基于無源RFID 標簽天線轉向架表面裂紋檢測研究

祝國凱，鞏玉鑫，侯岱雙

（1.長春工程學院機電工程學院，吉林長春 130012；2.長春工業大學機電工程學院，吉林長春 130012）

近年來，隨著軌道交通行業的發展，智能制造逐漸引起了研究人員的重視［1-3］，結構健康監測（Structural Health Monitoring，SHM）和無損檢測（Nondestructive Testing，NDT）在軌道交通、石油天然氣管道、航空航天、核能和電力設備等重要領域應用較為廣泛，及時有效地對金屬構件（轉向架、鋼、鐵、鋁、鈦合金等）進行健康檢測尤為重要［4］。轉向架是高鐵穩定、安全運行的重要部件之一，在高速列車長期、快速的運行中，轉向架會產生疲勞裂紋或是在焊縫處出現裂紋，裂紋會導致轉向架整體結構的安全系數降低，產生安全隱患，若不及時發現會發生重大安全事故，造成人員傷亡事故和財產損失。因此，對轉向架金屬結構的裂紋進行檢測就顯得尤為重要。目前，結構健康監測技術分為有線和無線兩種，其中有線監測技術具有高精度、高分辨率、高穩定性等優點，但存在部署復雜等問題。而無線監測技術不存在部署復雜問題。通過無線無源微帶天線進行裂紋檢測，有效地解決了電源供電的問題，可在自身簡易的電路結構環境中獲取能量，并且制備過程簡單，大幅降低了制作成本［5］。因此本文選用無源有芯片射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）標簽天線，能夠穩定地檢測金屬裂紋。

目前RFID技術在國內外廣泛應用于金屬結構健康監測領域研究中。陳嵐等［6］基于RFID分層式矩形微帶天線檢測機床裂紋長度、寬度、相對位置和相對角度的變化情況，通過仿真結果分析能夠監測出裂紋的變化情況。文豪等［7］采用無源RFID標簽天線傳感器對技術裂紋深度進行檢測，最終通過測試可達到毫米級精度。Caizzone 等［8］提出一種標簽天線，裂縫兩端貼有兩個標簽天線，通過相位信息觀察裂縫寬度的變化。Marindra等［9-10］對金屬裂紋寬度的檢測進行了一系列研究，利用無芯片RFID 傳感標簽檢測金屬裂紋的相關參數，可以實現毫米級的裂紋寬度檢測。

為了滿足RFID 標簽在金屬表面工作的需求，本文設計了一種應用在超高頻頻段的微帶貼片型RFID抗金屬標簽，配合RFID芯片，結構簡單，制造方便，通過貼片與金屬接地板對電磁波的反射來增加讀取距離，并分析金屬裂紋長度變化對標簽天線諧振頻率的影響，通過高頻結構仿真（High Freqnency Structure Simulator，HFSS）軟件分析仿真結果，使其更適合在金屬表面工作。

1 無源RFID標簽天線的工作原理

閱讀器與標簽之間主要通過閱讀天線與標簽天線的信號傳遞進行工作。其工作原理［11-12］如圖1 所示，RFID系統工作時，閱讀器發射電磁波，當標簽天線電感式電壓達到峰值時，芯片中的集成電路開始工作，將標簽中的信息以信號的形式通過標簽天線發送回閱讀器，閱讀器接收到調制信息后，將信息傳送到PC 端，通過PC端識別標簽信息。

圖1 RFID系統組成圖

RFID標簽中最重要的是標簽天線與芯片的阻抗匹配，當標簽天線與芯片阻抗匹配時，標簽的工作效率最高；當標簽天線和芯片阻抗不匹配時，閱讀器發出的電磁波的一部分能量會被反射回源，而不是繼續向外輻射，標簽的工作效率會降低。

2 選用天線結構與天線設計

RFID標簽中，標簽天線的性能是十分重要的，隨著標簽天線的尺寸發生變化，標簽天線的性能參數也會發生不同形式的變化。在RFID 系統通信時，通常考慮的是閱讀器與標簽天線之間的閱讀距離［13］。在給定的工作頻率下，標簽天線的性能對RFID 系統的最大讀取距離起到很大的影響。其中，阻抗匹配是標簽天線極其重要的參數，決定了標簽芯片與標簽天線之間的能量傳輸。標簽天線的增益決定了標簽的閱讀距離；標簽天線的方向決定了標簽的讀取角度范圍。因此標簽天線的性能對RFID 系統能否正常運作起到至關重要的作用。

