用于油氣井RFID扶正器激活的閱讀器共形天線設計

尹宜勇 朱文佳 曲從鋒 王巖 王立琰 龔振 崔明軒 王國強

摘要 ：基于油氣井井下環境的特點，為實現井下扶正器的遠程控制，同時改正射頻識別（RFID）閱讀器天線電磁波強度衰減過大、輻射性能差等缺陷，設計一種共形于井下管道的RFID扶正器閱讀器偶極子天線。依據天線設計的基本理論，利用天線彎折技術，將該天線結構設計為倒“U”型，實現與套管相共形；通過仿真掃頻分析優化天線參數，分析天線主要結構對性能的影響。結果表明，設計的天線最終的中心頻率為860 MHz，在該頻率下天線輸入端口反射系數為-21.05 dB，增益為2.2 dB，天線尺寸為11 mm×148.44 mm，天線的性能滿足設計需求，可用于套管扶正器等井下工具的無線控制。

關鍵詞 ：油氣井； 扶正器； 射頻識別； 共形偶極子天線； 增益

中圖分類號 ：TE 925; TN 82 ???文獻標志碼 ：A

引用格式 ：尹宜勇，朱文佳，曲從鋒，等.用于油氣井RFID扶正器激活的閱讀器共形天線設計［J］. 中國石油大學學報（自然科學版），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

由于油氣井鉆采深度大、空間小、環境復雜，有線信息傳遞技術難以在井下實現，傳統的無線信息傳遞技術 ?［1-3］ 也常常由于受到井下特殊環境的限制，導致信息傳遞效率較低 ?［4-5］ 。而RFID（radio frequency identification，射頻識別）技術的興起為油氣井井下信息傳遞帶來了新的途徑。RFID技術成本低、尺寸小、頻帶寬 ?［6］ 、識別距離遠且受環境影響小 ?［7］ ，已經被廣泛應用于倉儲、物流、通信 ?［8］ 等物聯網行業。許多研究人員開始嘗試將RFID技術與鉆完井技術相結合 ?［9］ ，研發了深井隨鉆防噴器控制系統 ?［10］ ，設計了井下壓裂滑套控制系統 ?［11-12］ ，應用效果突出。同時利用RFID技術的無線傳輸特性研制了井下智能分控開關 ?［13］ 、井下無線通訊小球 ?［14］ 等井下工具。然而在固井工程中的套管扶正技術方面，由于井下環境復雜、扶正器作業難以遠程控制，常常出現套管偏心度較高、扶正效果不可預料或無法調整等問題 ??［15］ 。而新興的RFID技術恰好能夠實現對套管扶正器的遠程控制，優化扶正器性能 ?［16］ 。但是，由于套管扶正器與井眼之間的環空形狀狹長、空間有限，導致現有的RFID天線電磁波強度常常出現衰減過大、輻射距離短、增益不滿足需求等問題，極大地限制了RFID技術在套管扶正器上的應用 ?［17-18］ 。閱讀器天線作為RFID系統的信號收發裝置，面對井下復雜的環境，其性能優劣至關重要 ?［19］ 。筆者首先通過理論計算和參數設計，設計符合套管扶正器工況的共形偶極子閱讀器天線；其次通過仿真分析 ?［20-21］ 對天線性能參數進行優化，獲得閱讀器天線參數，分析天線主要參數對天線頻帶、阻抗、增益的性能分析，并通過試驗驗證仿真分析的正確性。

1 共形偶極子天線設計

套管扶正器一般固定在套管外壁上，如圖1所示。RFID技術應用于套管扶正器時，裝有標簽天線的通訊小球隨鉆井液流動并上返，當流至環空，經過扶正器時，閱讀器天線接收其攜帶信號，并激活套管扶正器。針對閱讀器天線信號輻射受到井下環形空間限制以及在鉆井液中衰減大、傳播距離短、信號捕獲概率低的問題，設計了共形于套管扶正器的天線結構；通過理論計算，確定適合井下環境的RFID工作頻率并優化，使其信號衰減更??；根據實際工況所需傳輸距離，計算天線增益，提高信號識別距離。

