于正永 黃承 錢建波 丁勝高 董進(jìn)

摘要：基于180°移相器和方形環(huán)天線，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單且性能良好的UHF近場RFID閱讀器天線。該天線主要由兩個(gè)不共面的圓形移相器和方形環(huán)天線構(gòu)成。首先，由于移相器帶來的阻抗變化使得該天線無須復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)即能獲得20 MHz的帶寬（反射系數(shù)小于-10 dB，覆蓋910 MHz到930 MHz），涵蓋了中國RFID UHF頻段標(biāo)準(zhǔn)。其次，該天線利用兩個(gè)移相器180°的移相特性使得具有1倍波長環(huán)形天線的表面電流依然保持同向，避免了傳統(tǒng)天線由于尺寸過大導(dǎo)致電流反向的問題。最終，該天線在其圍繞的區(qū)域內(nèi)（約-70 mm × 70 mm）產(chǎn)生了強(qiáng)度強(qiáng)且均勻的磁場分布。

關(guān)鍵詞：180°移相器;UHF近場RFID;閱讀器天線

中圖分類號：TN823.15? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）36-0005-03

1引言

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)起源于20世紀(jì)30年代的雷達(dá)技術(shù)[1]，20世紀(jì)70年代隨著其工作原理的明確及集成電路的迅猛發(fā)展，RFID技術(shù)趨于成熟，逐步向民用領(lǐng)域發(fā)展，應(yīng)用于鐵路車輛識別、家畜跟蹤、門禁系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)等部分商用或民用領(lǐng)域[2]。近年來，隨著RFID技術(shù)的進(jìn)一步豐富和完善，RFID技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于智能物流[3]、倉儲管理[4]、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）[5]等領(lǐng)域，融入人們的日常生活中。

RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象，快速地進(jìn)行物品追蹤和數(shù)據(jù)交換。RFID系統(tǒng)主要包括閱讀器及閱讀器天線兩部分，根據(jù)閱讀器天線工作區(qū)域的不同，RFID系統(tǒng)可以分為近場RFID系統(tǒng)和遠(yuǎn)場RFID系統(tǒng)[6]。近場RFID系統(tǒng)的基本工作原理是通過閱讀器與標(biāo)簽之間的磁場耦合實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識別，通常采用低頻段（Low Frequency，LF）125/134 KHz和高頻段（High Frequency，HF）13.56 MHz [7]。只要標(biāo)簽處于非磁場環(huán)境（一般、磁導(dǎo)體、磁介質(zhì)不易獲?。到y(tǒng)均能正常工作，但近場磁場強(qiáng)度與距離的三次方成反比，因此識別距離較短，且工作頻率低導(dǎo)致識別速率較慢。遠(yuǎn)場RFID系統(tǒng)則是基于電磁傳播理論，一般工作在甚高頻（Ultra High Frequency，UHF）頻段860 MHz～960 MHz和微波（Micro Wave，MW）頻段2.4 GHz～2.45 GHz或5.2 GHz～5.8 GHz，因此系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率高，識別速度快，但對標(biāo)簽所處的環(huán)境有較高要求，標(biāo)簽不能附著于金屬物體表面否則將無法被識別，從而降低系統(tǒng)性能[8]。因此Harrop.P首次提出了UHF近場RFID的概念并將其應(yīng)用于單品級標(biāo)簽管理（Item-Level Tagging，ILT）領(lǐng)域，由于工作頻率的提升，系統(tǒng)提高了近場RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率，拓展了近場RFID系統(tǒng)的識別距離;同時(shí)，由于系統(tǒng)是基于近場RFID的技術(shù)，克服了遠(yuǎn)場RFID系統(tǒng)標(biāo)簽的環(huán)境適應(yīng)性差等問題[9]。