2.1 天線的設計

研究人員常用傳輸線模型、諧振器模型和全波理論來分析微帶天線［14］。本文主要運用了前兩種方法。微帶天線設計、阻抗匹配以傳輸線模型為理論基礎，利用諧振腔模型得到微帶天線的各電磁場量在空間中的分布規律。微帶天線輻射貼片的尺寸與介質基板材料的有效介電常數εeff、厚度h有關，根據傳輸線模型，由于微帶天線貼片的長度與寬度都是有限的，貼片邊緣的少量電力線會發生彎曲暴露在空氣中，這被稱為邊緣效應［15-16］。由于此效應的存在，貼片的電尺寸會稍微大于實際幾何尺寸，計算天線諧振頻率時應該考慮該問題。因此有微帶天線的經驗公式如下。

諧振頻率：

寬度：

有效介電常數：

電長度增量：

長度：

貼片有效長度：

式中：c0為自由空間的光速；Le為面電流路徑長度；εe為基材介電常數；εr為介質層介電常數；h為介質層高度。

天線的復阻抗為Za＝Ra＋jXa，芯片的復阻抗為Zc＝Rc＋jXc，其中Ra、Rc為電阻，Xa、Xc為電抗。為了使標簽天線在工作頻率下有較大的功率傳輸系數，需要實現微帶天線與標簽天線的良好的阻抗匹配［17］。

功率傳輸系數：

芯片可以接收到的最大功率：

式中：Pa為標簽天線接收到收發天線的最大功率。根據匹配原理Za＝，τ ＝1，當天線阻抗與芯片阻抗達到共軛匹配時，兩者之間的傳輸功率達到最大。

反射系數Γ與τ的關系式為

其中，反射系數：

由式（10）可得τ ＝｜Γ ｜2＝1，功率傳輸系數與功率反射系數絕對值的平方之和為1。

回波損耗S11：

由式（11）可知天線反射系數越大，回波損耗越大，由此可知阻抗匹配影響天線的各個參數。在天線工作諧振頻率處，其接收的激勵信號被諧振腔吸收，S11數值最低，反射能量最小。

2.2 標簽天線的最大讀取距離

在超高頻RFID 系統中，讀寫器天線與標簽天線之間的最大讀取距離為RFID 標簽天線設計中重要的性能參數［18］。RFID標簽的最大讀取距離主要由兩方面決定，分別是前向鏈路與后向鏈路。前向鏈路主要指標簽芯片吸收閱讀器所發射的功率，從而達到開啟自身功率的最大距離Rtag；后向鏈路主要指讀寫器能夠檢測到標簽所反射信息的最大距離Rread。由于標簽芯片的靈敏度遠遠大于閱讀器芯片接收反向散射信號的靈敏度，故在標簽理論設計與計算讀取距離時，通常只考慮前向鏈路Rtag值。對于前向鏈路，Rtag可以通過Friis方程進行計算。在Friis方程中，接收天線所接收到的信號功率為

可得到傳輸距離：

故標簽天線吸收閱讀器發射功率達到開啟自身功率的最大距離：

式中：Pt為讀寫器的發射功率；Gt為讀寫器天線的增益；R為通信的讀寫距離；λ 為波長；Gr為標簽天線的增益；Pth為標簽芯片的讀取靈敏度；MEIRP＝PtGt，為有效全向輻射功率。

測試選用的RFID 讀寫器頻率為860 ～960 MHz，取925 MHz為諧振頻率，介質材料為FR4，FR4 的介電常數為εr，介質厚度h為1.6 mm。經過上述公式計算設計出一款貼片長度為84 mm×9.43 mm的T形微帶天線模型，如圖2 所示。

圖2 T形貼片天線模型

2.3 金屬裂紋檢測仿真原理

金屬裂紋檢測原理為：以金屬表面作為微帶天線的接地板，當輻射貼片下方表面出現裂紋時，裂紋處的電導率突變使接地板的電流繞過裂紋尖端流動，造成電流路徑改變，導致微帶天線的諧振頻率發生變化［19-20］。

如果產生的裂紋垂直于輻射貼片的寬度方向，將會引起此次設計天線的諧振模式的電流路徑長度增加。

模擬裂紋置于介質基板的下方，如圖3所示。通過HFSS軟件模擬轉向架金屬結構裂紋長度方向的變化。

圖3 裂紋仿真實驗

3 標簽天線仿真實驗

3.1 標簽設計仿真

對于RFID 標簽來說，標簽天線與標簽芯片間的阻抗所形成的共軛匹配是實現標簽芯片對標簽穩定供能與實現標簽最佳性能的關鍵。本文采用三維電磁仿真軟件HFSS對標簽進行設計和仿真，HFSS 軟件可以精確地模擬和計算天線的各種性能參數，包括天線的諧振頻率、回波損耗S11、天線阻抗、增益、電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）、輻射方向圖等。

