RFID近场天线应用及设计方法研究

周锦文

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



RFID近场天线应用及设计方法研究

周锦文

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

射频识别(RFID)系统在交通、物流货运、工业生产、设备监控以及服务行业等诸多领域中已经得到了广泛的应用。对近场天线的应用及设计方法进行深入研究，结合天线近场耦合原理和微带天线谐振腔模型法，提出了一种近场天线的优化设计方法，还将天线应用到电信机柜管理系统中，利用HFSS对设计出的天线进行仿真，并加以测试验证。制作出的天线经过测试，在电信机柜环境下的回波损耗在频带918～926 MHz中小于-10 dB，并且谐振于922 MHz。单根近场天线的近场场强能够覆盖电信机柜管理平面内的500 mm×300 mm的区域，并据此确定出覆盖整个电信机柜平面的天线系统的设计方案。

射频识别系统；近场天线；微带天线；谐振腔模型法；优化设计方法

0 引 言

射频识别技术[1](RFID)是自动识别技术的一种，是无线电识别的简称，即通过无线电波进行识别。早在第二次世界大战期间就已经出现了射频识别技术。它是对雷达概念的继承与发展。RFID的理论基础于上世纪40年代建立，并在80年代开始有了较为成熟的商业应用[2]。同其他识别系统相比，射频识别系统避免了与触点连接易受干扰的缺点，从而越来越受到人们的重视。

一个较为典型的射频识别系统的基本结构组成[3]一般包括标签、读写器和应用系统。

对于配备无源标签的射频识别系统而言，系统工作主要包括3个过程：首先由读写器主机发送高频电流，通过读写器天线发射射频信号给在读写器读写范围内的无源标签提供能量，即激活标签；然后被激活的标签将标签内存储的信息发送给读写器；最后读写器再将标签返回的信息传送给应用系统，应用系统根据具体的应用背景，对接收数据进行控制、存储和管理。

一般情况下，射频识别系统中的标签由标签天线和标签芯片两部分组成。标签要想正常工作，首先要被激活，而标签被激活就必须满足3个条件：

(1) 标签的频率范围在射频识别系统读写器天线的工作频率范围之内；

(2) 标签必须处在射频识别系统读写器天线的读写范围，也就是系统作用距离之内；

(3) 标签必须获取足够大的能量才能被激活。

标签被激活之后，系统就要对标签进行“读”和“写”2个步骤。标签先将自己的信息通过标签天线发送给读写器，这是“读”的过程；之后读写器再将接收到的标签信息传送给应用系统，并对标签信息进行处理，这是“写”的过程。

射频识别系统主要工作在以下频率[2]：低频(LF：125～134 kHz)，高频(HF：13.56 MHz)，超高频(UHF：国际标准为860 MHz～960 MHz，在中国为902 MHz～928 MHz)和微波波段(2.4 GHz和5.8 GHz)。其中低频和高频射频识别系统主要采用磁感应耦合的方式进行工作，低频读写器天线的读写范围一般为几厘米至几十厘米，而高频读写器天线的读写距离一般小于10 cm，也就是说标签位于读写器天线的近场范围之内才能被识别，故它们都属于近距离RFID系统。

近距离RFID系统中的标签工作时不需要发射电磁波，这样就可以为系统的正常工作提供比较大的能量，甚至可以为耗电量大的微处理器供电[1]。近距离RFID系统应用于安全性需求较高但对作用距离要求不大的应用场合中，如电子门锁系统或非接触式计数用IC卡系统。

而微波波段的射频识别系统是采用电磁波传播耦合的方式进行工作的，其读写器天线的读写范围可达100 m，也就是说标签能被识别的区域已经位于读写器天线的远场区，故其属于远距离RFID系统。远距离RFID系统中读写器与标签之间数据交换所需要的能量是由读写器天线所发射出的电磁波来提供的，所以它可以具有很远的作用距离。然而，对于超高频频段的RFID系统，它的读写距离位于读写器天线的近场区和远场区的边界附近，既可以利用它进行标签和读写器之间的近距离信息交换，也可以进行标签和读写器之间的远距离信息交换。若利用超高频频段的RFID系统进行标签和读写器之间的近距离信息交换，将比低频和高频的RFID系统具有更高的数据通信速率和存储量，而且系统的安全性需求也能够得到满足。

1 近场耦合与标签灵敏度

近场耦合就是指标签天线位于读写器天线的感应近场区和辐射近场区内两天线进行的能量交换。在UHF近场RFID读写器天线和标签天线之间存在2种耦合方式：电耦合(电容耦合)、磁耦合(电感耦合)。

