用于油气井RFID扶正器激活的阅读器共形天线设计

尹宜勇 朱文佳 曲从锋 王岩 王立琰 龚振 崔明轩 王国强

摘要 ：基于油气井井下环境的特点，为实现井下扶正器的远程控制，同时改正射频识别（RFID）阅读器天线电磁波强度衰减过大、辐射性能差等缺陷，设计一种共形于井下管道的RFID扶正器阅读器偶极子天线。依据天线设计的基本理论，利用天线弯折技术，将该天线结构设计为倒“U”型，实现与套管相共形；通过仿真扫频分析优化天线参数，分析天线主要结构对性能的影响。结果表明，设计的天线最终的中心频率为860 MHz，在该频率下天线输入端口反射系数为-21.05 dB，增益为2.2 dB，天线尺寸为11 mm×148.44 mm，天线的性能满足设计需求，可用于套管扶正器等井下工具的无线控制。

关键词 ：油气井； 扶正器； 射频识别； 共形偶极子天线； 增益

中图分类号 ：TE 925; TN 82    文献标志码 ：A

引用格式 ：尹宜勇，朱文佳，曲从锋，等.用于油气井RFID扶正器激活的阅读器共形天线设计［J］. 中国石油大学学报（自然科学版），2024，48（1）：150-158.

YIN Yiyong， ZHU Wenjia， QU Congfeng， et al. Design on  conformal antenna of reader for RFID centralizer activation in oil and gas wells［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2024，48（1）：150-158.

Design on  conformal antenna of reader for RFID centralizer

activation in oil and gas wells

YIN Yiyong 1， ZHU Wenjia 1， QU Congfeng 2， WANG Yan 1， WANG Liyan 1，  GONG Zhen 1，  CUI Mingxuan 1， WANG Guoqiang 1

（1.College of Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China;

2.CNPC Engineering Technology R&D Company Limited， Beijing 102206， China）

Abstract ：  Based on the characteristics of the downhole environment of oil and gas wells，  a dipole antenna was designed and

analyzed for radio frequency identification（RFID）conformal to the downhole pipeline to realize the remote control of downhole centralizer and to correct the defects such as excessive attenuation and poor radiation performance of the RFID reader antenna. Based on the fundamental theory of antenna design， the antenna structure was designed as the inverted "U" shape by using the antenna bending technique to achieve the conformal shape with the casing. The antenna parameters were optimized through the simulation frequency sweep analysis， and the influence of the main structure of antenna on the performance was analyzed. The results show that， the final central frequency of the antenna is 860 MHz， the antenna input port reflection coefficient  at this frequency is  -21.05  dB， the gain is 2.2 dB， and the antenna dimension is 11 mm×148.44 mm. The performance of the antenna meets the design requirements， and it can be applied to the wireless control of downhole tools such as casing centralizer.

Keywords ： oil and gas wells; centralizer; radio frequency identification; conformal dipole antenna; gain

由于油氣井钻采深度大、空间小、环境复杂，有线信息传递技术难以在井下实现，传统的无线信息传递技术  ［1-3］ 也常常由于受到井下特殊环境的限制，导致信息传递效率较低  ［4-5］ 。而RFID（radio frequency identification，射频识别）技术的兴起为油气井井下信息传递带来了新的途径。RFID技术成本低、尺寸小、频带宽  ［6］ 、识别距离远且受环境影响小  ［7］ ，已经被广泛应用于仓储、物流、通信  ［8］ 等物联网行业。许多研究人员开始尝试将RFID技术与钻完井技术相结合  ［9］ ，研发了深井随钻防喷器控制系统  ［10］ ，设计了井下压裂滑套控制系统  ［11-12］ ，应用效果突出。同时利用RFID技术的无线传输特性研制了井下智能分控开关  ［13］ 、井下无线通讯小球  ［14］ 等井下工具。然而在固井工程中的套管扶正技术方面，由于井下环境复杂、扶正器作业难以远程控制，常常出现套管偏心度较高、扶正效果不可预料或无法调整等问题   ［15］ 。而新兴的RFID技术恰好能够实现对套管扶正器的远程控制，优化扶正器性能  ［16］ 。但是，由于套管扶正器与井眼之间的环空形状狭长、空间有限，导致现有的RFID天线电磁波强度常常出现衰减过大、辐射距离短、增益不满足需求等问题，极大地限制了RFID技术在套管扶正器上的应用  ［17-18］ 。阅读器天线作为RFID系统的信号收发装置，面对井下复杂的环境，其性能优劣至关重要  ［19］ 。笔者首先通过理论计算和参数设计，设计符合套管扶正器工况的共形偶极子阅读器天线；其次通过仿真分析  ［20-21］ 对天线性能参数进行优化，获得阅读器天线参数，分析天线主要参数对天线频带、阻抗、增益的性能分析，并通过试验验证仿真分析的正确性。

