密集环境下无源超高频系统RFID标签识别性能研究

燕怒 李达 韩冬桂 刘芳 肖梦帆 彭亚文

关键词： 射频识别; 无源标签; 密集环境; 互耦效应; 雷达散射截面; 最大识别距离

中图分类号： TN975?34                     文献标识码： A                           文章编号： 1004?373X（2019）14?0018?04

Research on RFID tag recognition performance of passive

UHF system in dense environment

YAN Nu， LI Da， HAN Donggui， LIU Fang， XIAO Mengfang， PENG Yawen

（College of Mechanical Engineering & Automation， Wuhan Textile University， Wuhan 430000， China）

Abstract： The mutual coupling effect between tags in dense environment has an important influence on the tag recognition performance. Taking the passive double?tag of the UHF radio frequency recognition system in dense environment as the research object， the input impedance of the mutual coupling model under different tag spacing and the monostatic radar cross section （RCS） of the tag antenna under different load conditions are analyzed on the basis of the antenna scattering theory and by using the high?frequency electromagnetic field simulation software HFSS. And then the maximum recognition distance of the tag antenna in dense environment is obtained. The calculation result was verified in the experiment. The research results can contribute to optimization of the tag antenna design and improvement of the tag recognition performance in dense environment.

Keywords： radio frequency recognition; passive tag; dense environment; mutual coupling effect; radar cross section; maximum recognition distance

0  引  言

超高频射频识别是一种利用电磁场反向散射进行标签识别的无线传输技术。它能实现快速无接触识别，准确读取多枚标签信息，同时具备较高的数据传输效率和数据安全性，目前在物流管理、生产管理、智慧交通以及无人超市等领域得到了广泛应用。但是，当标签近距离放置且小于工作波长时，标签间的互耦效应成为影响射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）系统识别性能的重要因素[1]，致使RFID系统在文档管理、图书管理、珠宝管理以及烟酒管理等领域的应用受到限制[2]。

目前已有不少文献对于标签天线的识别性能进行了分析和评估[3]，但是性能评估结果会随着阅读器灵敏度的改变而发生变化。Pears对影响RFID系统识别范围的标签参数、传播环境以及RFID阅读器参数进行了研究，着重分析了阅读器灵敏度对于系统识别范围的影响[4]。Nikitin推导出标签天线的RCS（Radar Cross Section）理论计算公式，并通过网络分析仪以及微波暗室对标签天线RCS计算结果进行验证[5]。Thomaskutty通过电磁场仿真软件CST仿真模拟单个标签天线不同负载下的RCS，并计算标签天线的最大识别距离[6]，识别距离是衡量RFID标签识别性能最重要的参数之一[7]。目前为止标签天线的性能研究均假设其处于理想条件下，并以单个标签为研究目标。但是，工程实践中标签的布放越来越密集，密集环境下标签天线性能研究逐渐成为亟待解决的课题。彭章友等人采用对称振子天线阵列理论研究了密集环境下双标签天线的增益方向性以及辐射效率[8]，并发现标簽天线在互耦情况下天线阻抗向低频偏移[9]。佐磊等人分析了互耦效应对于系统链路的影响，并通过实验证明密集标签会导致阅读器天线的最小发射功率发生变化[10]。

针对密集环境下的标签性能分析较少的现状，本文重点研究密集布放环境下，标签不同负载模式下雷达散射截面，并以此为基础对密集环境下标签的识别性能进行分析。研究成果有利于提高密集环境下无源射频识别系统的标签性能，同时有助于优化标签设计。

1  无源UHF RFID系统模型

RFID系统链路由阅读器天线发射能量激活标签并通过连续波信号给予标签指令的前向链路，以及标签通过改变自身负载将接收信号进行调制并经过标签天线将响应信号反馈至阅读器的反向链路。无源射频识别系统链路模型以及无源标签等效电路如图1所示。

