金屬環(huán)境下超高頻RFID系統(tǒng)前向鏈路分析*

李 兵， 周亞東， 林建州， 何怡剛

(1.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學 信息工程系，安徽 宣城 242000)

0 引 言

隨著射頻識別(radio frequency identification,RFID)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，環(huán)境因素成為了影響RFID傳感系統(tǒng)通信的關(guān)鍵性因素。環(huán)境因素復(fù)雜多變，且目前的環(huán)境大多都存在金屬，例如物流中的貨物架、智能電網(wǎng)中的電力設(shè)備[1，2]、智能醫(yī)療器械等。由于金屬對電磁波傳輸和標簽天線的影響較大[3]，在自由空間中能夠讀取的標簽，在金屬環(huán)境下可能無法被閱讀器識別，因此金屬環(huán)境直接阻礙了RFID系統(tǒng)的推廣，研究金屬環(huán)境對RFID系統(tǒng)的影響變得尤為重要。

目前，國內(nèi)外學者研究較多的是抗金屬標簽天線，運用HFSS，ADS等軟件對設(shè)計的天線進行分析研究。文獻[4]提出了一種小型化的抗金屬微帶天線，文獻[5]提出人工磁導體印刷的抗金屬偶極子天線，文獻[6]利用實驗詳細分析了標簽天線特性隨天線距金屬距離的變化情況，文獻[7]詳細介紹和分析了自由空間中偶極子天線性能，且給出了偶極子天線的輻射電磁場公式，文獻[8]只給出了入射與反射電磁波的合成場強公式，未從電磁理論上推導金屬對標簽的影響，文獻[9]討論了不同貼附材料對RFID系統(tǒng)通信的影響，文獻[10]簡要介紹了三種減小金屬影響的方法，即增大標簽距金屬表面的距離、金屬與標簽之間加入吸波材料、引入高阻抗表面基板。以上文獻大多是從實驗角度角度研究金屬環(huán)境下的RFID系統(tǒng)，較少涉及金屬背景下RFID系統(tǒng)的鏈路計算，因此本文從理論上對RFID系統(tǒng)前向鏈路進行分析計算，得到標簽?zāi)軌蚬ぷ鲿r距離閱讀器的距離隨標簽距金屬表面距離變化的關(guān)系。

1 RFID傳感系統(tǒng)

RFID傳感系統(tǒng)融合了RFID技術(shù)與傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過電磁耦合方式進行通信，其通信鏈路分為前向鏈路和反向鏈路，前向鏈路通信過程為：閱讀器將編碼后的載波信號調(diào)制到閱讀器天線發(fā)射的電磁波上，處于閱讀器有效通信范圍內(nèi)的標簽將會接收電磁波，獲取能量和加密信號，經(jīng)調(diào)制/解調(diào)，獲取閱讀器指令；反向鏈路通信為標簽獲取閱讀器指令后給出相應(yīng)應(yīng)答，將傳感器檢測到的信號和標簽信息經(jīng)加密調(diào)制到載波上，經(jīng)標簽天線向閱讀器發(fā)送應(yīng)答信號，閱讀器天線接收到標簽加密信號，經(jīng)調(diào)制/解調(diào)，獲取標簽存儲的信息，完成對標簽的智能識別。由閱讀器天線和標簽天線間耦合方式的不同，將RFID系統(tǒng)的通信方式分為電感耦合以及反向散射耦合兩種方式。

2 前向鏈路分析與計算

2.1 前向鏈路分析

由于偶極子天線是RFID傳感系統(tǒng)最常用的天線之一，且輻射場較為簡單，因此本文考慮的是半波長偶極子天線。對于λ/n偶極子天線，遠場情況下可以得到偶極子天線的電場和磁場表達式為[7]

(1)

圖1 金屬環(huán)境下RFID系統(tǒng)前向鏈路原理

圖1中PE為閱讀器天線等效輻射功率，GR，Gtag分別為閱讀器天線增益和標簽天線增益，Δr為標簽距金屬表面的距離，使得金屬表面反射電磁波E2(r)與E1(r)有個時間差，用Δt表示為Δt=2Δr/c，c為真空中的光束。如果在Δt時間內(nèi)，標簽?zāi)軌蜃x取閱讀器發(fā)射信息，并將自身信息發(fā)射給閱讀器完成通信，則金屬對RFID系統(tǒng)通信無影響。當標簽貼在金屬表面時，金屬表面將反射入射到其表面的電磁波，且反射電磁波與入射電磁波反向，即二者相位差為π，在金屬表面附近將會產(chǎn)生準駐波[11]，反射波E2將會與入射波E1疊加，為了了解標簽天線處的電場強度，設(shè)定標簽和閱讀器相距2.5 m，閱讀器輻射功率為2 W，信號頻率為915 MHz，當Δr分別取4,8,16,32 mm時可得圖2。

圖2 不同Δr下標簽處的合成電場強度

從圖2中可以看出，在一定范圍內(nèi)隨著標簽距金屬表面距離的增大，準駐波的振幅也跟著增大，且隨著Δr的不同合成場的相位也在變化。磁場強度和電場強度的波形相同，振幅不同。標簽工作的關(guān)鍵是標簽獲得的功率必須大于標簽自身最低功耗。隨著Δr的增加標簽天線處的電場和磁場強度隨著增加，當標簽天線處的平均功率通量密度大于某一值時，標簽將處于工作狀態(tài)。

2.2 前向鏈路計算

本文考慮半波長偶極子天線，閱讀器和天線處于同一高度，且閱讀器天線輻射電磁波直射到標簽，因此n=1，θ=π/2，Φ=π/2。將式(1)化簡且改用向量形式表達為

(2)

