RFID智能柜天線問題分析與設計改進

摘要：隨著無人售貨的普及，RFID智能柜逐漸成為無人售貨應用的主流解決方案之一。RFID智能柜采用RFID技術激活無源RFID標簽并讀取標簽信息，通過計算用戶在打開RFID智能柜與取貨關門后商品的數量差異，判斷用戶購買的商品并提示結算。但是，商品擺放方式會影響智能柜讀取精度，容易引起標簽漏讀，最終影響商品的結算。本文對現有方案存在的問題進行分析，結合不同天線的場強分布，找到方案的關鍵薄弱點，通過智能天線和天線部署優化，動態化調整天線狀態，大幅度提升智能柜的商品標簽讀取精度。

關鍵詞：RFID智能柜；四臂螺旋天線；微帶天線；PIFA天線

引言

隨著無人售貨商業模式日趨成熟，RFID方案以其成本低的特點，成為智能柜廠商進行商品檢測的關鍵技術之一。但是，在實際應用場景中，顧客取放商品后，商品碼放并不能像實驗室場景那么規則，電磁波在智能柜內部也有明顯的多徑衰落問題，導致讀卡器經常漏讀商品，結算錯誤，影響客戶體驗。單純通過加大讀卡器功率，需要引入大功率器件，成本高，能效差，不易產品化，且會誤讀隔壁智能柜商品。本文通過不同天線方案的設計，對比其在各種場景中的檢測能力，找到在高反射、高遮擋場景下的RFID天線設計方法，以期對相關行業的工作人員有所幫助。

1. 背景及問題

當前，無人智能柜有多層貨架，每層頂部放置一個RFID[1]閱讀器天線。商品上的標簽天線多采用偶極子天線，偶極子天線是線極化天線，擺放位置不同則垂直或水平極化分量不同。

由于不同商品貼標簽位置和擺放位置存在差異，閱讀器端需要考慮讀取各個極化方向的標簽，因此，傳統的RFID閱讀器天線通常采用圓極化天線。在現有的智能柜天線方案中，圓極化天線實現方式多為微帶天線和四臂螺旋天線[2]。

微帶天線是通過在貼片上激勵起兩個相位差90°的簡并模而形成圓極化，效率較高，遠場輻射性能優于四臂螺旋天線[3]。

四臂螺旋天線的四個振子饋電振幅相同，相位依次相差90°而形成圓極化，但由于饋電網絡的引入，傳導的損耗加大，其效率和遠場輻射性能通常比微帶圓極化天線差[4]。

2. 場景問題分析

（1）在智能柜中，擺放商品的層架高度不高，閱讀器天線工作距離商品標簽近，距離普遍在5～30cm之間，偶極子形式的商品標簽在近場通過容性耦合的方式獲取能量，在此場景中更關注閱讀器天線的電場強度及電場覆蓋范圍。（2）傳統的圓極化天線[5]在近場區域，電場能量集中在中心區域，周圍電場分布較弱，當商品擺放在層架邊緣位置，標簽接收到的能量較弱，容易發生漏讀。（3）當商品擺放數量多時，多標簽存在堆積遮擋，處于底層的標簽被遮擋嚴重，接收信號大幅度下降甚至標簽無法被激活，也容易發生漏讀。（4）智能柜內壁常有金屬材料造成信號反射嚴重，存在多徑衰落[6]，而標簽和天線相對位置固定，導致部分標簽無法被激活，也會產生明顯的漏讀情況。

3. 技術問題分析及解決方案設計

結合以上問題，需要對現有方案的場強進行分析，針對四臂螺旋天線[7]和微帶天線做一輪分析。在近距離下，四臂螺旋天線場強更為均衡，在商品層架邊緣的商品更容易被掃描到，但是，距離拉到30cm時，四臂螺旋天線場強衰減明顯，如果商品倒放或者高度較矮的商品被遮擋，標簽漏讀概率就會提高。

微帶天線近距離下場強[8]均衡性相比四臂螺旋天線更差，邊緣標簽存在較為明顯的漏讀情況。但是，因為天線整體效率更高，距離達到30cm時，信號強度比四臂螺旋天線強。

四臂螺旋天線功率分配移相網絡帶來損耗降低效率，微帶天線會激勵表面波帶來效率降低，PIFA（planar inverted F-shaped antenna，平面倒F形天線）天線阻抗易調節，與輸入端有良好的匹配，減少反射損耗提升效率，接地平面可以增強天線輻射增益，使得天線增益高，且在此場景下，所有天線均有水平極化和垂直極化分量可以應對商品各種擺放方式。方案易實現且天線效率高，所以也引入做方案對比。

四臂螺旋天線、微帶天線和PIFA天線方案，通過HFSS仿真得出場強分布圖如圖1所示。

三種方案都各有優劣勢，改進后的新方案需要結合三個方案的優勢，在保障場強均衡性的同時也需要保障天線效率。

結合上一輪分析，進行場景實驗，構造分散堆放、隨機堆放、散亂遮擋三種場景。

分散堆放：商品分散堆放不同區域，遮擋不嚴重，層架的四個角落均有商品。

隨機堆放：商品隨機擺放，姿態隨機，存在互相遮擋，不刻意在角落堆放商品。

散亂遮擋：構造嚴重遮擋標簽場景，讓半數標簽被遮擋。

總商品數量40個，盤讀結果如表1所示。

以上實驗數據和理論分析結果相匹配，需要尋找高效率且場強分布更均勻的天線方案。實驗發現，PIFA天線雖然效率高、最大增益高，但是場強分布不均，對邊緣商品存在漏掃情況。由于RFID讀取多層貨架本身就是輪詢掃描，可以將單層架天線做成多個PIFA天線組合，采用射頻開發切換輪詢，在不同時刻激活不同PIFA天線工作，通過多個天線組合解決場強均衡性問題，同時保障了單個天線的效率和增益，保障整體性能優良。