當前常見的天線形式有單極子天線 ?［22］ 、偶極子天線 ?［23］ 、倒F天線 ?［24］ 、蝶形天線 ?［25］ 等類型。偶極子天線被廣泛用于遠距離耦合和復雜環境中，且具有結構簡單、便于設計的特點，本文中以偶極子天線為基礎，設計閱讀器天線。

1.1 共形偶極子參數需求

1.1.1 結構方案

如圖2所示，將閱讀器天線的外形設計為倒“U”型。若天線寬度超過套管扶正器最大直徑，容易在套管扶正器下行時與井壁形成摩擦撞擊，進而損壞天線，且會阻礙鉆井液循環甚至堵塞井眼。因此天線寬度不應超過扶正最大外徑與最小外徑的差值。同時，為保證最佳的天線性能，依據偶極子天線設計理論，天線長度定為偶極子天線半波長。

由扶正器設計方案可知，套管扶正器的最大外徑 D ?1=200 mm，最小外徑 D ?2=141 mm，因此天線最大寬度 L ?a =（D 1-D 2）/2=29.5 ?mm。

同時結合偶極子天線設計經驗，偶極子天線單臂長介于1/4自由空間波長和1/4介質層波導波長之間 ?［26］ ，故其天線單臂長 L可計算為

L= λ 0 4 （1+ε ?r ）/2 ??. （1）

式中，λ 0為自由空間波長；ε ?r為基板的相對介電常數。

在閱讀器天線設計中選擇將偶極子天線印刷在 FR-4介質基板（ ε ?r=4.4）上，可得偶極子天線單臂長初始長度為53.1 mm。

1.1.2 頻率設計

由于套管扶正器作業時，井下環空中鉆井液介質極大限制了天線信號的傳輸特性，因此對于天線設計頻率的確定十分關鍵。參考井下一般工況，取鉆井液流速為1 m/s ?［27］ ，可將其轉化為對傳輸距離的要求。

依據電磁波傳輸理論 ?［28］ ，其傳播系數為

γ=α+ j β. （2）

其中

α=ω ?μ 0ε 2

1+ σ 2 ω 2ε 2 ?-1 ??.

式中，γ為傳輸系數；β為相位衰減常數；α為幅值衰減常數 ?［29］ ， ?dB/m； ω 為工作角頻率，Hz； μ 為磁導率，H/m； ε 為介電常數，F/m； σ 為電導率，S/m。

結合井下工況，確定井下鉆井液的介質參數 ?μ 0= 4 π×10 ?-7 ?H/m， ε = 81 36π ×10 ?-9 ?F/m

， σ =1.01 S/m，取 ω =1 GHz，將這些參數代入式（2），可得 α =155.48 dB/m。

由于天線信號衰減常數隨著電磁波頻率增加而增大，因此頻率超過1 GHz的天線信號在井下工況進行有效傳遞，其信號衰減常數 α 必須大于155.48 dB/m。但是常見的微型天線芯片其發射功率及靈敏度基本無法達到150 dB以上，因此一般天線無法滿足頻率超過1 GHz在井下傳輸的條件，關皓綸等同樣證明了這一點 ?［11］ 。此外，由于天線頻率降低會使得天線尺寸增加，該文中天線寬度最大為29.5 mm，對于天線尺寸極為苛刻。

綜上，在保證天線通訊傳輸性能的前提下天線尺寸要足夠小，本文中選擇天線的設計頻率為應用廣泛的860 MHz。

1.1.3 目標增益

依據閱讀器天線的工況，鉆井液流速為1 m/s，將天線芯片設為200 ms發送一次信號，則閱讀器天線在井下最低識別距離要求為0.2 m，因此該距離也是閱讀器天線的最小傳輸距離。

