一種基于180°移相器和方形環天線的UHF近場RFID閱讀器天線

于正永 黃承 錢建波 丁勝高 董進

摘要：基于180°移相器和方形環天線，提出了一種結構簡單且性能良好的UHF近場RFID閱讀器天線。該天線主要由兩個不共面的圓形移相器和方形環天線構成。首先，由于移相器帶來的阻抗變化使得該天線無須復雜的饋電網絡設計即能獲得20 MHz的帶寬（反射系數小于-10 dB，覆蓋910 MHz到930 MHz），涵蓋了中國RFID UHF頻段標準。其次，該天線利用兩個移相器180°的移相特性使得具有1倍波長環形天線的表面電流依然保持同向，避免了傳統天線由于尺寸過大導致電流反向的問題。最終，該天線在其圍繞的區域內（約-70 mm × 70 mm）產生了強度強且均勻的磁場分布。

關鍵詞：180°移相器;UHF近場RFID;閱讀器天線

中圖分類號：TN823.15? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）36-0005-03

1引言

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術起源于20世紀30年代的雷達技術[1]，20世紀70年代隨著其工作原理的明確及集成電路的迅猛發展，RFID技術趨于成熟，逐步向民用領域發展，應用于鐵路車輛識別、家畜跟蹤、門禁系統、防盜系統等部分商用或民用領域[2]。近年來，隨著RFID技術的進一步豐富和完善，RFID技術已經被廣泛應用于智能物流[3]、倉儲管理[4]、物聯網（Internet of Things，IoT）[5]等領域，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，它通過射頻信號自動識別目標對象，快速地進行物品追蹤和數據交換。RFID系統主要包括閱讀器及閱讀器天線兩部分，根據閱讀器天線工作區域的不同，RFID系統可以分為近場RFID系統和遠場RFID系統[6]。近場RFID系統的基本工作原理是通過閱讀器與標簽之間的磁場耦合實現目標的識別，通常采用低頻段（Low Frequency，LF）125/134 KHz和高頻段（High Frequency，HF）13.56 MHz [7]。只要標簽處于非磁場環境（一般、磁導體、磁介質不易獲取），系統均能正常工作，但近場磁場強度與距離的三次方成反比，因此識別距離較短，且工作頻率低導致識別速率較慢。遠場RFID系統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，因此系統數據傳輸率高，識別速度快，但對標簽所處的環境有較高要求，標簽不能附著于金屬物體表面否則將無法被識別，從而降低系統性能[8]。因此Harrop.P首次提出了UHF近場RFID的概念并將其應用于單品級標簽管理（Item-Level Tagging，ILT）領域，由于工作頻率的提升，系統提高了近場RFID系統的數據傳輸率，拓展了近場RFID系統的識別距離;同時，由于系統是基于近場RFID的技術，克服了遠場RFID系統標簽的環境適應性差等問題[9]。

對于UHF近場RFID系統而言，其閱讀器天線必須能夠在其近場區域內產生強度足夠強且均勻的電場或磁場分布，以保證系統的正常工作。環天線是最常被采用的一種閱讀器天線形式，但傳統的閱讀器天線在UHF頻段是電大尺寸的，導致其表面電流反向，這意味著在天線表面正上方的近場區域內存在強度極弱的磁場，使系統不能識別位于該區域的標簽，從而產生識別盲區，降低系統性能[10]。為了解決這個問題，學者們主要從三個方面進行了提升與改進。一是電容加載的分段環天線，Dobkin等人提出將周長為1倍波長的環天線分為16段且段與段之間通過貼片電容相連，從而實現環上表面電流同向，使得環內區域近場磁場均勻[11];陳志寧等人提出利用叉形結構或者雙C形結構電容代替貼片電容，環天線的周長醉倒可以達到2倍工作波長[12-14]。二是耦合虛線的分段環天線，由陳志寧教授帶領的團隊首次提出由相互交錯的兩組分段線（又稱為耦合虛線）構成的環天線，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現換上電流同相的機理，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構成的電大尺寸環天線的電流流向和近場磁場特性，并得出該結構的理論最大設計周長（約為3倍波長）[16-19]。三是偶極子構成的環天線，利用半波偶極子上電流呈現駐波形式但不會出現反向的理論，由多個半波偶極子通過合理的饋電和擺放構成電大尺寸的環天線，從而提供較優的近場磁場特性[20-21]。上述三種方法均能使得近場磁場均勻、識別區域面積大（周長至少大于1倍波長），但設計難度較大，如分段線的線長和個數、加載電容值的大小、偶極子環天線復雜的饋電網絡等。

因此，文章提出一種結構簡單且近場性能優異的閱讀器天線。該天線由傳統的環形天線和圓形移相器組成，其中環形天線的周長約為1倍波長（工作頻率為922.5MHz對應的波長），圓形移相器的長度約為0.5倍波長。利用圓形移相器180°相位反轉的特性，本文所提出的環天線的表面電流能夠保持同相，從而在其近場區域內產生強度強且均勻的磁場分布。仿真分析結果表明，該天線具有20MHz左右的-10dB帶寬（從910MHz到930MHz），覆蓋了中國的標準帶寬（920 MHz～925 MHz）。同時，該天線具有強度強（大于-14 dB A/m）、均勻且面積大（識別區域約70 mm × 70 mm）的近場磁場強度。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方法，且提出的天線具有很強的實用價值，能夠更好地應用于物聯網領域。

