金屬環境下超高頻RFID系統前向鏈路分析*

李 兵， 周亞東， 林建州， 何怡剛

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

0 引 言

隨著射頻識別(radio frequency identification,RFID)技術的廣泛應用，環境因素成為了影響RFID傳感系統通信的關鍵性因素。環境因素復雜多變，且目前的環境大多都存在金屬，例如物流中的貨物架、智能電網中的電力設備[1，2]、智能醫療器械等。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，在金屬環境下可能無法被閱讀器識別，因此金屬環境直接阻礙了RFID系統的推廣，研究金屬環境對RFID系統的影響變得尤為重要。

目前，國內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境下的RFID系統，較少涉及金屬背景下RFID系統的鏈路計算，因此本文從理論上對RFID系統前向鏈路進行分析計算，得到標簽能夠工作時距離閱讀器的距離隨標簽距金屬表面距離變化的關系。

1 RFID傳感系統

RFID傳感系統融合了RFID技術與傳感網絡技術，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制到閱讀器天線發射的電磁波上，處于閱讀器有效通信范圍內的標簽將會接收電磁波，獲取能量和加密信號，經調制/解調，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應答，將傳感器檢測到的信號和標簽信息經加密調制到載波上，經標簽天線向閱讀器發送應答信號，閱讀器天線接收到標簽加密信號，經調制/解調，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 金屬環境下RFID系統前向鏈路原理

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，標簽能夠讀取閱讀器發射信息，并將自身信息發射給閱讀器完成通信，則金屬對RFID系統通信無影響。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。

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軟件及工具包構建的RFID系統測試平臺[12]。實驗設備按照圖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，功率傳輸系數為0.2，實驗使用信號頻率為915 MHz，閱讀器平均發射功率為2 W，在開闊的室內進行實驗，得到如圖3所示結果。

圖3 實驗結果

圖3(a)理論計算表示的是標簽能夠工作時距閱讀器距離隨標簽距金屬表面距離的變化關系。

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,由電磁感應原理可知，處于變化電磁場中的金屬內部會產生渦流現象，由于渦流也將產生感應磁場，且感應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生準駐波[11]。渦流產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)時，該空間渦流產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,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 %，因為在此范圍內磁力線也由平緩逐漸恢復，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和效率增加很快[16]，因此此范圍內出現了曲線斜率要大于直線斜率的情況。

4)14～20 mm范圍內,圖3(a)曲線逐漸趨于平緩，直線繼續增大。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，且此范圍內標簽處合成場強大于無金屬時的場強，天線方向性系數和效率基本達到最大值，因此實際上直線應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)處標簽可恢復正常通信，圖中曲線與該結論相符。

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，理論計算曲線的走勢和實驗曲線相符。在一定范圍內能夠描述金屬環境下，標簽讀取距離隨標簽距金屬表面距離的變化關系。

4 結 論

本文從赫茲偶極子的射頻電磁場出發，從電磁理論上對RFID傳感系統前向鏈路進行分析，給出金屬環境下RFID傳感系統前向鏈路中標簽能夠工作時，標簽距閱讀器距離與標簽距金屬表面距離的關系。最后應用MATLAB軟件進行仿真分析，將得到的仿真結果和實驗測試結果進行比較，較詳細的分析了理論計算與實驗測試結果的異同。得出理論計算在一定范圍內與實驗結果相符，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境下的變形。