超高頻射頻識別小間隔雙標簽天線增益特性研究

彭章友 任秀方 孟春陽 李 帥

（特種光纖與光接入網省部共建重點實驗室 上海 200072）

超高頻射頻識別小間隔雙標簽天線增益特性研究

彭章友 任秀方*孟春陽 李 帥

（特種光纖與光接入網省部共建重點實驗室 上海 200072）

該文針對超高頻射頻識別（UHF RFID）標簽自身參數和標簽間互相耦合對標簽天線增益的影響，推導了相應的理論模型。首先從輻射場的角度將標簽等效為帶集總負載的對稱振子天線，然后基于對稱振子天線陣列的理論建立了小間隔雙標簽天線增益的簡化模型，并對密集多標簽應用場合進行了簡單拓展，仿真研究驗證了所建模型的有效性。最后對增益的方向性和輻射效率進行了研究，研究結果對密集標簽的性能研究具有一定的指導意義。

天線；射頻識別；密集標簽；互相耦合

1 引言

在密集環境下超高頻射頻識別（UHF RFID）標簽的輻射特性除了與天線尺寸等自身參數有關，還受到標簽間互相耦合的影響［13］-。由于UHF RFID標簽天線往往結構復雜，無論是單標簽還是密集標簽，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參數［4，5］。文獻［6，7］將標簽天線等效為類偶極子，建立了標簽陣列中末端標簽的電流模型，為密集標簽提供了偶極子簡化的思路。文獻［8，9］結合二端口網絡和天線散射理論推導出了密集環境下的標簽天線間互阻抗計算表達式，分析了互耦效應，后者還從輻射場的角度分析了標簽天線方向圖，但是兩者都只適用于標簽處于彼此遠場區即大間隔的情況。

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

2 UHF RFID標簽等效模型

標簽天線一般是基于對稱振子天線來設計的，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生的電場近似抵消，只有同一方向的從左向右的正弦電流才產生輻射，輻射場的方向圖與對稱振子天線相似。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載損耗。假設彎折線的輻射場為md（，wE m， …， θ），將彎折線天線等效為輻射場近似的對稱振子天線，等效長度為 2le，即

應用中標簽天線的設計除了采用彎折線結構還常常采用T型匹配［14］、電感耦合［15］等方式進行阻抗匹配，本文針對電感耦合型標簽進行分析，其物理結構及對應的等效電路如圖2所示［16］。

圖1 彎折線天線

圖2 電感耦合標簽物理結構及電路模型

饋電環上沒有輻射電阻不產生輻射，目標標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，可以將輻射體中心視為饋電端口，而將饋電環和標簽芯片等效為端口處的負載，等效的阻抗為

其中M是天線輻射體和饋電環之間的互感，表示它們之間的耦合強度；是饋電環阻抗，取決于饋電環自身的電感值為饋電環端口處的輸入阻抗的實部；為輻射體阻抗值，是它的實部。

于是從輻射場的角度標簽被等效為帶有集總負載ZLe的對稱振子天線，單個標簽天線的輻射場與等效長度有關，與負載阻抗無關。

3 小間隔的雙標簽天線增益建模與仿真驗證

3.1 小間隔的雙標簽天線增益建模

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

圖3 平行雙標簽及等效輻射模型

根據文獻［10］可以推導出雙標簽天線增益為

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。雙標簽天線增益除了與天線自阻抗有關，還與互阻抗和負載阻抗有關。

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

天線的方向性系數表示天線方向性的強弱，根據式（4），式（5）可得

式（4）～式（6）針對平行疊放的雙標簽，綜合考慮了標簽天線自身參數（等效尺寸、標簽芯片阻抗值）、輻射體間互耦效應導致的變化參數（輻射體自阻抗和互阻抗）及閱讀場景因素（閱讀角度）等主要影響因素，能用來定量分析UHF RFID雙標簽的天線增益。對于排布復雜的多標簽場合，標簽并非平行疊放，在遠場會有不同的方向函數。根據雙標簽天線增益的推導過程，復雜排列的N標簽的增益模型可以拓展為

式中 IMn/IM1可由n端口網絡求出，rn和r分別為第n個標簽和目標標簽至E/H面上遠區場點的距離。可以看出雙標簽天線增益除了與天線自身阻抗有關，還與互阻抗和負載阻抗有關。