2 UHF近場RFID閱讀器天線

2.1 系統工作原理及相關指標

一個基于磁場耦合的UHF近場RFID系統主要由標簽、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成。假定閱讀器天線為螺旋天線，天線半徑為a，圈數為N，閱讀器天線的表面電流強度為I，天線的螺旋電感為L;標簽天線也是螺旋天線，天線的圈數為Ntag，所圍成的面積為S。由安培環路定律可知，有電流通過時，天線周圍會產生磁場，該磁場不是輻射場而是一個衰減場。因此，在距閱讀器天線表面高度為r的位置上產生的磁感應強度B為：

依據法拉第電磁感應定律可知，時變的磁場通過閉合回路時會在回路上產生電壓，因此位于閱讀器天線近場區域內的標簽上會產生感應電動勢Vtag，該電動勢的大小可以通過標簽形成回路的磁通量的變化求得。

對于具有Ntag圈的標簽來說：

其中，磁通量Ψ可通過下式求得：

結合式（1）、（2）和（3），可以通過下面的公式粗略計算出Vtag。

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

上述即為簡化的近場RFID系統的理論推導，要想使系統獲得良好的識別性能，應需滿足：

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

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

Pchip與頻率f 的平方、標簽圈數Ntag的平方、標簽有效面積Scos（q）的平方和磁場強度B的平方成正比。當θ=0°時，有效面積最大且為S，標簽表面與閱讀器天線產生的磁場相互垂直;當θ=90°，有效面積僅為為0。由此我們可以看出，磁場在標簽所圍成區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。結合標簽的門限功率Pth，最終我們可以獲得標簽所在位置的磁場在垂直于其平面方向上分量的最小值，我們將這個最小值定義為門限磁場強度（|Hth|）。

通過上述分析，當閱讀器天線的輸入阻抗與閱讀器內阻共軛匹配時，閱讀器天線能夠獲得最大電流，從而產生最強的磁場。對于一般的閱讀器來說，用于UHF近場RFID系統的閱讀器天線的輸入阻抗應匹配到50 Ω，從而保證系統獲得良好的識別性能。

針對RFID系統，全球在LF和HF頻段已經形成了統一的標準，分別為125/134 KHz和13.56MHz，而隨著UHF頻段應用的興起，很多國家都單獨為RFID系統劃分了對應的應用頻段，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（S11）小于-10dB的帶寬。

UHF近場RFID系統要獲得良好識別性能，閱讀器天線要在其近場范圍內在沿著垂直標簽表面（假設標簽表面與xoy面平行）的方向產生足夠強的磁場分布|Hz|，即需要滿足|Hz| >|Hth|。結合理論推導和實際閱讀器的技術參數，識別標簽的門限磁場強度|Hth|約為-24dBA/m。

由此可見，-10dB帶寬和近場磁場強度是系統最重要的指標，因此閱讀器天線將圍繞這兩項指標展開研究。

2.2天線設計與分析

文章所提出的天線結構示意圖如圖2所示，正方形環天線的邊長為L（長度約70 mm）;兩個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（環形天線和1個移相器）置于襯底頂部，黃色部分（另一個移相器）置于襯底底部。另外，該天線采用介電常數為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系統頻段標準。

該天線的電流分布如圖4所示，由于環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，該移相器具有180°的移相功能，因此1倍周長的環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）將不同于傳統的環天線，不會存在識別盲區。

由圖5中可以看出，該天線在其所圍繞的區域內磁場強度強且分布較為均勻，而其外部區域磁場強度較弱，這表明位于該位置的標簽不易被識別，從而不會帶來誤識別等負面影響。為了更加直觀地體現近場磁場的強度以及分布，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，|Hz|均大于-14 dBA/m，遠遠強于所需的-24dBA/m。因此在實際RFID應用場景下，可以適當降低閱讀器的輸出功率，或者將標簽置于更遠的區域。

經過上述的分析，我們發現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計指標，為環天線的改進提供了一種新的思路，同時可以有效地應用于實際場景。

3 結論

文章提出了一種基于180°移相器和環天線的UHF近場RFID閱讀器天線。該天線結構簡單，無須復雜的饋電網絡和設計準則，同時具有良好的近場性能。該天線具有兩個圓形移相器，利用其180°的移相特性使得具有1倍波長環形天線的表面電流依然保持同向，從而產生強度強且均勻的磁場分布，避免了識別盲區、誤讀等。該天線具有20MHz的-10dB的帶寬，涵蓋了中國UHF頻段標準，同時具有-70 mm × 70 mm的識別區域。另外，在相同功率輸出的情況下，該天線具有較遠的識別距離。

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【通聯編輯：朱寶貴】