對于UHF近場RFID系統(tǒng)而言，其閱讀器天線必須能夠在其近場區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度足夠強(qiáng)且均勻的電場或磁場分布，以保證系統(tǒng)的正常工作。環(huán)天線是最常被采用的一種閱讀器天線形式，但傳統(tǒng)的閱讀器天線在UHF頻段是電大尺寸的，導(dǎo)致其表面電流反向，這意味著在天線表面正上方的近場區(qū)域內(nèi)存在強(qiáng)度極弱的磁場，使系統(tǒng)不能識別位于該區(qū)域的標(biāo)簽，從而產(chǎn)生識別盲區(qū)，降低系統(tǒng)性能[10]。為了解決這個(gè)問題，學(xué)者們主要從三個(gè)方面進(jìn)行了提升與改進(jìn)。一是電容加載的分段環(huán)天線，Dobkin等人提出將周長為1倍波長的環(huán)天線分為16段且段與段之間通過貼片電容相連，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)上表面電流同向，使得環(huán)內(nèi)區(qū)域近場磁場均勻[11];陳志寧等人提出利用叉形結(jié)構(gòu)或者雙C形結(jié)構(gòu)電容代替貼片電容，環(huán)天線的周長醉倒可以達(dá)到2倍工作波長[12-14]。二是耦合虛線的分段環(huán)天線，由陳志寧教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)首次提出由相互交錯的兩組分段線（又稱為耦合虛線）構(gòu)成的環(huán)天線，通過交錯部分的耦合電容使天線表面的電流相位延遲，從而使電大尺寸環(huán)天線的表面電流幾乎保持同相位[15];為了闡釋耦合虛線方法實(shí)現(xiàn)換上電流同相的機(jī)理，提出了零相移線（Zero Phase Shift Line， ZPSL）的概念，并對ZPSL周期單元建立等效電路模型，分析其色散特性，深入研究由ZPSL構(gòu)成的電大尺寸環(huán)天線的電流流向和近場磁場特性，并得出該結(jié)構(gòu)的理論最大設(shè)計(jì)周長（約為3倍波長）[16-19]。三是偶極子構(gòu)成的環(huán)天線，利用半波偶極子上電流呈現(xiàn)駐波形式但不會出現(xiàn)反向的理論，由多個(gè)半波偶極子通過合理的饋電和擺放構(gòu)成電大尺寸的環(huán)天線，從而提供較優(yōu)的近場磁場特性[20-21]。上述三種方法均能使得近場磁場均勻、識別區(qū)域面積大（周長至少大于1倍波長），但設(shè)計(jì)難度較大，如分段線的線長和個(gè)數(shù)、加載電容值的大小、偶極子環(huán)天線復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)等。

因此，文章提出一種結(jié)構(gòu)簡單且近場性能優(yōu)異的閱讀器天線。該天線由傳統(tǒng)的環(huán)形天線和圓形移相器組成，其中環(huán)形天線的周長約為1倍波長（工作頻率為922.5MHz對應(yīng)的波長），圓形移相器的長度約為0.5倍波長。利用圓形移相器180°相位反轉(zhuǎn)的特性，本文所提出的環(huán)天線的表面電流能夠保持同相，從而在其近場區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度強(qiáng)且均勻的磁場分布。仿真分析結(jié)果表明，該天線具有20MHz左右的-10dB帶寬（從910MHz到930MHz），覆蓋了中國的標(biāo)準(zhǔn)帶寬（920 MHz～925 MHz）。同時(shí)，該天線具有強(qiáng)度強(qiáng)（大于-14 dB A/m）、均勻且面積大（識別區(qū)域約70 mm × 70 mm）的近場磁場強(qiáng)度。由此可見，本文為UHF近場RFID閱讀器天線提供了一種新的改進(jìn)方法，且提出的天線具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，能夠更好地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

2 UHF近場RFID閱讀器天線

2.1 系統(tǒng)工作原理及相關(guān)指標(biāo)