2  标签阻抗

选用典型双标签为例研究密集环境下标签天线的互耦效应，并通过二端口网络对标签天线阻抗进行分析。两枚标签相互靠近时，由于电磁耦合产生互阻抗并引起阻抗改变。两枚标签的芯片分别连在如图2所示的二端口网络的两个端口上。根据二端口网络模型分析，可将目标标签阻抗网络与另一标签芯片均视为目标标签芯片外阻抗。同时目标标签与干扰标签完全对称，因此目标标签的外部输入阻抗为：

[ZA1d=Zin=Z11-Z12Z21Z22+ZC=Z11-Z212Z11+ZC] （1）

对于多枚标签密集布放的情况，同理可得到第i枚标签的输入阻抗，如下：

[ZAid=Zii-j=1，j≠iNZ2ijZii+ZC] （2）

3  标签雷达散射截面

标签通过改变阻抗实现雷达散射截面的调节，形成不同的反射信号，进而将调制后的信号传送给阅读器，雷达散射截面的改变将直接影响反向链路中阅读器的接收功率。无源标签通过自身天线实现对于阅读器信号的接收与发送，因此根据天线散射理论，标签天线的雷达截面属于单站雷达截面：

[σ=σs-（1-ΓA）σaexp（φr）2] （3）

式中：[ΓA] 是标签负载反射系数;[σs]为结构模式雷达散射截面; [σa]为天线模式雷达散射截面;[φr]为两种雷达散射截面相位差。根据Donno等人的研究[11]，结构模式雷达散射截面与天线负载无关，天线材料、表面结构以及天线大小影响天线结构模式RCS;对于同一天线，不同负载情况下天线雷达散射截面不同。

无源RFID标签通过改变自身负载阻抗实现雷达散射截面的改变，进而实现对于连续波信号的调制;同时密集环境下引起的标签间电磁互耦也会改变标签阻抗，标签的性能也会受到负载阻抗值变化的影响。因此，针对天线不同负载下的雷达散射截面进行分析十分必要。

1） 短路负载。电阻[RL=0]，并且负载感抗[XL=-XA]。反射系统[Γa=（Z*a-ZL）（Za+ZL）]的值为1，由式（1）可知，无天线模式散射发生。由此可得天线模式RCS，结构模式RCS和总散射RCS。

[σa?sc=0，σs?sc=（4π）3R4（λGt）2P3?scP1，σsc=σs?sc] （4）

式中[sc]用来标识该负载的情况。

2） 开路。[ZL=∞]，反射系数[Γa=-1]，天线的结构模式与天线模式均有散射产生。但天线负载的改变仅影响天线模式雷达散射截面，结构模式RCS与短路负载情况相同。因此，开路负载下雷达散射截面如式（5）～式（7）所示，下标load用oc来标识。

3） 负载匹配。[ZL=Z*A]，反射系数[Γa=0]。天线的结构模式与天线模式均有散射产生。负载匹配下雷达截面如式（4）～式（6）所示，下标load用m来标识。

4） 其他负载。反射系数[Γa]介于（-1，1）之间。天线负载处于短路和开路之间。此时雷达散射截面如式（5）～式（7）所示，下标load用oth进行标识。

[σs?load=（4π）3R4（λGt）2P3?scP1] （5）

[σa?load=（4π）3R4（λGt）2P3?scP1-P3?loadP12] （6）

[σload=（4π）3R4（λGt）2P3?loadP1] （7）

式中：[P1]为阅读器发射功率;[P3]为标签天线反向散射功率。天线短路情况下雷达散射截面最大，当标签天线阻抗与芯片阻抗实现共轭匹配时，标签与阅读器之间传输功率最大。通过调节标签的芯片阻抗在短路与共轭匹配之间变化，以实现标签与阅读器间数据的交换。

4  识别距离

标签识别性能是标签最重要的性能参数之一。标签识别距离为标签从阅读器获取激活功率的最大距离与阅读器接收标签反向散射信号的最大距离两者之间的较小者。通过Friis传输方程计算自由空间中标签天线接收功率[P2]：

