基于相控阵技术的新型无源RFID标签理论研究*

杨　栋， 毛陆虹， 李美苓

(天津大学 电子信息工程学院，天津 300072)

基于相控阵技术的新型无源RFID标签理论研究*

杨栋， 毛陆虹， 李美苓

(天津大学 电子信息工程学院，天津 300072)

摘要:基于无源超高频射频识别(UHF RFID)系统的基本工作原理，提出了一种新型标签，将相控阵天线引入无源标签，使得标签具有了定位功能，并且可以改善UHF RFID系统的通信距离。对标签相控阵天线各参数进行了理论数值分析，并使用Matlab软件针对不同的天线阵元个数和阵元间距仿真天线波束幅值与方向性参数，进而实现对理论分析结果的验证。结果表明：理论与仿真结果相符。通过仿真确定了合适的相控阵天线参数，为进一步的研究设计奠定了理论基础。

关键词：射频识别； 无源标签； 相控阵技术

0引言

射频识别(RFID)是二十世纪九十年代兴起的一项利用射频信号进行非接触式双向通信，自动识别目标对象并获取相关信息数据的无线通信技术[1]。它利用射频信号的空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别对象的目的[2]。RFID被公认为二十一世纪十大重要技术之一，已经成功应用到生产制造、物流仓储、资产管理、交通运输、医疗卫生、商业零售、银行、公交车票、公共安全等各个领域[3]。

超高频(UHF)RFID系统最基本的构成包括阅读器(reader)和电子标签(tag)两部分[4]。其中，电子标签可分为无源标签、有源标签和半有源标签三种。由于无源标签从阅读器发出的电磁波中获取能量[5]，无需内置电源，具有体积小、重量轻、成本低，使用寿命不受限等优点，因此,无源标签相比另外两种标签受到越来越多关注[6]。王晋雄等人针对无源标签内部电路的研究[7]，提出了一种新型的整流电路结构，将整流电路的转换效率提高到了30 %，同时降低了稳压电路的功耗，实现为数字电路提供1V电压的同时功耗为500nW，进而提高了标签与阅读器的通信效率。杜永乾等人针对无源标签内部电路的研究[8]是将射频/模拟前端通过系统分区和分时供电对系统功耗进行了优化，实现的读取距离大于6m。李扬阳等人通过对阅读器天线进行设计[9]，使得RFID系统具有了定位功能，增大了系统工作范围，改善了信噪比，有效提高了标签与阅读器之间的通信效率。

基于以上研究，本文从天线接收射频能量的角度出发，提出一种可实现远距离通信且具有定位功能的新型标签，即在标签中引入相控阵技术，构成相控阵天线，在连续的时间内形成多个不同方向的高增益窄波束。该技术的应用可以确定标签与阅读器之间的方向角和距离，实现对阅读器的准确定位，同时窄波束范围可以满足更远距离的通信。

1相控阵天线的基本工作原理

阅读器和标签之间的射频(RF)场环境是RFID系统中重要的因素[10]，RF场环境的建立需要天线向空间辐射RF能量，但是通常天线的辐射方向图是固定的，这就降低了RFID系统的工作效率。天线的发射功率限制和固定的辐射方向图，导致RFID系统的有效识别区域受限，加上在系统射频场识别区域内存在多径干扰，导致标签接收到的能量进一步降低，限制了系统工作的最大距离。为此，本文在标签中使用相控阵天线进行波束扫描控制。

1.1相控阵天线的定位

本文提出的基于相控阵技术的标签工作原理图1。

图1　标签工作示例图Fig 1　Working example of tag

其工作过程为：1)改变相控阵天线阵列之间的相位差来改变天线阵列所发出的波束方向，实现相控阵天线的扫描功能，确定标签接收到的相应信号的阅读器的扫描范围，从而确定阅读器与天线阵列的方向角θB；2)建立标签接收功率P与天线阵列到所发射信号的阅读器之间距离s的函数，此函数不依赖于天线的波束指向，因此，当波束指向不同时，可用同一函数根据接收功率来计算阅读器与标签天线之间的距离;3)根据所确定的方向角和距离可实现阅读器的定位。