一個(gè)基于磁場耦合的UHF近場RFID系統(tǒng)主要由標(biāo)簽、閱讀器、閱讀器天線和含有控制閱讀器配套軟件的終端等四部分構(gòu)成。假定閱讀器天線為螺旋天線，天線半徑為a，圈數(shù)為N，閱讀器天線的表面電流強(qiáng)度為I，天線的螺旋電感為L;標(biāo)簽天線也是螺旋天線，天線的圈數(shù)為Ntag，所圍成的面積為S。由安培環(huán)路定律可知，有電流通過時(shí)，天線周圍會產(chǎn)生磁場，該磁場不是輻射場而是一個(gè)衰減場。因此，在距閱讀器天線表面高度為r的位置上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為：

依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，時(shí)變的磁場通過閉合回路時(shí)會在回路上產(chǎn)生電壓，因此位于閱讀器天線近場區(qū)域內(nèi)的標(biāo)簽上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢Vtag，該電動勢的大小可以通過標(biāo)簽形成回路的磁通量的變化求得。

對于具有Ntag圈的標(biāo)簽來說：

其中，磁通量Ψ可通過下式求得：

結(jié)合式（1）、（2）和（3），可以通過下面的公式粗略計(jì)算出Vtag。

式中，Q為天線的品質(zhì)因素，θ為磁場與標(biāo)簽所圍成區(qū)域的法向的夾角，Scos（θ）代表標(biāo)簽天線在近場磁場中的有效面積。感應(yīng)電動勢必然會在標(biāo)簽上產(chǎn)生感應(yīng)電流從而驅(qū)動器正常工作。

上述即為簡化的近場RFID系統(tǒng)的理論推導(dǎo)，要想使系統(tǒng)獲得良好的識別性能，應(yīng)需滿足：

（1）閱讀器天線產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度B應(yīng)盡可能大。值得注意的是磁場強(qiáng)度與距離r的三次方成反比，這意味著隨著標(biāo)簽遠(yuǎn)離閱讀器天線表面，磁場強(qiáng)度將會衰減的很快，這將是限制最大識別距離的主要因素。

（2）標(biāo)簽獲取的功率Pchip（V2tag/2R）應(yīng)大于等于其工作的門限功率Pth，激勵其正常工作，從而被系統(tǒng)所識別。

Pchip與頻率f 的平方、標(biāo)簽圈數(shù)Ntag的平方、標(biāo)簽有效面積Scos（q）的平方和磁場強(qiáng)度B的平方成正比。當(dāng)θ=0°時(shí)，有效面積最大且為S，標(biāo)簽表面與閱讀器天線產(chǎn)生的磁場相互垂直;當(dāng)θ=90°，有效面積僅為為0。由此我們可以看出，磁場在標(biāo)簽所圍成區(qū)域的法向方向上的分量決定了Pchip的大小，如圖1所示。假如標(biāo)簽平行于xoy平面擺放，則僅磁場在Z方向的分量（|Hz|）對Pchip有影響。結(jié)合標(biāo)簽的門限功率Pth，最終我們可以獲得標(biāo)簽所在位置的磁場在垂直于其平面方向上分量的最小值，我們將這個(gè)最小值定義為門限磁場強(qiáng)度（|Hth|）。

通過上述分析，當(dāng)閱讀器天線的輸入阻抗與閱讀器內(nèi)阻共軛匹配時(shí)，閱讀器天線能夠獲得最大電流，從而產(chǎn)生最強(qiáng)的磁場。對于一般的閱讀器來說，用于UHF近場RFID系統(tǒng)的閱讀器天線的輸入阻抗應(yīng)匹配到50 Ω，從而保證系統(tǒng)獲得良好的識別性能。

針對RFID系統(tǒng)，全球在LF和HF頻段已經(jīng)形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，分別為125/134 KHz和13.56MHz，而隨著UHF頻段應(yīng)用的興起，很多國家都單獨(dú)為RFID系統(tǒng)劃分了對應(yīng)的應(yīng)用頻段，中國使用的頻段為920 MHz ～ 925 MHz。為了使閱讀器獲得更好的性能，上述的帶寬均是指反射系數(shù)（S11）小于-10dB的帶寬。

