密集布放环境下的标签互阻设计方法

彭章友 孟春阳任秀方 李 帅

(上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室 上海 200072)

密集布放环境下的标签互阻设计方法

彭章友 孟春阳*任秀方 李 帅

(上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室 上海 200072)

在密集布放环境中，超高频射频识别标签(UHF RFID)会受到相邻标签的干扰产生互阻抗，导致读取率下降。基于二端口网络和八木阵列天线的理论，该文分析天线结构与互阻抗的关系，并解释标签天线传输系数和增益的变化原因。进而提出一种密集布放环境中的标签互阻设计方法。仿真和测试结果表明，新标签不仅单一性能良好，且互相间的干扰小，适用于多标签密集布放环境中的射频识别系统。

无线通信；标签天线；密集布放；互阻抗；传输系数

1 引言

在无源超高频(UHF)射频识别系统(Radio Frequency IDentification, RFID)中，若标签密集布放，天线间的干扰将严重影响系统读取率[1]，因而如何提高密集布放下标签的识别率成为了亟需解决的一大难题。文献[2,3]分析并测试了在不同标签间距下，成功读取全部标签的最远距离，并给出了标签芯片阻抗变化的测试方法。文献[4]分析了多标签下，标签的阻抗模型，并给出了标签间的互阻抗表达式。但以上3篇文献都局限于标签间间距在20 cm以上，未考虑如纸质文档归类时，要求标签间距只有几毫米的密集布放场景。文献[5]依据单标签的增益表达式，分析了两标签时的标签增益模型，并测试了多标签下标签的增益变化，但未提出改善密集布放下标签增益的方法。文献[6]也经过实验测试，发现了多标签“群读微弱点”的变化趋势，但仍未提出解决方案。文献[7]通过改善阅读器天线，采用2×2的高增益天线阵列来提高RFID系统的读取率。文献[8]提出了一种新的分组算法，改善了RFID标签的防碰撞能力，进而提高读取率。但文献[7,8]的两种方法，未从本质上解决密集环境下RFID系统读取率低的问题，且为提升读取率所带来的成本和复杂度也颇高。

本文结合二端口网络模型和八木阵列天线理论，从标签天线间的干扰角度出发，通过对标签天线传输系数τ和增益G的分析。提出了适用于密集布放下的RFID标签互阻设计方法，仿真结果和微波暗室测试表明，本文设计的新标签，不仅单一性能良好，且在标签密集布放时互相间干扰小，适用于多标签射频识别系统。

2 标签结构与设计

图1(a)为一款无源RFID标签，采用阻抗匹配环和弯折线实现天线小型化[9,10]。根据文献[11]建立的弯折线偶极子天线电感电路模型和两根导线电流方向相反且间距远远小于波长时，电流辐射场将相消而无明显辐射的电磁理论，将图1(a)RFID电子标签的辐射模型，等效成全长为天线主要辐射长度L的简单对称偶极子如图1(b)。并将标签天线划分为3部分如图2所示：(1)参数b,e代表标签辐射臂长，调节天线间的互阻抗[12]；(2)参数g,h和c,d,l, m分别代表匹配环接入点和弯折线的几何位置[13]，调节阻抗匹配；(3)参数a,n代表两边矩形片及标签整体尺寸，调节天线增益。

图1 RFID电子标签

图2 标签初始模型

2.1 传输系数

在n枚标签密集布放下，RFID标签的等效电路可由芯片阻抗Zc，天线自阻抗Zii，阅读器天线辐射的激励源Vi和其他标签辐射的激励源Vji组成[6,14]，其模型如图3所示。

