸的正方向輻射。

設置一條近場掃描線，其實這條線就是近場場點的集合。根據研究場點位置的不同，可以有不同的近場掃描線，甚至是近場掃描面，根據需要任意定義。本文中需解決的問題就是要考查距離天線特定距離的某條線上的近場場強分布是否均勻，所以定義了近場掃描線。可見，本文中定義的近場掃描線是一條與y軸平行且在yoz面內，距離xoy面為d0的線段。

(8)

現在來確定積分路徑。這里以矩形微帶天線輻射元的邊緣作為積分路徑，方向定為從x軸到y軸的方向。得到矢量電位為：

Fx=

(9)

(10)

(11)

又因為此時只有磁流源，而沒有電流源，所以：

(12)

因此可以得到單片矩形微帶天線的近場電場強度分布為：

(13)

到這里完成了對于單片矩形微帶天線的近場場強分布的理論計算。

3 矩形微帶天線陣列的近場分布

將若干個天線按照某種方式安裝排列在一起就構成了一個天線陣列。天線陣的輻射與每一個陣列單元的天線輻射息息相關。各個陣列單元分別向空間輻射，將它們的輻射迭加在一起即可得到這個天線陣的輻射。所以，天線陣列的輻射與每個天線單元的型式、相對位置和電流分布等有關聯。選擇并調整天線單元的型式、相對位置和電流分布，就能夠得到工程上需要的輻射電磁場分布。

在天線輻射的遠場區，天線陣列理論給出了陣因子的概念來描述陣列對于天線輻射方向圖的貢獻。但是在天線的輻射近場區，天線方向圖還未形成，如何描述陣列對于天線近場場強分布的貢獻至今還沒有一個系統的專業理論。接下來本文將以矩形微帶天線組成的直線陣列為例，來探討微帶天線線陣在天線輻射近場區對于場強分布的貢獻。

在上一節中，本文以矩形微帶天線的幾何中心為坐標原點，分析了單片矩形微帶天線的近場場強的分布。單片矩形微帶天線在近場掃描線上的場強分布是一個關于坐標y的函數，也就是說，在近場掃描線上，不同的y值就對應著一個場強值。現在將矩形微帶天線組成陣列，那么每一片輻射元在近場掃描線上的場強分布是可以求出來的。而矩形微帶天線陣列在近場掃描線上某點的場強值E就是每一片矩形微帶天線在這個點處輻射的場強的矢量疊加，即[6]：

(14)

那么矩形微帶天線陣列在近場掃描線段上的場強分布問題就轉化為求解每片矩形微帶天線在近場掃描線段上的場強分布問題了。

本文在求解單片微帶天線近場分布時均是將坐標原點定在矩形輻射元的幾何中心處的，所以對于不同的微帶天線陣列單元是在不同的求解坐標系下，最后再將這些陣列單元在近場掃描線段上的場強矢量疊加即可求解出微帶天線陣列在近場掃描線段上的場強分布了。

因此，不同的微帶天線陣列單元具有不同的求解區域，即它們各自的近場掃描線段在各自的坐標系下都不同，但是位于陣列坐標系下都是相同的。

當微帶天線陣列單元數N為奇數時，天線元0在自身坐標系下，近場掃描線段的y坐標區間應為：

天線元1在自身坐標系下，近場掃描線段的y坐標區間為：

那么天線元n在自身坐標系下，近場掃描線段的y坐標區間應為：

當微帶天線陣列單元數N為偶數時，天線元0在自身坐標系下，近場掃描線段的y坐標區間應為：

天線元1在自身坐標系下，近場掃描線段的y坐標區間為：

所以不論N的奇偶性，天線元n在自身坐標系下，近場掃描線段的y坐標區間都是一樣型式的區間。

這樣就得到了每一片矩形微帶天線單元的求解區域，最后再將每一片矩形微帶天線單元求解出的場強在近場掃描線段上進行矢量疊加，就得到了矩形微帶天線陣列在近場掃描線段上的場強分布。

4 近場天線設計及仿真

在HFSS13中對二元微帶天線陣列在自由空間中進行建模并仿真。此時天線的幾何參數見表1。

同時設置了一個近場掃描線段，線段長度為60cm，距離天線中心距離為30cm，用于計算距離天線30cm處在天線軸向60cm距離內的近場場強分布。然后對各個幾何參數進行調節，使其處于諧振狀態，并與饋電端口匹配。此時得到了饋電端口的回波損耗S11和距天線30cm處的近場場強分布，如圖1(a)和(b)所示。

表1 二元微帶天線陣列幾何參數

圖1 二元微帶天線陣列自由空間仿真結果

由圖1(a)所示的回波損耗，可見天線有一個良好的諧振點，頻率為f0=921MHz，且天線S11<-10dB，帶寬大約為9MHz。圖1(b)中的橫坐標是歸一化距離，其含義是將近場掃描線段的長度60cm進行歸一化處理，橫坐標從0到1的過程就是在近場掃描線段上60cm的范圍。由圖1(b)所示，天線在30cm處的近場場強分布比較均勻，最大和最小的場強值相差大約只有6dB。這一結果與之前僅對微帶天線中的主模式分析的結果相差很小。