在电耦合的RFID系统中，标签感应到的能量主要存储于电场中，所以很容易产生损耗和受到高电导率物体的影响。然而在实际应用中，设计出的标签往往较读写器尺寸小得多[3]，读写器天线的辐射近场分布被标签天线所影响的程度很小，只要标签所在位置有很强的场强，就能够使标签耦合到足够的能量以激活自身开始工作。

而在磁耦合的RFID系统中，标签感应的能量则主要储存在磁场中，这样就很容易受到高磁导率物体的影响。此时的读写器天线和标签天线之间的耦合系数可以表示为[4]：

(1)

式中:f为天线的工作频率;Ntag为标签天线的匝数;Stag为标签天线的横截面积;B为由读写器天线在标签处产生的磁感应强度;α为天线错位损耗。

当标签位于读写器的读写范围内时，若想要标签被激活并正常工作，就必须在标签所在位置处有读写器天线辐射出的足够的电场强度或足够的能量。而这正是评价标签性能好坏的关键指标之一。标签的动作灵敏度[1]与标签的供电方式没有关系，它是指激活标签或者说有足够的能量使得标签电路正常工作所需要的最小电场强度E。这个最小的电场强度被称作标签的动作电场强度Emin。

现今采用先进的低功率半导体工艺，可以使标签芯片的功率[1]不超过5 μW。一般来说，工作在UHF频段内的集成式整流器的效率[1]为5%～25%。假如其效率为15%，要确保标签正常工作，就要求标签天线处的接收功率为33.3 μW，大约为-14.8 dBm。也就是说设计出的读写器天线需要在标签处产生大约-14.8 dBm的能量才可以激活标签。

由以上的RFID耦合原理可知，读写器近场天线的设计需要满足2个条件：

(1) 天线在近场指定区域内要有足够大的场强分布，才能有足够大的能量激活标签；

(2) 天线在近场指定区域内要有足够均匀的场强分布，这样标签才能在指定区域内的任何地方被激活。

2 单片矩形辐射元微带天线近场计算

近场天线的设计应该着眼于场，以场分布情况作为优化目标，通过改变天线的几何形状，使得优化目标最优。

根据边界条件，矩形谐振腔的内场可以表示成：

(2)

其中：

(3)

式中：m，n，p不同时为零，且分别表示沿着x，y，z轴方向的半驻波数。

(4)

(5)

(6)

(7)

由于y分量的磁流互相抵消，所以磁流只有x分量，那么矢量磁位也只有x分量。考虑到微带天线的接地板对于磁流的影响，运用镜像原理，相当于有4根大小相同的磁流源向上半空间辐射电磁波。要注意在进行积分运算的时候，积分路径的选择很容易出错。在式(7)中，积分路径是一个环路C，而并不是任意进行积分的。

为了求矩形微带天线的近场分布，必须建立近场场点坐标系。为了计算方便，将坐标原点O确定在矩形微带天线辐射元的几何中心处，x轴方向与矩形微带天线宽度a的方向平行，y轴方向与矩形微带天线的长度b的方向平行，矩形微带天线向z轴的正方向辐射。

设置一条近场扫描线，其实这条线就是近场场点的集合。根据研究场点位置的不同，可以有不同的近场扫描线，甚至是近场扫描面，根据需要任意定义。本文中需解决的问题就是要考查距离天线特定距离的某条线上的近场场强分布是否均匀，所以定义了近场扫描线。可见，本文中定义的近场扫描线是一条与y轴平行且在yoz面内，距离xoy面为d0的线段。

(8)

现在来确定积分路径。这里以矩形微带天线辐射元的边缘作为积分路径，方向定为从x轴到y轴的方向。得到矢量电位为：

Fx=

(9)

(10)

(11)

又因为此时只有磁流源，而没有电流源，所以：

(12)

因此可以得到单片矩形微带天线的近场电场强度分布为：

(13)

到这里完成了对于单片矩形微带天线的近场场强分布的理论计算。

3 矩形微带天线阵列的近场分布

将若干个天线按照某种方式安装排列在一起就构成了一个天线阵列。天线阵的辐射与每一个阵列单元的天线辐射息息相关。各个阵列单元分别向空间辐射，将它们的辐射迭加在一起即可得到这个天线阵的辐射。所以，天线阵列的辐射与每个天线单元的型式、相对位置和电流分布等有关联。选择并调整天线单元的型式、相对位置和电流分布，就能够得到工程上需要的辐射电磁场分布。