图1所示的标签还具有智能选择的功能，标签通过上述过程首先进行一次波束扫描来确定阅读器1和阅读器2的位置以及对应的接收功率，并通过一定方式将其记录保存，之后相控阵天线进行第二次扫描，根据记录的接收功率大小自动调节天线的波束指向来选择能使标签的接收功率较大的阅读器来进行通信。

1.2标签与阅读器之间远距离通信的实现

RFID系统中，标签与阅读器之间的通信是通过天线来完成的，良好的天线设计能使标签获得尽可能多的能量。RFID系统的有效工作距离与标签天线接收到的功率有关，标签通过天线接收射频能量来启动内部电路工作。天线的接收功率与发射功率、两天线之间的距离及天线波束的最远距离有关，其公式为

(1)

式中Pr为接收天线的接收功率，Pt为发射天线的发射功率，Gt为发射天线的增益，Gr为接收天线的增益，R为两天线间的距离，天线的增益(G)与波束的最远距离(Ae) 的关系为

(2)

而天线波束的最远距离Ae与波束立体角ΩA的关系为

Ae·ΩA=λ2

(3)

由以上公式可得，在一定频率下，天线增益与波束范围呈反比关系。因此，在发射功率一定的情况下，减小波束范围可以提高接收功率，而在标签最小接收功率一定的情况下，减小波束范围可以提高增益，进而增大系统的有效识别距离。如图2所示，波束在一定的时间内在多个方向进行扫描，在同等功率下，高增益的窄波束比低增益固定波束的扫描距离要远，且波束在空间内进行扫描，其识别范围也增大。因此，在标签中引入相控阵天线提高了标签的工作距离和识别范围。同时，减小波束范围使得进入范围内的干扰信号变少，降低了多径干扰。

图2　相控阵波束与固定波束Fig 2　Phased array beam and fixed beam

2相控阵技术

相控阵天线包含一系列的天线阵元，每个阵元等间距分布，工作时，每个阵元上都接有一个移相器控制各阵元之间相对馈电方式，改变相控阵天线的波束控制，使得波束在空间内按一定规律扫描，其示意图如图3所示。

图3　n元线性相控阵天线Fig 3　Linear phased array antenna of n element

2.1相控阵天线的幅值

图3中，n为天线阵元的数量，d为相邻两天线阵元之间的间距，入射方向与阵面法线方向夹角为θ，因此，相邻两阵元的波程差引起的相位差为

(4)

式中λ为接收信号的波长。

假设每个天线阵元对应的激励电流幅度为ai(i=0,1,…,n),激励电流在相邻两个天线阵元间的相位差为ΔφB，是由天线阵中移相器提供的附加相位，目的是获得波束扫描方向。然后依据相控阵天线的方向图函数(5)，可以确定波束在某一方向上的幅值大小

(5)

(6)

由式(6)可得，天线的幅值与天线阵元个数n和阵元间距d有关

2.2相控阵天线的波束指向

(7)

2.3相控阵天线的波束宽度

(8)

化简可得波束宽度Δθ3dB为

(9)

由式(9)可得，波束宽度Δθ3 dB与天线的阵元个数n以及阵元间距d有关，当两者乘积一定时，波束宽度一定。

3相控阵天线参数仿真验证

上述分析表明天线的波束指向、波束宽度均与天线阵元数n及相邻阵元间距d有关，为探究这两个参数对相控阵天线波束的影响，使用Matlab软件对相控阵天线进行仿真，观察其波束方向性随阵列个数和阵元间距的变化，为便于比较，仿真幅值采用对固定天线阵列幅值的归一化系数来表示。

3.1天线方向图与阵元个数的关系

从图4的仿真结果可以看出:随着相控阵天线阵元个数的增加，相控阵波束的宽度会变窄，同时其增益变大，天线波束方向性变好。但阵元个数的增加不可避免地增大了整个相控阵天线的面积，因此,在应用中要选择合适的个数。