由于標簽天線的場點應為閱讀器天線所在場點，為了滿足模型推導條件r d＞＞ ，本文將標簽間隔限定在 w＜ d ＜ λ /（2π），w為標簽寬度。當d＞ λ /（2π ）時，可根據文獻［9］按遠場散射分析；當標簽過于密集（d w＞ ）時難以用對稱振子天線理論來分析。由于標簽交錯放置比平行疊放的干擾小，尤其是交錯角度接近90°時幾乎不造成干擾，并且多標簽非平行疊放的情形建模較復雜，因此本文針對平行疊放的雙標簽具體分析。

3.2 標簽天線仿真建模與驗證

本文采用ANSOFT HFSS13.0進行多標簽建模和仿真驗證。標簽原型、饋電環、輻射體如圖4所示，標簽芯片 Monza5可等效為1800 Ω電阻與1.07 pF電容并聯。在920 MHz時天線增益達到2.1 dBi。將inZ ，lpZ 和rbZ 代入式（1）可以求出等效負載為 ZLe=76.1 +j38.1。

仿真對比了輻射體和線寬為1 mm的對稱振子天線的輻射場（仿真指標 =r·ErE ，即不考慮遠場距離r）。閱讀頻率為 920 MHz時該輻射體與長度為140 mm的對稱振子天線的輻射場方向圖幾乎完全重疊。

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

針對標簽小間隔情況，設置仿真間隔的變化范圍是10～50 mm。根據式（4）計算 θ= 0°方向的增益，與增益仿真值進行對比，如圖 6（a）所示。增益的理論計算值從-2.55 dBi變化到2.17 dBi，而實際仿真值從-4.02 dBi變化到1.17 dBi，曲線變化趨勢較一致，且幾乎所有間隔對應的數據誤差小于1 dBi，平均誤差為0.74 dBi。仿真證明本文推導的增益模型能夠用來定量地分析 UHF RFID 密集標簽的天線增益。

4 小間隔的雙標簽天線增益特性研究

方向性系數和輻射效率決定了增益的大小。根據式（5），式（6）求解不同間隔的方向性系數和輻射效率，如圖6（b），6（c）所示。可以看出雖然方向性系數隨間隔變化幅度較小。理論計算值從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，即干擾標簽在目標標簽的場的作用下負載損耗得更多，從而降低了目標標簽的輻射功率。研究密集多標簽的增益幅值，可以針對輻射效率來分析。

圖4 單標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所示雙標簽天線的H面增益方向圖呈現一定的方向性。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，出現了圖 7中標簽間隔為10 mm時的凹點，此時干擾標簽對目標標簽起到反射器的作用； coskd θ是干擾標簽相對目標標簽所走過的相位差，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。還可以計算出 G （180°，d）＞ G （0°，d）故標簽在θ=180°的增益大于θ=0°的增益。這解釋了圖7所示標簽天線增益方向性的變化，也為密集標簽群讀提供了指導：結合角度、間隔、阻抗關系等確定每一枚干擾標簽相對目標標簽的相位差，再綜合起來，可以確定目標標簽在哪個方向上可以獲得最大增益。

5 結束語

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

圖6 增益、方向性系數、輻射效率隨標簽間隔變化圖

圖7 不同間隔時標簽天線增益方向圖

但是本文的理論建模仍存在一定的不足之處，一方面，標簽彎折線的等效長度、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，還需要從輻射場的角度對彎折線進行深入分析；另一方面，本文最終建立的增益模型適用于電感耦合型標簽天線，還需要擴展到其他類型的標簽天線。

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彭章友： 男，1965年生，教授，博士，主要研究方向為無線通信技術、通信信號處理、交通信息工程與控制等.

任秀方： 女，1989年生，碩士生，研究方向為RFID標簽天線.

孟春陽： 男，1990年生，碩士生，研究方向為RFID讀寫器和標簽天線.

李 帥： 男，1988年生，碩士生，研究方向為RFID測試平臺開發.

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網絡優先出版

上海市科學技術委員會（12510500600）資助課題

*通信作者：任秀方 imnotno1@126.com