在天线辐射的远场区，天线阵列理论给出了阵因子的概念来描述阵列对于天线辐射方向图的贡献。但是在天线的辐射近场区，天线方向图还未形成，如何描述阵列对于天线近场场强分布的贡献至今还没有一个系统的专业理论。接下来本文将以矩形微带天线组成的直线阵列为例，来探讨微带天线线阵在天线辐射近场区对于场强分布的贡献。

在上一节中，本文以矩形微带天线的几何中心为坐标原点，分析了单片矩形微带天线的近场场强的分布。单片矩形微带天线在近场扫描线上的场强分布是一个关于坐标y的函数，也就是说，在近场扫描线上，不同的y值就对应着一个场强值。现在将矩形微带天线组成阵列，那么每一片辐射元在近场扫描线上的场强分布是可以求出来的。而矩形微带天线阵列在近场扫描线上某点的场强值E就是每一片矩形微带天线在这个点处辐射的场强的矢量叠加，即[6]：

(14)

那么矩形微带天线阵列在近场扫描线段上的场强分布问题就转化为求解每片矩形微带天线在近场扫描线段上的场强分布问题了。

本文在求解单片微带天线近场分布时均是将坐标原点定在矩形辐射元的几何中心处的，所以对于不同的微带天线阵列单元是在不同的求解坐标系下，最后再将这些阵列单元在近场扫描线段上的场强矢量叠加即可求解出微带天线阵列在近场扫描线段上的场强分布了。

因此，不同的微带天线阵列单元具有不同的求解区域，即它们各自的近场扫描线段在各自的坐标系下都不同，但是位于阵列坐标系下都是相同的。

当微带天线阵列单元数N为奇数时，天线元0在自身坐标系下，近场扫描线段的y坐标区间应为：

天线元1在自身坐标系下，近场扫描线段的y坐标区间为：

那么天线元n在自身坐标系下，近场扫描线段的y坐标区间应为：

当微带天线阵列单元数N为偶数时，天线元0在自身坐标系下，近场扫描线段的y坐标区间应为：

天线元1在自身坐标系下，近场扫描线段的y坐标区间为：

所以不论N的奇偶性，天线元n在自身坐标系下，近场扫描线段的y坐标区间都是一样型式的区间。

这样就得到了每一片矩形微带天线单元的求解区域，最后再将每一片矩形微带天线单元求解出的场强在近场扫描线段上进行矢量叠加，就得到了矩形微带天线阵列在近场扫描线段上的场强分布。

4 近场天线设计及仿真

在HFSS13中对二元微带天线阵列在自由空间中进行建模并仿真。此时天线的几何参数见表1。

同时设置了一个近场扫描线段，线段长度为60cm，距离天线中心距离为30cm，用于计算距离天线30cm处在天线轴向60cm距离内的近场场强分布。然后对各个几何参数进行调节，使其处于谐振状态，并与馈电端口匹配。此时得到了馈电端口的回波损耗S11和距天线30cm处的近场场强分布，如图1(a)和(b)所示。

表1 二元微带天线阵列几何参数

图1 二元微带天线阵列自由空间仿真结果

由图1(a)所示的回波损耗，可见天线有一个良好的谐振点，频率为f0=921MHz，且天线S11<-10dB，带宽大约为9MHz。图1(b)中的横坐标是归一化距离，其含义是将近场扫描线段的长度60cm进行归一化处理，横坐标从0到1的过程就是在近场扫描线段上60cm的范围。由图1(b)所示，天线在30cm处的近场场强分布比较均匀，最大和最小的场强值相差大约只有6dB。这一结果与之前仅对微带天线中的主模式分析的结果相差很小。

本文需要设计的是用于电信机柜管理系统中的近场天线，还必须观察此时天线在机柜模型中的性能指标。为此，本文将设计出的天线置于机柜模型中进行仿真。

如图2(a)所示，天线此时谐振于f0=922MHz这个频点，并且这个频点处的S11已经接近-28dB，此时天线的匹配状态是良好的。并且S11<-10dB的带宽大约有7MHz。这与在自由空间中的近场天线的回波损耗比较，谐振点偏移了1MHz，带宽变窄了2MHz，基本上设计出的近场天线受机柜环境的影响是很小的，而且在要求的频带内有很好的回波损耗，匹配状态良好。再由图2(b)，可见在机柜环境中，天线在机柜设备管理平面上分布有均值足够大的电场强度，并且在近场扫描线段的60cm范围内的场强变化小于5dB，说明了在机柜环境下的近场天线满足了近场场强分布的要求。