圖4 為T形匹配微帶標簽的回波損耗S11（X為中心頻率，Y為回波損耗S11）。T 形匹配的微帶貼片標簽中心頻率為915 MHz，S11值為-30.798 9 dB。從S11值可以看出其具有較好的傳輸性能。

圖4 標簽的回波損耗S11

若使標簽具有較好的傳輸性能，則標簽與芯片需具備較好的阻抗匹配。本文所選用的標簽芯片型號為Alien Higgs 3，在915 MHz 下的阻抗值為Zin＝27 -j201，單位為Ω。則標簽天線的共軛匹配應為Zin＝27＋j201。圖5 為T 形匹配微帶標簽的阻抗（X 為中心頻率，Y 為阻抗），圖5（a）和圖5（b）分別為T 形匹配微帶貼片天線阻抗的實部與虛部，標簽的輸入阻抗為Zin＝27.1 485 ＋j203.3 329。

圖5 標簽的阻抗

圖6 為T 形匹配微帶標簽的VSWR（X 為中心頻率，Y為駐波比），VSWR值為1.059 4。由VSWR值可以看出這種標簽具有較好的匹配性能與較好的標簽入射和反射功率。

圖6 標簽的駐波比

綜上所述，本文所設計的UHF_RFID 抗金屬標簽具有良好的匹配性能與較好的標簽入射與反射性能。

3.2 金屬裂紋檢測

使用HFSS對存在的直裂紋進行仿真。首先建模，在介質層下表面隨機位置開一個長10 mm、深1.5 mm的槽，模擬金屬接地板出現裂紋的情況，通過仿真改變裂紋長度為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm來發現裂紋變化對微帶天線的影響，如圖7 所示。

圖7 不同長度的裂紋引起的S11參數圖

通過仿真得出，相較于沒有裂紋時（長度為0 mm時），直裂紋的中心諧振頻率由915 MHz向右偏移，出現少量變化，金屬裂紋引起了中心諧振頻率的上升，從而在理論上使得其讀取距離變大。

RFID系統的工作原理為RFID 閱讀器的發射功率P1、標簽天線接收信號的功率P2和RFID芯片接收天線得到的功率P3與芯片出廠設置的激活功率Px之間的關系。若設定芯片是完好的且可以正常工作，閱讀器與標簽天線之間無障礙阻擋，且端口與極化都匹配，由雷達散射公式，接收天線收到的最大功率為

式中：G1（θ，Φ）、G2（θ，ψ）分別為讀寫器發射天線與標簽天線的增益；λ0為真空中波長；R 為讀寫器與標簽天線的距離；f為諧振頻率。

根據第2 節的天線最大傳輸功率理論，天線在工作諧振頻率處可以接收到的功率為

將閱讀器天線的功率大小設置為在指定距離剛好可以激活RFID芯片，此功率大小可由式（11）得到：

根據以上原理和仿真，當接收天線處于正常工作的諧振頻率時，從設定好的閱讀器天線中所接收到的功率剛好可以在指定距離激活標簽芯片，但是當輻射貼片下的金屬表面出現裂紋時，標簽天線的諧振頻率發生偏移，使得閱讀器可以激活RFID 芯片的距離發生改變，使用以上原理可實現裂紋檢測。

4 結束語

基于RFID技術和微帶天線自身對裂紋檢測的原理，設計了一款中心頻率為915 MHz 的抗金屬標簽，實現了遠距離對裂紋的無損檢測。當輻射貼片下方金屬表面存在裂紋時會導致天線的中心諧振頻率變化，從而導致識別距離偏離標定的距離，以此來實現裂紋檢測。通過對標簽裂紋的仿真，能夠發現隨著裂紋長度的微量變化，標簽讀取距離變大。使用HFSS 軟件優化結構和尺寸，可以很好地完成RFID 芯片與微帶天線的阻抗匹配，使得天線的性能得到很好的優化。通過對天線裂紋的仿真，雖然只能檢測垂直裂紋，但是RFID芯片有獨自的識別編碼，可以通過合理的陣列進行檢測，實現對面積較大的金屬表面進行裂紋檢測。在后續研究中還需考慮裂紋的深度和寬度對諧振頻率的影響，在實際應用中某些因素需要考慮，例如氣候變化和環境對讀寫器與標簽天線的影響。