图3 标签等效电路模型

当3枚标签摆放时，目标标签1的端口输入阻抗为

当k枚标签摆放时，令k−1枚标签满足上述情况，即

则k枚标签时，目标标签1的输入阻抗为

因此，第1枚标签的输入阻抗为

由于相同的n枚标签摆放时：

且每一枚标签都是一个独立的个体，因而第1枚标签的输入阻抗和第i枚标签的输入阻抗是一致的。所以，在n枚标签密集布放环境中，目标标签i的输入阻抗为此外，根据标签天线与芯片间的共轭匹配关系，推导第i枚标签受到其余n−1枚标签干扰后的标签天线传输系数τi：

在上述所有公式中，R为阻抗实部，X为芯片阻抗虚部，Zin为RFID标签的输入阻抗，ZIC为芯片阻抗，Zii为第i个RFID标签的自阻抗，Zij为第i个RFID标签和第j个RFID标签的互阻抗。在标签密集布放中，随着标签的增多，天线互阻抗虚部Xij逐步增加，传输系数不断减小。因此，若要保证标签传输系数不被严重恶化，需使互阻抗虚部Xij较小。

2.2 天线增益

密集布放下，目标标签主要受相邻标签的干扰，其中标签天线的增益将随着辐射效率er改变，分析模型类似于八木阵列天线，以图4所示的两标签为例来分析天线增益。

根据八木天线理论，可知在干扰天线1的影响下，目标天线2的辐射阻抗为

由于互阻抗的影响，导致目标天线的辐射阻抗改变。当天线间的互阻抗Z12增大，辐射阻抗Zr1减小，天线辐射效率降低；若天线间的互阻抗变小，辐射效率增大，接近于1。图5表明了不同间距下，即不同的互阻抗下目标标签2的天线辐射效率。

2.3 互阻抗

依据前文中传输系数和增益的分析可知，在密集布放下，天线间产生的互阻抗是恶化标签性能的关键因素[15]。

根据图6所示的互阻抗分析模型和偶极子天线近场互阻抗理论，标签间的互阻抗为[16]

式中，k是与波长相关的常数，l为偶极子标签总长度的一半，r1为两RFID标签的距离，r2为标签1的末端到标签2顶端的距离，r为标签1的中心到标签2顶端的距离。由式(12)可知，天线间产生的互阻抗只与天线的形状和间距有关。

令r1=d=c;r=;r2=，在标签间间距d极小时，互阻抗Z21虚部：

图4 标签天线增益分析模型

图5 不同间距下的标签天线辐射效率

图6 互阻抗分析模型

其中，可见标签天线的辐射臂长度L与互阻抗虚部成正比，如图7所示。

因此，要降低标签间互阻抗，提升密集布放下标签的读取率，应使用辐射臂较短的标签。此外，根据标签芯片和天线的阻抗共轭匹配关系[17]和传输系数τi的分析，要使天线间产生的互阻抗虚部小，需在选取芯片时，选用阻抗虚部小的电子芯片。因而，优化设计的新标签选用阻抗为11−j142的Monza-4芯片，而原标签选用的则是阻抗为14.4−j160.4的Monza-5芯片。此外，本文设计的RFID 标签工作在超高频920 MHz。

依据前文的天线结构划分，进而调节尺寸参数，改善标签天线的传输系数τ、天线增益G和互阻抗Z12。为此，拟定3个性能参数：(1)920 MHz时，单标签的传输系数τ；(2)920 MHz时，单标签的天线增益G；(3)两标签下，标签间距为2 mm时，标签天线产生的互阻抗Z12。

3 实验测试与分析

设计制作后的标签如图8所示。

参数a=15 mm, b=11.9 mm, c=15.2 mm, d=16 mm, e=3 mm, g=3.2 mm, h=14 mm, l=2 mm, m=16.1 mm, n=58 mm。标签仿真性能对比如图9所示。

在超高频920 MHz，天线传输系数由0.42增大到0.80，增益由1.86 dBi提升到2.28 dBi；两标签下，标签在间距2 mm时产生的互阻抗虚部从60.17Ω降到46.01 Ω，实部均保持在0 Ω。设计的新标签辐射臂为28 mm，相较于原标签，减少了16 mm。