UHF近場RFID系統(tǒng)要獲得良好識別性能，閱讀器天線要在其近場范圍內(nèi)在沿著垂直標(biāo)簽表面（假設(shè)標(biāo)簽表面與xoy面平行）的方向產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場分布|Hz|，即需要滿足|Hz| >|Hth|。結(jié)合理論推導(dǎo)和實(shí)際閱讀器的技術(shù)參數(shù)，識別標(biāo)簽的門限磁場強(qiáng)度|Hth|約為-24dBA/m。

由此可見，-10dB帶寬和近場磁場強(qiáng)度是系統(tǒng)最重要的指標(biāo)，因此閱讀器天線將圍繞這兩項(xiàng)指標(biāo)展開研究。

2.2天線設(shè)計(jì)與分析

文章所提出的天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，正方形環(huán)天線的邊長為L（長度約70 mm）;兩個(gè)圓形移相器的半徑均為r（約為22 mm），但不位于同一平面。圖中棕色部分（環(huán)形天線和1個(gè)移相器）置于襯底頂部，黃色部分（另一個(gè)移相器）置于襯底底部。另外，該天線采用介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.02且厚度為1.6mm的襯底。

借助于商用仿真軟件HFSS，該天線的反射系數(shù)如圖3所示。從圖中可以看出，該天線具有20 MHz的-10dB帶寬，覆蓋910 MHz到930 MHz，符合中國UHF近場RFID系統(tǒng)頻段標(biāo)準(zhǔn)。

該天線的電流分布如圖4所示，由于環(huán)形移相器的周長約為0.5倍波長，因此移相器表明電流同向;同時(shí)，該移相器具有180°的移相功能，因此1倍周長的環(huán)形天線表面電流也能夠保持同向。這意味著該天線的近場磁場分布（主要是|Hz| 分布，如圖5所示）將不同于傳統(tǒng)的環(huán)天線，不會存在識別盲區(qū)。

由圖5中可以看出，該天線在其所圍繞的區(qū)域內(nèi)磁場強(qiáng)度強(qiáng)且分布較為均勻，而其外部區(qū)域磁場強(qiáng)度較弱，這表明位于該位置的標(biāo)簽不易被識別，從而不會帶來誤識別等負(fù)面影響。為了更加直觀地體現(xiàn)近場磁場的強(qiáng)度以及分布，圖6展示了|Hz|分別沿著x軸和y軸的分布情況，在-70 mm～70 mm的范圍內(nèi)，|Hz|均大于-14 dBA/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于所需的-24dBA/m。因此在實(shí)際RFID應(yīng)用場景下，可以適當(dāng)降低閱讀器的輸出功率，或者將標(biāo)簽置于更遠(yuǎn)的區(qū)域。

經(jīng)過上述的分析，我們發(fā)現(xiàn)所提出的天線能夠很好地滿足UHF近場RFID閱讀器天線的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，為環(huán)天線的改進(jìn)提供了一種新的思路，同時(shí)可以有效地應(yīng)用于實(shí)際場景。

3 結(jié)論

文章提出了一種基于180°移相器和環(huán)天線的UHF近場RFID閱讀器天線。該天線結(jié)構(gòu)簡單，無須復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)具有良好的近場性能。該天線具有兩個(gè)圓形移相器，利用其180°的移相特性使得具有1倍波長環(huán)形天線的表面電流依然保持同向，從而產(chǎn)生強(qiáng)度強(qiáng)且均勻的磁場分布，避免了識別盲區(qū)、誤讀等。該天線具有20MHz的-10dB的帶寬，涵蓋了中國UHF頻段標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)具有-70 mm × 70 mm的識別區(qū)域。另外，在相同功率輸出的情況下，該天線具有較遠(yuǎn)的識別距離。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】