1 共形偶极子天线设计

套管扶正器一般固定在套管外壁上，如图1所示。RFID技术应用于套管扶正器时，装有标签天线的通讯小球随钻井液流动并上返，当流至环空，经过扶正器时，阅读器天线接收其携带信号，并激活套管扶正器。针对阅读器天线信号辐射受到井下环形空间限制以及在钻井液中衰减大、传播距离短、信号捕获概率低的问题，设计了共形于套管扶正器的天线结构；通过理论计算，确定适合井下环境的RFID工作频率并优化，使其信号衰减更小；根据实际工况所需传输距离，计算天线增益，提高信号识别距离。

当前常见的天线形式有单极子天线  ［22］ 、偶极子天线  ［23］ 、倒F天线  ［24］ 、蝶形天线  ［25］ 等类型。偶极子天线被广泛用于远距离耦合和复杂环境中，且具有结构简单、便于设计的特点，本文中以偶极子天线为基础，设计阅读器天线。

1.1 共形偶极子参数需求

1.1.1 结构方案

如图2所示，将阅读器天线的外形设计为倒“U”型。若天线宽度超过套管扶正器最大直径，容易在套管扶正器下行时与井壁形成摩擦撞击，进而损坏天线，且会阻碍钻井液循环甚至堵塞井眼。因此天线宽度不应超过扶正最大外径与最小外径的差值。同时，为保证最佳的天线性能，依据偶极子天线设计理论，天线长度定为偶极子天线半波长。

由扶正器设计方案可知，套管扶正器的最大外径 D  1=200 mm，最小外径 D  2=141 mm，因此天线最大宽度 L  a =（D 1-D 2）/2=29.5  mm。

同时结合偶极子天线设计经验，偶极子天线单臂长介于1/4自由空间波长和1/4介质层波导波长之间  ［26］ ，故其天线单臂长 L可计算为

L= λ 0 4 （1+ε  r ）/2   . （1）

式中，λ 0为自由空间波长；ε  r为基板的相对介电常数。

在阅读器天线设计中选择将偶极子天线印刷在 FR-4介质基板（ ε  r=4.4）上，可得偶极子天线单臂长初始长度为53.1 mm。

1.1.2 频率设计

由于套管扶正器作业时，井下环空中钻井液介质极大限制了天线信号的传输特性，因此对于天线设计频率的确定十分关键。参考井下一般工况，取钻井液流速为1 m/s  ［27］ ，可将其转化为对传输距离的要求。

依据电磁波传输理论  ［28］ ，其传播系数为

γ=α+ j β. （2）

其中

α=ω  μ 0ε 2

1+ σ 2 ω 2ε 2  -1   .

式中，γ為传输系数；β为相位衰减常数；α为幅值衰减常数  ［29］ ，  dB/m； ω 为工作角频率，Hz； μ 为磁导率，H/m； ε 为介电常数，F/m； σ 为电导率，S/m。

结合井下工况，确定井下钻井液的介质参数  μ 0= 4 π×10  -7  H/m， ε = 81 36π ×10  -9  F/m

， σ =1.01 S/m，取 ω =1 GHz，将这些参数代入式（2），可得 α =155.48 dB/m。

由于天线信号衰减常数随着电磁波频率增加而增大，因此频率超过1 GHz的天线信号在井下工况进行有效传递，其信号衰减常数 α 必须大于155.48 dB/m。但是常见的微型天线芯片其发射功率及灵敏度基本无法达到150 dB以上，因此一般天线无法满足频率超过1 GHz在井下传输的条件，关皓纶等同样证明了这一点  ［11］ 。此外，由于天线频率降低会使得天线尺寸增加，该文中天线宽度最大为29.5 mm，对于天线尺寸极为苛刻。

综上，在保证天线通讯传输性能的前提下天线尺寸要足够小，本文中选择天线的设计频率为应用广泛的860 MHz。

1.1.3 目标增益

依据阅读器天线的工况，钻井液流速为1 m/s，将天线芯片设为200 ms发送一次信号，则阅读器天线在井下最低识别距离要求为0.2 m，因此该距离也是阅读器天线的最小传输距离。

依据天线理论，传输距离   ［30］ 为

r= λ 4 π    P  t G  t G  T τη P   th     . （3）

其中

τ=1-Γ 2， η=1/α.