新标签在微波暗室中测试验证，标签到阅读器的距离固定为1 m。阅读器系统工作频率为920 MHz，阅读器天线增益为8.5 dBi。单标签下，阅读器所需最小读取功率和两枚标签下，目标标签受干扰标签影响后的最小读取功率分别如图10，图11所示。

在整个频段内，设计的新标签与原标签相比，性能差异不大。在超高频910～925 MHz中，优化后的标签比原标签略好，阅读器所需的最小读取功率仅为8 dBm。两标签下，随着间距的不断增加，设计的新标签将更快接近单一时的性能。超高频920 MHz时，原标签在单一情况下的读取功率为13 dBm，当两枚标签间距为30 mm时，目标标签的读取功率增为19 dBm，相差6 dBm；而优化后的标签，功率值分别对应为12 dBm和14 dBm，仅相差2 dBm。实验说明新标签互相耦合影响比原标签小，也说明在相同功率的多标签密集布放环境下，新标签将比原标签读取距离更远，读取率更高。

在空旷的环境中，将多枚原标签和新标签进行读取对比实验。规定系统有效辐射功率为2 W，阅读器天线距离标签为1 m，标签正对阅读器天线水平摆放，标签总数依次分为15, 25, 35, 45，共4组实验。在每组实验中，相邻标签间的间距依次为2 mm, 3 mm, 4 mm。测试结果如表1，表2所示。

实验分析可知：(1)固定标签间间距，标签数目越多，环境越密集，系统读取率越低；(2)固定标签数目，标签间间距越近，系统所能读取的标签个数越少；(3)相同环境下，新标签的读取率远高于原标签。由此可见，设计的新标签适用于密集布放下的多标签识别系统。

4 结束语

结合二端口网络和八木阵列天线理论，分析了密集布放下，多标签读取性能下降的原因。进而提出了一种适用于密集布放下的标签互阻设计方法。仿真和测试表明，设计的新标签传输系数τ和增益G都高于原标签，且标签间产生的互干扰小。最后，将新标签应用于密集布放的多标签识别系统中，实验显示新系统的读取性能获得了大幅提升。但需要指出的是，本文对标签的分析，是基于简化后的偶极子模型，且标签间以前后平行方式摆放。下一步工作将针对在密集布放的环境下，从标签本身的不规则形状和标签间不同的摆放角度出发，提出更完善的多标签识别方案。

图8 优化后的新标签

图9 新标签与原标签性能对比

图10 单标签对比

图11 两标签对比

表1 原标签密集群读实验

表2 新标签密集群读实验

[1] Marrocco G. RFID grids: part I——Electromagnetictheory[J]. IEEETransactionson Antennasand Propagation,2011, 59(3): 1019-1026.

[2] Dobkin D M and Weigand S M. UHF RFID and tag antennascattering, part II: theory[J]. Microwave Journal, 2006, 49(6): 86-96.

[3] Dobkin D M and Weigand S M. UHF RFID and tag antenna scattering part I: experimental results-first in a two-part series on the use of radio frequency communications to identify physical objects in the commercial supply chain[J]. Microwave Journal, 2006, 49(5): 170-190.

[4] 佐磊, 何怡刚, 李兵, 等. 标签密集环境下天线互偶效应研究[J]. 物理学报, 2013, 62(4): 1021-1029.

Zuo Lei, He Yi-gang, Li Bing, et al.. Theory and measurement for mutual coupling effect of ultra high frequency radiofrequency identification in dense environments[J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62(4): 1021-1029.

[5] Caizzone S and Marrocco G. RFID grids: part II Experimentations[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2011, 59(8): 2896-2904.

[6] Lu F, Chen X S, and Ye T T. Performance analysis of stacked RFID tags[C]. Proceedings of the IEEE International Conference on RFID, Orlando, USA, 2009: 330-337.

