密集環境下無源超高頻系統RFID標簽識別性能研究

燕怒 李達 韓冬桂 劉芳 肖夢帆 彭亞文

關鍵詞： 射頻識別; 無源標簽; 密集環境; 互耦效應; 雷達散射截面; 最大識別距離

中圖分類號： TN975?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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

超高頻射頻識別是一種利用電磁場反向散射進行標簽識別的無線傳輸技術。它能實現快速無接觸識別，準確讀取多枚標簽信息，同時具備較高的數據傳輸效率和數據安全性，目前在物流管理、生產管理、智慧交通以及無人超市等領域得到了廣泛應用。但是，當標簽近距離放置且小于工作波長時，標簽間的互耦效應成為影響射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）系統識別性能的重要因素[1]，致使RFID系統在文檔管理、圖書管理、珠寶管理以及煙酒管理等領域的應用受到限制[2]。

目前已有不少文獻對于標簽天線的識別性能進行了分析和評估[3]，但是性能評估結果會隨著閱讀器靈敏度的改變而發生變化。Pears對影響RFID系統識別范圍的標簽參數、傳播環境以及RFID閱讀器參數進行了研究，著重分析了閱讀器靈敏度對于系統識別范圍的影響[4]。Nikitin推導出標簽天線的RCS（Radar Cross Section）理論計算公式，并通過網絡分析儀以及微波暗室對標簽天線RCS計算結果進行驗證[5]。Thomaskutty通過電磁場仿真軟件CST仿真模擬單個標簽天線不同負載下的RCS，并計算標簽天線的最大識別距離[6]，識別距離是衡量RFID標簽識別性能最重要的參數之一[7]。目前為止標簽天線的性能研究均假設其處于理想條件下，并以單個標簽為研究目標。但是，工程實踐中標簽的布放越來越密集，密集環境下標簽天線性能研究逐漸成為亟待解決的課題。彭章友等人采用對稱振子天線陣列理論研究了密集環境下雙標簽天線的增益方向性以及輻射效率[8]，并發現標簽天線在互耦情況下天線阻抗向低頻偏移[9]。佐磊等人分析了互耦效應對于系統鏈路的影響，并通過實驗證明密集標簽會導致閱讀器天線的最小發射功率發生變化[10]。

針對密集環境下的標簽性能分析較少的現狀，本文重點研究密集布放環境下，標簽不同負載模式下雷達散射截面，并以此為基礎對密集環境下標簽的識別性能進行分析。研究成果有利于提高密集環境下無源射頻識別系統的標簽性能，同時有助于優化標簽設計。

1 ?無源UHF RFID系統模型

RFID系統鏈路由閱讀器天線發射能量激活標簽并通過連續波信號給予標簽指令的前向鏈路，以及標簽通過改變自身負載將接收信號進行調制并經過標簽天線將響應信號反饋至閱讀器的反向鏈路。無源射頻識別系統鏈路模型以及無源標簽等效電路如圖1所示。

2 ?標簽阻抗

選用典型雙標簽為例研究密集環境下標簽天線的互耦效應，并通過二端口網絡對標簽天線阻抗進行分析。兩枚標簽相互靠近時，由于電磁耦合產生互阻抗并引起阻抗改變。兩枚標簽的芯片分別連在如圖2所示的二端口網絡的兩個端口上。根據二端口網絡模型分析，可將目標標簽阻抗網絡與另一標簽芯片均視為目標標簽芯片外阻抗。同時目標標簽與干擾標簽完全對稱，因此目標標簽的外部輸入阻抗為：

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

對于多枚標簽密集布放的情況，同理可得到第i枚標簽的輸入阻抗，如下：

[ZAid=Zii-j=1，j≠iNZ2ijZii+ZC] （2）

3 ?標簽雷達散射截面

標簽通過改變阻抗實現雷達散射截面的調節，形成不同的反射信號，進而將調制后的信號傳送給閱讀器，雷達散射截面的改變將直接影響反向鏈路中閱讀器的接收功率。無源標簽通過自身天線實現對于閱讀器信號的接收與發送，因此根據天線散射理論，標簽天線的雷達截面屬于單站雷達截面：

[σ=σs-（1-ΓA）σaexp（φr）2] （3）

式中：[ΓA] 是標簽負載反射系數;[σs]為結構模式雷達散射截面; [σa]為天線模式雷達散射截面;[φr]為兩種雷達散射截面相位差。根據Donno等人的研究[11]，結構模式雷達散射截面與天線負載無關，天線材料、表面結構以及天線大小影響天線結構模式RCS;對于同一天線，不同負載情況下天線雷達散射截面不同。

無源RFID標簽通過改變自身負載阻抗實現雷達散射截面的改變，進而實現對于連續波信號的調制;同時密集環境下引起的標簽間電磁互耦也會改變標簽阻抗，標簽的性能也會受到負載阻抗值變化的影響。因此，針對天線不同負載下的雷達散射截面進行分析十分必要。

1） 短路負載。電阻[RL=0]，并且負載感抗[XL=-XA]。反射系統[Γa=（Z*a-ZL）（Za+ZL）]的值為1，由式（1）可知，無天線模式散射發生。由此可得天線模式RCS，結構模式RCS和總散射RCS。

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

式中[sc]用來標識該負載的情況。

2） 開路。[ZL=∞]，反射系數[Γa=-1]，天線的結構模式與天線模式均有散射產生。但天線負載的改變僅影響天線模式雷達散射截面，結構模式RCS與短路負載情況相同。因此，開路負載下雷達散射截面如式（5）～式（7）所示，下標load用oc來標識。