式中，r为传播距离， m ；λ为工作波长， m ；P  t为读写器的发射功率，dBm； G  t为读写器天线增益，dBi ；G  T为标签天线增益，dBi； P   th 为标签天线能够正常工作的最小功率阈值，通常取-8～-20 dBm； τ为标签天线到标签芯片之间的功率传输系数；η为钻井液中信号衰减率；Γ为标签天线到标签芯片的电压反射系数。

对公式（3）进行变形可得阅读器的天线增益计算公式为

G  t= 16π 2 r 2P   th   λ 2P  t G  t τη  .  （4）

依据一般设计的阅读器天线，取P  t=20 dBm， P   th =-14 dBm， Γ=0.32，G  T=2 dBi（1.58倍）， r =0.2 m， λ =0.35 m。代入式（4），可得 G  t=1.94 dBi。

依据实际工况阅读器天线增益要求为至少1.94 dBi。

1.1.4 阻抗匹配

阻抗匹配决定天线功率传输效率。设计的阅读器天线采用固定匹配方式，通过调整阻抗至50 Ω标准阻抗，实现与阅读器端口的匹配。

天线输入阻抗取决于天线结构、工作频率和周围环境的影响，难以精准匹配。因此为较好地实现阻抗匹配，如图3所示，利用天线弯折技术和对偶极子天线辐射臂弯折形式，结合电感短接线构成的电感馈电环，改变了天线结构，利用天线参数变化进行电抗匹配。

由图3可以看出，在主要辐射方向上 （A→E）电流方向一致，由于弯折导致竖直方向天线中流过的电流方向（A→B，C→D）相反，由电流所激发的电场也将会互相抵消，从而对电线辐射贡献很小，影响天线辐射特性。依据弯曲偶极子的辐射电阻经验公式  ［25］ ：

R   rad  ≈  L   proj   L   half     2R   half  ≈  2L   proj   λ   2×65. （5）

式中，L   proj 为弯曲偶极子的有效辐射长度，m； L   half 为传统偶极子天线长度，m； R   half 为传统偶极子天线的辐射电阻，Ω； λ为波长， m。

由式（5）可以看出，影响辐射电阻的参数主要为弯曲偶极子的有效辐射长度，设计天线时应该尽量增大辐射臂的有效辐射长度，减小相互抵消的部分，进而提高天线增益，促进电阻匹配。

综上，介质层厚度选择1.6 mm，计算共形偶极子阅读器天线设计的预期指标为：天线宽度小于等于29.5 mm，工作频率860 MHz， S   11 有效带宽大于等于3.5 MHz，增益大于等于1.94 dB，辐射方向为全向，输入阻抗（50±10j）Ω。

1.2 共形偶极子天线结构设计

结合了弯折技术形成的弯折偶极子天线，不仅在阻抗匹配方面更加便利，而且通过调整弯折次数、弯折角度对天线结构进行优化，可以进一步实行天线小型化。

设计的频率为860 MHz共形偶极子阅读器天线（图4）在结构设计上着重使用了弯折技术，对天线进行折弯，使其结构契合套管形状，为倒“U”形，同时减小了天线尺寸，使其满足了套管扶正器工作空间。此天線由辐射体、馈电端、介质基板组成，采用集总端口馈电方式进行天线供电。

天线的总体结构由对称弯折的偶极子和电感匹配馈电环组成。为使天线能够良好地布置在环形基板上，并具备良好的辐射性能。对偶极子进行弯折与环形尺寸相适配；对电感馈电环路面积即环路的线圈长度进行调节，从而改变天线的电抗和天线谐振的中心频率；通过蝶形偶极子辐射臂激发环形结构部分，能够提供较高的带宽、较强的电流分布，使天线在远场环境中具有一定的增益，增强远场区特性。为了保证电流的稳定性和良好的传输性能，将馈电点边长 K与天线辐射体的宽度保持一致。