本文需要設計的是用于電信機柜管理系統中的近場天線，還必須觀察此時天線在機柜模型中的性能指標。為此，本文將設計出的天線置于機柜模型中進行仿真。

如圖2(a)所示，天線此時諧振于f0=922MHz這個頻點，并且這個頻點處的S11已經接近-28dB，此時天線的匹配狀態是良好的。并且S11<-10dB的帶寬大約有7MHz。這與在自由空間中的近場天線的回波損耗比較，諧振點偏移了1MHz，帶寬變窄了2MHz，基本上設計出的近場天線受機柜環境的影響是很小的，而且在要求的頻帶內有很好的回波損耗，匹配狀態良好。再由圖2(b)，可見在機柜環境中，天線在機柜設備管理平面上分布有均值足夠大的電場強度，并且在近場掃描線段的60cm范圍內的場強變化小于5dB，說明了在機柜環境下的近場天線滿足了近場場強分布的要求。

圖2 機柜環境下二元微帶天線陣列機柜環境下仿真結果

5 近場天線的測試

對于用于電信機柜管理系統的近場天線的測試主要包括2個方面：(1)近場天線在電信機柜環境下的回波損耗S11；(2)機柜環境下的近場天線在機柜管理平面上的近場場強分布。

加工出來的天線實物圖如圖3所示。

圖3 天線實物圖

待測天線在電信機柜環境下的回波損耗S11如圖4所示。

圖4 電信機柜環境下近場天線S11測試圖

制作出的二元矩形微帶天線陣列在機柜環境中的回波損耗在頻帶918～926MHz中<-10dB，并且諧振于922MHz。這與仿真結果相差不大，天線在電信機柜環境中的匹配狀態良好。良好的匹配狀態才能夠將能量輸出來，不至于反射回讀寫器中。RFID讀寫器天線的阻抗匹配可以保護讀寫器的正常工作，而且有利于標簽在讀寫器天線的讀寫范圍內獲得足夠的能量并被激活。此時天線帶寬約為8MHz，不是很寬。這與天線中的點頻阻抗變換和彎曲微帶線不無關系，但是由于標簽頻帶范圍是920～925MHz，設計出的天線頻帶范圍已經將其覆蓋，可以保證機柜管理系統的正常工作。

由于一般的讀寫器可以提供30dBm的能量給讀寫器天線，而此時的射頻信號發生器提供給近場天線的最大能量為20dBm，輸入的能量偏小10dB，而且一般標簽的動作靈敏度為-14.8dBm，所以為了方便起見，將此時的標簽能被識別的能量下限相應地提高10dB，所以將-24.8dBm作為電信機柜管理系統中標簽被激活的最小能量。這樣一來，今后讀寫器天線與讀寫器相連接時，就可以在機柜管理平面上有最小能量為-14.8dBm的場強覆蓋了。那么由圖5所示，在距離讀寫器天線20cm，即x=20cm處，y方向的讀取范圍為[-50cm, 21cm]；在距離讀寫器天線30cm，即x=30cm處，y方向的讀取范圍為[-30cm, 18cm]；在距離讀寫器天線40cm，即x=40cm處，y方向的讀取范圍為[-20cm, 19cm]。

可見，在距離天線較近的近場區域，場強的均值更大，并且在y方向的讀取范圍更大。還可以看出，在電信機柜平面的中心線處，即x=30cm處的y方向讀寫范圍大約為50cm。

圖5 y方向近場輻射能量測試結果

6 結束語

本文根據應用于電信機柜管理的UHFRFID系統的讀寫器近場天線的具體性能需求，確定出采用串聯饋電的微帶天線陣列作為單根近場天線的基本天線型式。并且利用微帶天線諧振腔模型法求出微帶天線在自由空間中的輻射近場區的場強分布。利用HFSS仿真出在自由空間中以及在電信機柜環境中的單根近場天線的回波損耗和輻射近場區的場強分布。最后，本文用矢量網絡分析儀測量出了電信機柜環境的近場天線的回波損耗。

[1]KLAUSF.射頻識別技術[M].吳曉峰,陳大才譯. 北京:電子工業出版社,2006.

[2] 賈朝鋒.強金屬環境中RFID近場天線的設計與研究[D].成都:電子科技大學,2012.

[3]COLEP,RANASINGHED.TheorytoanalyzesmallloopantennaforUHFRFIDapplication[C]//IEEEInternationalWorkshoponAntennaTechnologySmallAntennaandNovelMetamaterials.Newyork,2006:164-167.

[4]ChenS,ThomasV.OptimizationofinductiveRFIDtechnology[C]//IEEEInternationalSymposiumonElectronicsandEnvironment,NewYork,2001:82-87.

[5] 謝處方,邱文杰.天線原理與設計[M].西安:西北電訊工程學院出版社,1985.

[6]MAILLOUXRJ.相控陣天線手冊[M].南京電子技術研究所譯.北京:電子工業出版社,2007.

Research into The Application and Design Method of RFID Near Field Antenna

ZHOU Jin-wen

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Radio frequency identification(RFID)system has been applied to many domains:traffic,logistics freight,industrial production,equipment monitoring and service industry,etc..This paper deeply studies the application and design method of near field antenna,puts forward an optimization design method of near field antenna，and applies the antenna to telecom cabinet management system combining antenna near field coupling principle and microstrip antenna resonator model method,uses HFSS to simulate the designed antenna and performs test & validation.For the made antenna,the echo loss is less than -10 dB in the frequency band 918～926 MHz in telecom cabinet environment,resonates at 922 MHz.According to that near field strength of single near field antenna can cover 500 mm×300 mm in telecom cabinet management plane,the design scheme of antenna system covering total telecom cabinet plane is determined.

radio frequency identification system;near field antenna;microstrip antenna;resonantor model method;optimization design method

2015-07-07

TN82

A

CN32-1413(2016)04-0040-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.010