由圖1可得標簽處的反射場強為

(3)

實際情況下，r的量級為米(m)，而Δr的量級為毫米(mm)，因此有1/(r+2Δr)≈1/r成立

3 實驗與結(jié)果分析

采用NI公司的NI—5641R模塊、NI5610射頻上變頻模塊、NI5600射頻下變頻模塊、PXI機箱、RFID測試軟件和LabVIEW軟件及工具包構(gòu)建的RFID系統(tǒng)測試平臺[12]。實驗設(shè)備按照圖3進行安裝，閱讀器天線為半波長偶極子天線。采用文獻[13]中的半波長偶極子天線和Alien Higgs—3芯片制作的標簽，且增益為1.64，功率傳輸系數(shù)為0.2，實驗使用信號頻率為915 MHz，閱讀器平均發(fā)射功率為2 W，在開闊的室內(nèi)進行實驗，得到如圖3所示結(jié)果。

圖3 實驗結(jié)果

圖3(a)理論計算表示的是標簽?zāi)軌蚬ぷ鲿r距閱讀器距離隨標簽距金屬表面距離的變化關(guān)系。

1)圖3(a)中直線比曲線的位置高，其原因為標簽恰好能夠工作時，閱讀器并不能收到標簽反向散射信號。這是因為金屬表面反射的電磁波信號也會和標簽反向散射信號疊加，由于存在相位差，因此使得標簽反向散射信號減弱，閱讀器收到的信號強度遠低于標簽反向散射信號,使得標簽的通信距離縮短[6]。

2)0～6 mm范圍內(nèi),由電磁感應(yīng)原理可知，處于變化電磁場中的金屬內(nèi)部會產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，由于渦流也將產(chǎn)生感應(yīng)磁場，且感應(yīng)磁場磁力線垂直于金屬表面分布，且方向恰好與天線的射頻場強相反。渦流現(xiàn)象將會損失小部分的射頻能量，因此在金屬表面附近將會產(chǎn)生準駐波[11]。渦流產(chǎn)生的磁場將抵消大部分的原磁場，因此使得在金屬表面附近的射頻場強的磁力線趨于平緩，且距金屬表面越近磁力線越平緩[14]。當標簽距金屬表面很近(6 mm以內(nèi))時，該空間渦流產(chǎn)生場強與原射頻場強抵消嚴重，磁力線平行與金屬板表面，標簽天線將不會切割磁力線[9]，且天線的增益很高但天線的輻射場很弱[15]，因此標簽無法獲得射頻能量而工作，因此標簽與閱讀器間的通信距離和標簽讀取率都為0。

3)6～14 mm范圍內(nèi),從圖3中可以看出，隨著標簽距金屬距離的增加，標簽讀取距離以及標簽讀取率迅速增大，在距金屬10 mm處，標簽讀取距離達到1.7 m，讀取率高達83 %，因為在此范圍內(nèi)磁力線也由平緩逐漸恢復(fù)，因此標簽讀取距離和讀取率曲線呈上升趨勢，且在標簽距金屬表面13 mm處標簽已能夠正常通信。金屬不僅對電磁波有影響，還會對標簽天線產(chǎn)生影響，當在天線在金屬表面時，其增益將大于自由空間中的增益，且隨著標簽距金屬距離的增加天線的方向性系數(shù)和效率增加很快[16]，因此此范圍內(nèi)出現(xiàn)了曲線斜率要大于直線斜率的情況。

4)14～20 mm范圍內(nèi),圖3(a)曲線逐漸趨于平緩，直線繼續(xù)增大。圖中直線是理論計算標簽處的電場和磁場強度時，對r與Δr+r進行了簡化處理，因此直線會繼續(xù)增大，而實際上當Δr較大時，r與Δr+r近似相等處理誤差稍大，隨著Δr的增大，經(jīng)金屬表面反射的電磁場強與r+Δr成反比，合成場強的增加速度會逐漸變小，且此范圍內(nèi)標簽處合成場強大于無金屬時的場強，天線方向性系數(shù)和效率基本達到最大值，因此實際上直線應(yīng)和曲線一樣逐漸趨于平滑高于虛線。由文獻[11]知，當標簽距離金屬表面約0.05λ(900 MHz下約為16 mm)處標簽可恢復(fù)正常通信，圖中曲線與該結(jié)論相符。

從以上分析可知，理論計算雖然和實驗測試有一定的差別，但是在6～16 mm范圍內(nèi)，理論計算曲線的走勢和實驗曲線相符。在一定范圍內(nèi)能夠描述金屬環(huán)境下，標簽讀取距離隨標簽距金屬表面距離的變化關(guān)系。

4 結(jié) 論

本文從赫茲偶極子的射頻電磁場出發(fā)，從電磁理論上對RFID傳感系統(tǒng)前向鏈路進行分析，給出金屬環(huán)境下RFID傳感系統(tǒng)前向鏈路中標簽?zāi)軌蚬ぷ鲿r，標簽距閱讀器距離與標簽距金屬表面距離的關(guān)系。最后應(yīng)用MATLAB軟件進行仿真分析，將得到的仿真結(jié)果和實驗測試結(jié)果進行比較，較詳細的分析了理論計算與實驗測試結(jié)果的異同。得出理論計算在一定范圍內(nèi)與實驗結(jié)果相符，實驗測試曲線只是由于金屬對標簽天線的影響，理論計算直線在金屬環(huán)境下的變形。