图4　相控阵波束随阵元个数n的变化Fig 4　Phased array beam varies with element number n

3.2天线方向图与阵元间距的关系

图5所示为相控阵波束与阵元间距之间的关系，从其仿真结果可以看出:随着阵元间距的减小，天线波束宽度变大，增益变小，方向性变差。因此，阵元间距越大，阵列天线的性能越好，但是阵元间距增大的同时也增加了整个相控阵的面积，因此,相控阵天线阵元间距的选择也是一个折衷的过程。

图5　相控阵波束随阵元间距d的变化Fig 5　Phased array beam varies with element space d

对天线进行进一步仿真对比得到图6，从图6中可以看出:天线阵元个数为10，阵元间距为λ/2时，其波束宽度和方向性与阵元个数为20，阵元间距为λ/4时相同。这表明，阵元个数与阵元间距的乘积不变时，天线阵列的波束宽度和增益保持不变，即相控阵天线的波束方向性与其整个阵列的面积有关。

图6　相控阵波束与阵元个数和阵元间距的关系Fig 6　Relationship between phased array beam and element number & space

综合以上仿真结果可以看出:以上仿真结果与第2小节的理论推导结果相符。

4结论

本文提出了一种基于相控阵技术的新型标签，将相控阵天线与射频无源标签相结合，通过控制相控阵天线的波束指向来进行空间扫描，使无源标签具有空间定位功能。通过理论分析与仿真表明：使用相控阵天线的UHFRFID无源标签与使用固定天线的标签相比，具有更好的方向性和更远的工作距离，并且扫描范围变大，增益显著提高，同时改善了UHFRFID系统的抗干扰能力。

参考文献:

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[2]HassanM，AliM，AktasE.Radiofrequencyidentification(RFID)technologiesforlocatingwarehouseresources:Aconcep-tualframework[C]∥ProceedingofEuropeanConferenceonSmartObjects，SystemsandTechnologies，Munich，Germany：ACM，2012：12-13.

[3]ZhuWeiping，CaoJiannong，XuYi.Fault-tolerantRFIDreaderlocalizationbasedonpassiveRFIDtags[J].IEEETransactionsonParallelandDistributedSystems，2014，25(8):2065-2076.

[4]SatoY，MitsugiJ，NakamuraO.TheoryandperformanceevaluationofgroupcodingofRFIDtags[J].IEEETransactionsonAutomationScienceandEngineering，2012，9(3):458-466.

[5]潘丽丽，霍修坤，方荣富，等.基于无源标签的远距离射频识别系统[J].通信技术，2011(6):102-104.

[6]YangPo，WuWenyan，MoniriM.EfficientobjectlocalizationusingsparselydistributedpassiveRFIDtags[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2013，60(12):5914-5924.

[7]王晋雄，马磊，赵东艳，等.无源超高频RFID标签的模拟前端电路设计[J].半导体技术，2014(10):728-732,757.

[8]杜永乾，庄奕琪，李小明，等.低功耗UHFRFID射频/模拟前端解决方案[J].华中科技大学学报:自然科学版，2014(9):81-87.

[9]李杨阳，毛陆虹，张世林，等.基于相控阵天线的RFID定位系统的理论分析[J].微波学报，2014(6):80-85.

[10] 王经纬，何泾沙.基于RFID技术的无源定位算法[J].计算机工程与设计，2013(10):3486-3491.

TheoreticalresearchofnewtypepassiveRFIDtagbasedonphasedarraytechnology*

YANGDong,MAOLu-hong,LIMei-ling

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract:Based on basic working principle of passive UHF RFID system,propose a new type tag which intoduces phased array antenna to make the tag has function of positioning and can improve communication distance of UHF RFID system.Theoretical and numerical analysis on parameters of tag phased array antenna is done,for different number of antenna array element and different element space,magnitude and direction parameters of the antenna beam are simulated by Matlab.Simulation results coincide with theoretical analysis.Appropriate parameters of phased array antenna is determined by simulation,which lay theoretical foundation for further study and design.

Key words:radio frequency identification(RFID); passive tags; phased array technology

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0032—03

收稿日期：2015—08—03

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(61372011)

中图分类号：TN 821

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)04—0032—03

作者简介:

杨栋(1992-)，男，河北石家庄人，硕士研究生，主要研究方向为射频集成电路设计、微波与毫米波电路设计。