依據天線理論，傳輸距離 ??［30］ 為

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為傳播距離， m ；λ為工作波長， m ；P ?t為讀寫器的發射功率，dBm； G ?t為讀寫器天線增益，dBi ；G ?T為標簽天線增益，dBi； P ??th 為標簽天線能夠正常工作的最小功率閾值，通常取-8～-20 dBm； τ為標簽天線到標簽芯片之間的功率傳輸系數；η為鉆井液中信號衰減率；Γ為標簽天線到標簽芯片的電壓反射系數。

對公式（3）進行變形可得閱讀器的天線增益計算公式為

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

依據一般設計的閱讀器天線，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。

依據實際工況閱讀器天線增益要求為至少1.94 dBi。

1.1.4 阻抗匹配

阻抗匹配決定天線功率傳輸效率。設計的閱讀器天線采用固定匹配方式，通過調整阻抗至50 Ω標準阻抗，實現與閱讀器端口的匹配。

天線輸入阻抗取決于天線結構、工作頻率和周圍環境的影響，難以精準匹配。因此為較好地實現阻抗匹配，如圖3所示，利用天線彎折技術和對偶極子天線輻射臂彎折形式，結合電感短接線構成的電感饋電環，改變了天線結構，利用天線參數變化進行電抗匹配。

由圖3可以看出，在主要輻射方向上 （A→E）電流方向一致，由于彎折導致豎直方向天線中流過的電流方向（A→B，C→D）相反，由電流所激發的電場也將會互相抵消，從而對電線輻射貢獻很小，影響天線輻射特性。依據彎曲偶極子的輻射電阻經驗公式 ?［25］ ：

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

式中，L ??proj 為彎曲偶極子的有效輻射長度，m； L ??half 為傳統偶極子天線長度，m； R ??half 為傳統偶極子天線的輻射電阻，Ω； λ為波長， m。

由式（5）可以看出，影響輻射電阻的參數主要為彎曲偶極子的有效輻射長度，設計天線時應該盡量增大輻射臂的有效輻射長度，減小相互抵消的部分，進而提高天線增益，促進電阻匹配。

綜上，介質層厚度選擇1.6 mm，計算共形偶極子閱讀器天線設計的預期指標為：天線寬度小于等于29.5 mm，工作頻率860 MHz， S ??11 有效帶寬大于等于3.5 MHz，增益大于等于1.94 dB，輻射方向為全向，輸入阻抗（50±10j）Ω。

1.2 共形偶極子天線結構設計

結合了彎折技術形成的彎折偶極子天線，不僅在阻抗匹配方面更加便利，而且通過調整彎折次數、彎折角度對天線結構進行優化，可以進一步實行天線小型化。

設計的頻率為860 MHz共形偶極子閱讀器天線（圖4）在結構設計上著重使用了彎折技術，對天線進行折彎，使其結構契合套管形狀，為倒“U”形，同時減小了天線尺寸，使其滿足了套管扶正器工作空間。此天線由輻射體、饋電端、介質基板組成，采用集總端口饋電方式進行天線供電。

天線的總體結構由對稱彎折的偶極子和電感匹配饋電環組成。為使天線能夠良好地布置在環形基板上，并具備良好的輻射性能。對偶極子進行彎折與環形尺寸相適配；對電感饋電環路面積即環路的線圈長度進行調節，從而改變天線的電抗和天線諧振的中心頻率；通過蝶形偶極子輻射臂激發環形結構部分，能夠提供較高的帶寬、較強的電流分布，使天線在遠場環境中具有一定的增益，增強遠場區特性。為了保證電流的穩定性和良好的傳輸性能，將饋電點邊長 K與天線輻射體的寬度保持一致。

根據初始設計尺寸及共形需求，共形偶極子天線的初始設計尺寸為：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 天線性能