3） 負載匹配。[ZL=Z*A]，反射系數[Γa=0]。天線的結構模式與天線模式均有散射產生。負載匹配下雷達截面如式（4）～式（6）所示，下標load用m來標識。

4） 其他負載。反射系數[Γa]介于（-1，1）之間。天線負載處于短路和開路之間。此時雷達散射截面如式（5）～式（7）所示，下標load用oth進行標識。

[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]為閱讀器發射功率;[P3]為標簽天線反向散射功率。天線短路情況下雷達散射截面最大，當標簽天線阻抗與芯片阻抗實現共軛匹配時，標簽與閱讀器之間傳輸功率最大。通過調節標簽的芯片阻抗在短路與共軛匹配之間變化，以實現標簽與閱讀器間數據的交換。

4 ?識別距離

標簽識別性能是標簽最重要的性能參數之一。標簽識別距離為標簽從閱讀器獲取激活功率的最大距離與閱讀器接收標簽反向散射信號的最大距離兩者之間的較小者。通過Friis傳輸方程計算自由空間中標簽天線接收功率[P2]：

[P2=P1G1G2λ2（4πR）2] （8）

式中：[G1]為閱讀器天線增益;[G2]為標簽天線增益;[R]是閱讀器與標簽間距離。假設標簽芯片工作閾值是[Ptag?chip]，則識別距離可以表示為：

[R=λ4πP1G1G2τPtag?chip] （9）

式中，[τ]為功率傳輸系數，它與標簽天線的阻抗情況有關，當[τ=1]，標簽芯片與負載完全匹配時，標簽識別距離最大。在標簽天線將調制信號傳遞給閱讀器的反向鏈路中，標簽天線不同負載下RCS如式（7）所示，則識別距離為：

[R=λG14πσ4πP1P3] （10）

由式（10）可得，對于無源射頻識別標簽，雷達散射截面越大，則標簽識別距離越遠。當標簽天線工作諧振頻率等于閱讀器天線發射頻率，且閱讀器天線極化方向與標簽天線極化方向一致，可得到最大標簽天線RCS。同時，標簽的雷達散射截面的四次方根與標簽的識別距離成正比。

5 ?標簽天線建模與仿真

5.1 ?標簽阻抗

選用兩種典型的標簽Alien?9662，Alien?9654進行比較，兩種標簽均采用Higgs?3芯片，但兩種標簽具有不同的標簽參數。Alien?9662為彎曲偶極子天線，饋電環位于天線中部，Alien?9654尺寸為93 mm×19 mm，結構簡單。按照標簽天線實際形狀在HFSS中建立互耦模型如圖3所示，2枚相同的標簽僅Z坐標不同。中心頻率920 MHz，兩種標簽在5 mm，15 mm，25 mm間距下輸入阻抗如表1所示。

5.2 ?標簽雷達散射截面

通過HFSS獲取兩種標簽在不同間距不同負載下的RCS，進而分析標簽天線的識別性能。比較圖4a）中Alien?9662標簽在間距5 mm時，短路和匹配負載的RCS差值先增加，至940 MHz時，到達最大值0.068 163 m2后逐漸減小?？傻玫綐撕灥淖R別性能在860～940 MHz時標簽識別性能增強，940 MHz時標簽識別性能最佳，940～960 MHz時標簽識別性能減弱。隨著標簽工作頻率增加，RCS的差值增大，可知間距為5～25 mm時標簽識別性能隨工作頻率的增加不斷增強。Alien?9654標簽在不同間距下短路和匹配兩種負載的RCS差值很小，可知該標簽在不同間距的密集環境下識別性能差異小。但是Alien?9654由于尺寸限制，單個存在時匹配阻抗較差，識別性能相對Alien?9662較弱。由此可知，標簽天線的互耦效應導致標簽天線識別性能發生改變。

6 ?實驗測試

通過SMA型步進式同軸衰減器調節Impinj R2000閱讀器發射至閱讀器天線的功率大小，在微波暗箱中測試目標標簽的讀取距離。通過相關換算，將測試所得讀取距離轉換成目標測試功率下標簽讀取距離。

7 ?最大識別距離的計算與分析

通過分析式（9）可知，[P1G1]最大，[P3]最小，此時天線與負載完全匹配，標簽的讀取距離最大。其中 [P1G1=PEIRP]，[PEIRP]在通信協議ISO/IEC 18000?6中定義為有效全輻射功率，最大值為4 W。Alien?9662和Alien?9654都采用Higgs?3芯片，激活功率大小一般為-8～-20 dBm。選取Higgs?3芯片的[ptag?chip]=-13 dBm，由此可以計算出標簽的最大識別距離。相比第6節實驗測試結果存在一定的誤差，但標簽的計算最大識別距離與實測最大識別距離都隨著標簽間距的增加而不斷變大，同時兩者的差值均處于±5%，處于合理范圍。仿真結果基于天線理想工作條件，實際測試中存在的電磁干擾以及閱讀器與天線間連接電纜的功率損耗均會對上述測試結果產生影響。

基于上述分析，考慮到仿真計算的理想化和實際測量過程中各種不可避免的干擾損耗，可以認定差值處于合理范圍內，仿真結果與實測結果吻合較好。

8 ?結 ?語

本文通過雷達散射截面研究了密集環境下無源超高頻標簽的識別性能。高頻電磁場仿真軟件HFSS建立Alien?9662和Alien?9654兩種標簽的互耦模型，并得到不同負載條件下標簽天線不同間距的輸入阻抗和標簽天線單站RCS。通過理論分析與仿真計算，分析得出密集環境下標簽天線的最大識別距離，并通過實驗對計算結果進行驗證，兩者基本吻合。

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