針對四臂螺旋天線、微帶天線和新設計的智能天線，做場強分布對比分析。智能天線采用四個PIFA天線組合，單個天線保障四分之一的區域信號，四個天線組合出來的電場分布更均勻，而且多個天線還可形成空間分析，減少多徑衰落引起的標簽漏讀的情況。但是，標簽距離天線30cm時候，PIFA天線的場強還是會弱于微帶天線，需要進一步解決。智能天線近距場強對比圖和遠距場強對比圖如圖2與圖3所示。

針對30cm處信號偏弱的問題，結合考慮商品層架部署特點，進行天線設計優化，做了雙面天線陣設計，把天線集成到層架中，上下兩面分別四個PIFA天線，從兩個方向進行標簽掃描，這樣單面天線最遠的覆蓋距離從30cm縮減到15cm，即使商品堆疊，也能有較好的覆蓋效果。8個天線通過開關切換輪詢[9]，更大程度地減少了多徑衰落造成的漏讀情況。

4. 方案驗證

選取單層貨架進行讀取驗證，單層部署44個商品。商品以對信號影響較大的礦泉水為主，讀卡器只進行一輪掃描，對比不同天線的單輪盤讀結果，確定不同天線的盤讀能力。

模型一：隨機堆放，隨意碼放礦泉水，雙面智能天線0漏讀，改善效果明顯。隨機堆放盤讀能力對比結果如表2所示。

模型二：商品整齊碼放，雙面智能天線0漏讀，單面智能天線和微帶天線對比提升不大。整齊碼放盤讀能力對比結果如表3所示。

從單層部署上看，雙面智能天線可以較好地解決傳統方案的天線漏讀問題，整體符合理論預期。接下來驗證符合實際場景的單柜體大規模盤讀能力。

整柜實驗總計部署255個商品，配置不同讀卡器功率進行掃描，從1dBm開始，以1dB為步進，逐步增大信號到30dBm，對比不同天線的盤讀性能，越低的信號強度能盤讀的商品越多，說明天線性能越強。商品標簽通過擺放位置調整，構造水平極化和垂直極化[10]兩種狀態作對比。結果如圖4所示。

從測試結果上看，智能天線的盤讀能力明顯高于其他天線，雙面智能天線無論商品標簽如何擺放，均有較好的盤讀性能，智能天線增益比傳統圓極化天線改善了10dB左右的性能。

結語

針對傳統智能柜的RFID閱讀器漏讀問題，本文從天線角度切入做改進，結合場景和天線能力分析，打破常規設計思路，動態化調整閱讀器天線波束，把智能柜空間進行更小顆粒度細分，全方位考慮柜內商品部署狀態，讓智能柜更加智能etezd9WkC6P+V7v6ESfPcCL0aDLqjl3Xm86l2ViPBN0=。該方案與傳統方案比，在低功率下盤讀性能提升50%；在高功率多標簽堆疊遮擋場景，盤讀性能提升22%；同時，在成本方面，比原有方案成本降低25%。該方案還可以延伸應用于無人超市、倉儲物流、圖書館等標簽多、密度高、反射大的場景，降低技術落地難度，更大程度推動技術應用，為國家發展新質生產力貢獻一份力量。

參考文獻：

[1]丁治國.RFID關鍵技術研究與實現.[D].合肥：中國科學與aQKynuCjScOKi5bf+TQ/QSOIS7LPDWm0wZ6BgJO+Q6A=技術大學，2009.

[2]林昌祿.天線工程手冊[M].北京：電子工業出版社，2002：805-812.

[3]鐘順時.微帶天線理論與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，1991：58-196.

[4]趙東賀，韓國棟，劉桂鳳.一種全向圓極化天線設計[J].計算機測量與控制.2022，30（8）：224-229，235.

[5]Sharma P，Gupta K.Analysis and optimized design of single feed circularly polarized microstrip antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation.1983，31（6）：949-955.

[6]羅啟銘，張懷才.無線通信系統多徑衰落信道基礎模型淺析[J].信息技術與信息化，2018，（7）：115-116.

[7]李愛蓮，華昌洲.一種熱帶魚形端射圓極化RFID閱讀器天線[J].無線通信技術，2024，33（1）：21-25.

[8]周錦文.RFID近場天線應用及設計方法研究[J].艦船電子對抗，2016，39（4）：40-46.

[9]李文，尤陽，陸云龍，等.一種寬帶雙極化波束切換微帶天線的設計[J].微波學報，2024，40（1）：18-22，27.

[10]徐雅薇.基于RFID標簽天線的無源傳感技術[J].山東工業技術，2020（2）：47-55.

作者簡介：胡岳挺，本科，工程師，huyueting@ruijie.com.cn，研究方向：硬件系統設計。