在中國超高頻RFID標準（860 MHz）要求下，共形偶極子天線總體長度應約在125 mm。天線性能主要受彎折部分及貼片大小影響，因此使用三維電磁仿真軟件HFSS 15.0，通過參數掃頻優化方法對彎折部分、貼片結構相關尺寸進行仿真分析，實現性能優化。

2.1 彎折臂掃頻分析

設計的共形偶極子天線為電感耦合類型，使用電感匹配饋電環也可進行阻抗匹配，其輸入阻抗值與線圈本身自感有關，而且自感與電感線圈的長度相關，因此通過改變電感線圈長度調節自感，使其輸入阻抗達到最佳。對影響電感線圈長度的參數 L 1、L 2、L 8以及彎折部位L 3、L 4進行研究，獲得天線各參數對其天線輸入端口反射系數S ?11 的影響。

圖5為彎折點間距L 1對回波損耗性能和天線阻抗值的影響。從圖5中可以看出，隨著L 1遠離饋電點，中心頻率先逐漸靠近860 ?MHz頻率，又逐漸偏離，在 L 1 為6 mm時，最為接近；同時天線輸入阻抗實部和虛部均持續增加，當 L 1 為6 mm時，阻抗匹配為最佳。因此， L 1 最優可取6 mm。

圖6為參數 L 2變化對天線的回波損耗性能和阻抗的影響。從圖6中可以看出，L 2為 5 mm時，中心頻率位于860 MHz附近； L 2 為6 mm時，最接近860 MHz， L 2 為7 mm時，中心頻率偏移明顯，且 S ?11 明顯減??；隨著L 2增加，阻抗呈現先增加后減小的波動變化，L 2 為6 mm時，天線阻抗匹配性能最佳。綜合考慮， L 2 取6 mm。

圖7為彎折線寬度對天線的回波損耗性能和阻抗影響。從圖7中可以看出，隨著 L 3增加，偶極子天線中心頻率逐漸偏移，回波損耗相對一致，L 3為 5 mm時， S ?11 ?曲線中心頻率最佳。從圖7（b）中可以看出，阻抗整體呈增長狀態，但虛部電抗分量相較實部增加更加明顯， ?L 3 為5 mm時，阻抗虛部幾乎為零。所以 L 3 取5 mm為最佳。

圖8為彎折線高度 L 4對天線的回波損耗性能和阻抗的影響。由圖8可以看出，隨著L 4遞增，中心頻率逐漸減小，S ?11 保持穩定，且阻抗整體比較穩定，虛部略有增長，影響較小，在L 4為2 ?mm時，中心頻率接近860 MHz，因此 L 4 最優為2 mm。

共形偶極子天線的 S ?11 和和阻抗隨參數L 8變化的仿真曲線如圖9所示。從圖9中可以看出，隨著L 8遞增，中心頻率逐漸增加，幅度較小，回波損耗小幅增加，在L 8為1 ?mm時，接近860 MHz中心頻率；隨著 L 8增加，天線阻抗保持基本穩定，對天線阻抗影響不明顯。綜合來看，L 8取1 ?mm。

綜合來看，參數 L 1、L 3對天線回波損耗以及阻抗均有明顯影響，且在一定范圍內較規律，L 2對天線回波損耗以及阻抗的影響不突出，L 4及L 8對天線回波損耗影響較小，尤其對于實部幾乎無影響，可利用該值進行天線S ?11 性能微調。因此，通過綜合調節L 1、L 3可以對偶極子標簽天線性能參數進行主要調節，同時調節S ?11 曲線及天線阻抗，再結合L 4、L 8可以對天線S ?11 曲線進行一定范圍的微調，使天線性能最佳。

2.2 貼片掃頻分析

圖10為三角貼片邊長a對天線S ?11 和阻抗的影響。從圖10中可以看出，隨著邊長增加，天線諧振中心頻率逐漸降低，變化較為明顯；阻抗整體呈增長狀態，但虛部電抗分量相較實部增加更加明顯。在三角貼片邊長為 6 mm時，中心頻率最接近860 MHz，阻抗虛部基本為0，因此三角貼片邊長應當取6 mm。