根据初始设计尺寸及共形需求，共形偶极子天线的初始设计尺寸为：L 1= 5 mm， L  2=5 mm， L  3=4 mm， L  4=1.4 mm， L 5 =10 mm， L  6=18 mm， L 7 =18 mm， L 8 =0.7 mm， R 1 =100 mm， R 2 =89 mm， W =1 mm， K =1 mm， a =7 mm， θ 1 =18°， θ 2 =20°， θ 3 =150°， θ 4 =60°。

2 天线性能

在中国超高频RFID标准（860 MHz）要求下，共形偶极子天线总体长度应约在125 mm。天线性能主要受弯折部分及贴片大小影响，因此使用三维电磁仿真软件HFSS 15.0，通过参数扫频优化方法对弯折部分、贴片结构相关尺寸进行仿真分析，实现性能优化。

2.1 弯折臂扫频分析

设计的共形偶极子天线为电感耦合类型，使用电感匹配馈电环也可进行阻抗匹配，其输入阻抗值与线圈本身自感有关，而且自感与电感线圈的长度相关，因此通过改变电感线圈长度调节自感，使其输入阻抗达到最佳。对影响电感线圈长度的参数 L 1、L 2、L 8以及弯折部位L 3、L 4进行研究，获得天线各参数对其天线输入端口反射系数S  11 的影响。

图5为弯折点间距L 1对回波损耗性能和天线阻抗值的影响。从图5中可以看出，随着L 1远离馈电点，中心频率先逐渐靠近860  MHz频率，又逐渐偏离，在 L 1 为6 mm时，最为接近；同时天线输入阻抗实部和虚部均持续增加，当 L 1 为6 mm时，阻抗匹配为最佳。因此， L 1 最优可取6 mm。

图6为参数 L 2变化对天线的回波损耗性能和阻抗的影响。从图6中可以看出，L 2为 5 mm时，中心频率位于860 MHz附近； L 2 为6 mm时，最接近860 MHz， L 2 为7 mm时，中心频率偏移明显，且 S  11 明显减小；随着L 2增加，阻抗呈现先增加后减小的波动变化，L 2 为6 mm时，天线阻抗匹配性能最佳。综合考虑， L 2 取6 mm。

图7为弯折线宽度对天线的回波损耗性能和阻抗影响。从图7中可以看出，随着 L 3增加，偶极子天线中心频率逐渐偏移，回波损耗相对一致，L 3为 5 mm时， S  11  曲线中心频率最佳。从图7（b）中可以看出，阻抗整体呈增长状态，但虚部电抗分量相较实部增加更加明显，  L 3 为5 mm时，阻抗虚部几乎为零。所以 L 3 取5 mm为最佳。

图8为弯折线高度 L 4对天线的回波损耗性能和阻抗的影响。由图8可以看出，随着L 4递增，中心频率逐渐减小，S  11 保持稳定，且阻抗整体比较稳定，虚部略有增长，影响较小，在L 4为2  mm时，中心频率接近860 MHz，因此 L 4 最优为2 mm。

共形偶极子天线的 S  11 和和阻抗随参数L 8变化的仿真曲线如图9所示。从图9中可以看出，随着L 8递增，中心频率逐渐增加，幅度较小，回波损耗小幅增加，在L 8为1  mm时，接近860 MHz中心频率；随着 L 8增加，天线阻抗保持基本稳定，对天线阻抗影响不明显。综合来看，L 8取1  mm。

综合来看，参数 L 1、L 3对天线回波损耗以及阻抗均有明显影响，且在一定范围内较规律，L 2对天线回波损耗以及阻抗的影响不突出，L 4及L 8对天线回波损耗影响较小，尤其对于实部几乎无影响，可利用该值进行天线S  11 性能微调。因此，通过综合调节L 1、L 3可以对偶极子标签天线性能参数进行主要调节，同时调节S  11 曲线及天线阻抗，再结合L 4、L 8可以对天线S  11 曲线进行一定范围的微调，使天线性能最佳。