[P2=P1G1G2λ2（4πR）2] （8）

式中：[G1]为阅读器天线增益;[G2]为标签天线增益;[R]是阅读器与标签间距离。假设标签芯片工作阈值是[Ptag?chip]，则识别距离可以表示为：

[R=λ4πP1G1G2τPtag?chip] （9）

式中，[τ]为功率传输系数，它与标签天线的阻抗情况有关，当[τ=1]，标签芯片与负载完全匹配时，标签识别距离最大。在标签天线将调制信号传递给阅读器的反向链路中，标签天线不同负载下RCS如式（7）所示，则识别距离为：

[R=λG14πσ4πP1P3] （10）

由式（10）可得，对于无源射频识别标签，雷达散射截面越大，则标签识别距离越远。当标签天线工作谐振频率等于阅读器天线发射频率，且阅读器天线极化方向与标签天线极化方向一致，可得到最大标签天线RCS。同时，标签的雷达散射截面的四次方根与标签的识别距离成正比。

5  标签天线建模与仿真

5.1  标签阻抗

选用两种典型的標签Alien?9662，Alien?9654进行比较，两种标签均采用Higgs?3芯片，但两种标签具有不同的标签参数。Alien?9662为弯曲偶极子天线，馈电环位于天线中部，Alien?9654尺寸为93 mm×19 mm，结构简单。按照标签天线实际形状在HFSS中建立互耦模型如图3所示，2枚相同的标签仅Z坐标不同。中心频率920 MHz，两种标签在5 mm，15 mm，25 mm间距下输入阻抗如表1所示。

5.2  标签雷达散射截面

通过HFSS获取两种标签在不同间距不同负载下的RCS，进而分析标签天线的识别性能。比较图4a）中Alien?9662标签在间距5 mm时，短路和匹配负载的RCS差值先增加，至940 MHz时，到达最大值0.068 163 m2后逐渐减小。可得到标签的识别性能在860～940 MHz时标签识别性能增强，940 MHz时标签识别性能最佳，940～960 MHz时标签识别性能减弱。随着标签工作频率增加，RCS的差值增大，可知间距为5～25 mm时标签识别性能随工作频率的增加不断增强。Alien?9654标签在不同间距下短路和匹配两种负载的RCS差值很小，可知该标签在不同间距的密集环境下识别性能差异小。但是Alien?9654由于尺寸限制，单个存在时匹配阻抗较差，识别性能相对Alien?9662较弱。由此可知，标签天线的互耦效应导致标签天线识别性能发生改变。

6  实验测试

通过SMA型步进式同轴衰减器调节Impinj R2000阅读器发射至阅读器天线的功率大小，在微波暗箱中测试目标标签的读取距离。通过相关换算，将测试所得读取距离转换成目标测试功率下标签读取距离。

7  最大识别距离的计算与分析

通过分析式（9）可知，[P1G1]最大，[P3]最小，此时天线与负载完全匹配，标签的读取距离最大。其中 [P1G1=PEIRP]，[PEIRP]在通信协议ISO/IEC 18000?6中定义为有效全辐射功率，最大值为4 W。Alien?9662和Alien?9654都采用Higgs?3芯片，激活功率大小一般为-8～-20 dBm。选取Higgs?3芯片的[ptag?chip]=-13 dBm，由此可以计算出标签的最大识别距离。相比第6节实验测试结果存在一定的误差，但标签的计算最大识别距离与实测最大识别距离都随着标签间距的增加而不断变大，同时两者的差值均处于±5%，处于合理范围。仿真结果基于天线理想工作条件，实际测试中存在的电磁干扰以及阅读器与天线间连接电缆的功率损耗均会对上述测试结果产生影响。

基于上述分析，考虑到仿真计算的理想化和实际测量过程中各种不可避免的干扰损耗，可以认定差值处于合理范围内，仿真结果与实测结果吻合较好。

8  结  语

本文通过雷达散射截面研究了密集环境下无源超高频标签的识别性能。高频电磁场仿真软件HFSS建立Alien?9662和Alien?9654两种标签的互耦模型，并得到不同负载条件下标签天线不同间距的输入阻抗和标签天线单站RCS。通过理论分析与仿真计算，分析得出密集环境下标签天线的最大识别距离，并通过实验对计算结果进行验证，两者基本吻合。

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