圖11為三角貼片與彎折臂夾角 θ 3的變化對S ?11 和阻抗的影響。從圖11中可以看出，隨著角度增加，天線諧振中心頻率呈不規律變化，變化較為明顯，在θ 3為 150 °時，中心頻率接近860 MHz；天線輸出阻抗為（43.1+0.52j）Ω，整體基本保持穩 定。因此將θ 3取為 150 °較合理。

綜合來看，貼片邊長影響貼片大小，而貼片大小會對天線的 S ?11 和阻抗產生影響；對于貼片與彎折臂的夾角，從仿真結果來看，主要會對S ?11 產生一定影響，但幾乎對阻抗無影響。

綜上可得，天線最終優選參數為：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 試驗驗證

3.1 試驗結果

該文所設計的RFID閱讀器共形偶極子天線加工實物以及測試環境如圖12、13所示。天線為銅質貼片，印制在尺寸為11 mm×148.44 mm的FR-4基板上，由50 Ω SMA轉接線實現饋電。測試時通過測試電纜將天線實物與安捷倫矢量網絡分析儀（N5224A）相連接，使用該儀器對天線進行 S ??11 參數測試試驗，進而獲取天線的反射特性曲線。

如圖14所示，將天線的回波損耗仿真結果與試驗結果進行對比?？梢钥闯?，在試驗測試下，天線輸入端口反射系數為-10 dB匹配的帶寬為836.6～874.2 MHz，相對帶寬為4.3%，中心頻率為860 MHz，駐波比小于2.5；而在仿真結果下，天線輸入端口反射系 ?數為-10 dB，匹配帶寬為832.1～903.3 MHz，相對帶寬4.8%，中心頻率為860 MHz。對比試驗測試與仿真分析，其中心頻率及回波損耗（ S ??11 ）基本一致，仿真和實測結果吻合較好，驗證了天線關鍵參數優化的正確性。

如圖15所示，本文中設計的天線最終增益為2.2 dBi，遠遠滿足設計要求1.94 dBi，具有較好的增益性能。且本文中設計的偶極子共形天線為全向性天線，應用于井下環境中具有雙邊識別性，可進一步增加識別距離，以滿足使用要求。

3.2 誤差分析

試驗測試的天線帶寬略低于仿真，造成該結果的主要原因可能有兩點：

（1）從偶極子天線工作原理分析，出現該現象的原因可能是使用了同軸線饋電方式，通過該饋電方式，使得共形偶極子天線的饋電端口為不平衡匹配，原本應該傳輸至饋電端口的能量傳輸不完全，影響了端口輸出結果，進而使得測試結果出現誤差。

（2）可能是因為材質或加工與焊接造成的誤差，由于實際使用的材質與仿真軟件中的相比，有雜質影響，并且天線輻射體尺寸較小，加工存在偏差或者焊接工藝導致傳輸性能不佳，均會對測試結果造成一定的影響。

4 結 論

（1）設計的應用于井下套管扶正器的共形偶極子閱讀器天線的中心頻率為860 MHz，設計的天線共形彎折結構呈倒“U”形，與套管相共形，使得天線結構更加適用于井下工況，有利于性能的發揮，具有良好的應用性。

（2）將彎折技術與電感饋電方式相結合，設計了天線彎折結構和電感饋電環路，在縮小天線結構空間的同時，使得天線阻抗匹配更為容易，節省了匹配電路的空間。

（3）天線帶寬為836.6～874.2 MHz，在中心頻率下 S ??11 達到了-21.05 dB，天線增益為2.2 dBi，天線輸出阻抗為（43.1+0.52j） Ω，阻抗匹配較好；設計的共形偶極子天線滿足了參數需求，達到了井下電磁信號傳輸距離，可應用于井下套管扶正器等工具。

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（編輯 沈玉英）