2.2 贴片扫频分析

图10为三角贴片边长a对天线S  11 和阻抗的影响。从图10中可以看出，随着边长增加，天线谐振中心频率逐渐降低，变化较为明显；阻抗整体呈增长状态，但虚部电抗分量相较实部增加更加明显。在三角贴片边长为 6 mm时，中心频率最接近860 MHz，阻抗虚部基本为0，因此三角贴片边长应当取6 mm。

图11为三角贴片与弯折臂夹角 θ 3的变化对S  11 和阻抗的影响。从图11中可以看出，随着角度增加，天线谐振中心频率呈不规律变化，变化较为明显，在θ 3为 150 °时，中心频率接近860 MHz；天线输出阻抗为（43.1+0.52j）Ω，整体基本保持稳 定。因此将θ 3取为 150 °较合理。

综合来看，贴片边长影响贴片大小，而贴片大小会对天线的 S  11 和阻抗产生影响；对于贴片与弯折臂的夹角，从仿真结果来看，主要会对S  11 产生一定影响，但几乎对阻抗无影响。

综上可得，天线最终优选参数为：L 1=6  mm，  L 2 = 6 mm， L 3 =5 mm， L 4 =2 mm， L 5 =10 mm， L 6 =18 mm， L 7 =18 mm， L 8 =1 mm， R 1 =100 mm， R 2 =89 mm， W =1 mm， K =1 mm， a =6 mm， θ 1 =18°， θ 2 =20°， θ 3 =150°， θ 4 =60°。

3 试验验证

3.1 试验结果

该文所设计的RFID阅读器共形偶极子天线加工实物以及测试环境如图12、13所示。天线为铜质贴片，印制在尺寸为11 mm×148.44 mm的FR-4基板上，由50 Ω SMA转接线实现馈电。测试时通过测试电缆将天线实物与安捷伦矢量网络分析仪（N5224A）相连接，使用该仪器对天线进行 S   11 参数测试试验，进而获取天线的反射特性曲线。

如图14所示，将天线的回波损耗仿真结果与试验结果进行对比。可以看出，在试验测试下，天线输入端口反射系数为-10 dB匹配的带宽为836.6～874.2 MHz，相对带宽为4.3%，中心频率为860 MHz，驻波比小于2.5；而在仿真结果下，天线输入端口反射系  数为-10 dB，匹配带宽为832.1～903.3 MHz，相对带宽4.8%，中心频率为860 MHz。对比试验测试与仿真分析，其中心频率及回波损耗（ S   11 ）基本一致，仿真和实测结果吻合较好，验证了天线关键参数优化的正确性。

如图15所示，本文中设计的天线最终增益为2.2 dBi，远远满足设计要求1.94 dBi，具有较好的增益性能。且本文中设计的偶极子共形天线为全向性天线，应用于井下环境中具有双边识别性，可进一步增加识别距离，以满足使用要求。

3.2 误差分析

试验测试的天线带宽略低于仿真，造成该结果的主要原因可能有两点：

（1）从偶极子天线工作原理分析，出现该现象的原因可能是使用了同轴线馈电方式，通过该馈电方式，使得共形偶极子天线的馈电端口为不平衡匹配，原本应该传输至馈电端口的能量传输不完全，影响了端口输出结果，进而使得测试结果出现误差。

（2）可能是因為材质或加工与焊接造成的误差，由于实际使用的材质与仿真软件中的相比，有杂质影响，并且天线辐射体尺寸较小，加工存在偏差或者焊接工艺导致传输性能不佳，均会对测试结果造成一定的影响。

4 结 论

（1）设计的应用于井下套管扶正器的共形偶极子阅读器天线的中心频率为860 MHz，设计的天线共形弯折结构呈倒“U”形，与套管相共形，使得天线结构更加适用于井下工况，有利于性能的发挥，具有良好的应用性。

（2）将弯折技术与电感馈电方式相结合，设计了天线弯折结构和电感馈电环路，在缩小天线结构空间的同时，使得天线阻抗匹配更为容易，节省了匹配电路的空间。

（3）天线带宽为836.6～874.2 MHz，在中心频率下 S   11 达到了-21.05 dB，天线增益为2.2 dBi，天线输出阻抗为（43.1+0.52j） Ω，阻抗匹配较好；设计的共形偶极子天线满足了参数需求，达到了井下电磁信号传输距离，可应用于井下套管扶正器等工具。

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（编辑 沈玉英）