图2 机柜环境下二元微带天线阵列机柜环境下仿真结果

5 近场天线的测试

对于用于电信机柜管理系统的近场天线的测试主要包括2个方面：(1)近场天线在电信机柜环境下的回波损耗S11；(2)机柜环境下的近场天线在机柜管理平面上的近场场强分布。

加工出来的天线实物图如图3所示。

图3 天线实物图

待测天线在电信机柜环境下的回波损耗S11如图4所示。

图4 电信机柜环境下近场天线S11测试图

制作出的二元矩形微带天线阵列在机柜环境中的回波损耗在频带918～926MHz中<-10dB，并且谐振于922MHz。这与仿真结果相差不大，天线在电信机柜环境中的匹配状态良好。良好的匹配状态才能够将能量输出来，不至于反射回读写器中。RFID读写器天线的阻抗匹配可以保护读写器的正常工作，而且有利于标签在读写器天线的读写范围内获得足够的能量并被激活。此时天线带宽约为8MHz，不是很宽。这与天线中的点频阻抗变换和弯曲微带线不无关系，但是由于标签频带范围是920～925MHz，设计出的天线频带范围已经将其覆盖，可以保证机柜管理系统的正常工作。

由于一般的读写器可以提供30dBm的能量给读写器天线，而此时的射频信号发生器提供给近场天线的最大能量为20dBm，输入的能量偏小10dB，而且一般标签的动作灵敏度为-14.8dBm，所以为了方便起见，将此时的标签能被识别的能量下限相应地提高10dB，所以将-24.8dBm作为电信机柜管理系统中标签被激活的最小能量。这样一来，今后读写器天线与读写器相连接时，就可以在机柜管理平面上有最小能量为-14.8dBm的场强覆盖了。那么由图5所示，在距离读写器天线20cm，即x=20cm处，y方向的读取范围为[-50cm, 21cm]；在距离读写器天线30cm，即x=30cm处，y方向的读取范围为[-30cm, 18cm]；在距离读写器天线40cm，即x=40cm处，y方向的读取范围为[-20cm, 19cm]。

可见，在距离天线较近的近场区域，场强的均值更大，并且在y方向的读取范围更大。还可以看出，在电信机柜平面的中心线处，即x=30cm处的y方向读写范围大约为50cm。

图5 y方向近场辐射能量测试结果

6 结束语

本文根据应用于电信机柜管理的UHFRFID系统的读写器近场天线的具体性能需求，确定出采用串联馈电的微带天线阵列作为单根近场天线的基本天线型式。并且利用微带天线谐振腔模型法求出微带天线在自由空间中的辐射近场区的场强分布。利用HFSS仿真出在自由空间中以及在电信机柜环境中的单根近场天线的回波损耗和辐射近场区的场强分布。最后，本文用矢量网络分析仪测量出了电信机柜环境的近场天线的回波损耗。

[1]KLAUSF.射频识别技术[M].吴晓峰,陈大才译. 北京:电子工业出版社,2006.

[2] 贾朝锋.强金属环境中RFID近场天线的设计与研究[D].成都:电子科技大学,2012.

[3]COLEP,RANASINGHED.TheorytoanalyzesmallloopantennaforUHFRFIDapplication[C]//IEEEInternationalWorkshoponAntennaTechnologySmallAntennaandNovelMetamaterials.Newyork,2006:164-167.

[4]ChenS,ThomasV.OptimizationofinductiveRFIDtechnology[C]//IEEEInternationalSymposiumonElectronicsandEnvironment,NewYork,2001:82-87.

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[6]MAILLOUXRJ.相控阵天线手册[M].南京电子技术研究所译.北京:电子工业出版社,2007.

Research into The Application and Design Method of RFID Near Field Antenna

ZHOU Jin-wen

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Radio frequency identification(RFID)system has been applied to many domains:traffic,logistics freight,industrial production,equipment monitoring and service industry,etc..This paper deeply studies the application and design method of near field antenna,puts forward an optimization design method of near field antenna，and applies the antenna to telecom cabinet management system combining antenna near field coupling principle and microstrip antenna resonator model method,uses HFSS to simulate the designed antenna and performs test & validation.For the made antenna,the echo loss is less than -10 dB in the frequency band 918～926 MHz in telecom cabinet environment,resonates at 922 MHz.According to that near field strength of single near field antenna can cover 500 mm×300 mm in telecom cabinet management plane,the design scheme of antenna system covering total telecom cabinet plane is determined.

radio frequency identification system;near field antenna;microstrip antenna;resonantor model method;optimization design method

2015-07-07

TN82

A

CN32-1413(2016)04-0040-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.010