[7] Weisgerber L and Popugaev A E. Multibeam antenna array for RFID applications[C]. Proceedings of the European Microwave Conference, Nuremberg, Germany, 2013: 84-87.

[8] Dhakal S and Shin S. A sequential reading strategy to improve the performance of RFID anti-collision algorithm in dense tag environments[C]. Proceedings of the 2013 Fifth International Conference on Ubiquitous and Future Networks, Da Nang, Vietnam, 2013: 531-536.

[9] Abdulhadi A E and Abhari R. Design and experimental evaluation of miniaturized monopole UHF RFID tag antennas[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2012, 11: 248-251.

[10] Zamora G, Zuffanelli S, Paredes F, et al.. Design and synthesis methodology for UHF-RFID tags based on the T-Match network[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques, 2013, 61(12): 4090-4098.

[11] Endo T, Sunahara Y, Satoh S, et al.. Resonant frequency and radiation efficiency of meander line antennas[J]. Electronics and Communications in Japan (Part II: Electronics), 2000, 83(1): 52-58.

[12] Keskin N, Imeci T, Rahman S M T, et al.. Dipole antenna designs for UHF RFID passive tag[C]. Proceedings of the IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference, Trabzon, Turkey, 2014: 1134-1137. [13] Faudzi N M, Ali M T, Ismail I, et al.. A compact dipole UHF-RFID tag antenna[C]. Proceedings of the IEEE International RF and Microwave Conference, Penang, Malaysia, 2013: 314-317.

[14] 肖芳鑫, 张雪凡, 李帅, 等. 密集布放环境下RFID标签受限链路[J]. 上海大学学报(自然科学版), 2014(5): 624-632.

Xiao Fang-xin, Zhang Xue-fan, Li Shuai, et al.. RFID limited system link analysis of stacked tags[J]. Journal of Shanghai University(Natural Science Edition), 2014(5): 624-632.

[15] Asl S E, Ghasr M T, Zawodniok M, et al.. Preliminary study of mutual coupling effect on a passive RFID antenna array[C]. Proceedings of the IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference, Minneapolis, USA, 2013: 138-141.

[16] 钟顺时. 天线理论与技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2011: 96-100.

Zhong Shun-shi. Antenna Theory and Techniques[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2011: 96-100.

[17] Hotte D, Siragusa R, Duroc Y, et al.. Performance optimization for the choice of impedances in the design of passive RFID tags[C]. Proceedings of the IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications, Torino, Italy, 2013: 1349-1352.

彭章友： 男，1965年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为无线通信技术、通信信号处理、交通信息工程与控制等.

孟春阳： 男，1990年生，硕士生，研究方向为RFID读写器天线和标签天线.

任秀方： 女，1989年生，硕士生，研究方向为RFID标签天线.

李 帅： 男，1988年生，硕士生，研究方向为RFID标签测试方法.

Design of Stacked Tags for Mutual Impedance in Intensive Distribution Environment

Peng Zhang-you Meng Chun-yang Ren Xiu-fang Li Shuai
(Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

In the dense distribution environment, the Ultra-High Frequency Radio-Frequency IDentification (UHF RFID) tags are interfered by the mutual impedance of adjacent tags, which can lead to a decline in reading rate. Based on the two-port network and Yagi-Uda antenna array theory, this paper firstly analyzes the relationship of antenna structure and mutual impedance. Then, the reasons for the change of the tag antenna transmission coefficient and the gain are explained. At last, a design of stacked tags for mutual impedance in intensive distribution environment is proposed. The numerical simulation and measurement results show that the new kind of RFID tag, not only has better performance in stand-alone scenario, but also has less interference between each other. It is suitable for RFID system in dense environment of multiple tags.

Wireless communication; Tag antenna; Dense environments; Mutual impedance; Transmission coefficient

TN92；TN821+.4

： A

：1009-5896(2015)06-1304-06

10.11999/JEIT141340

2014-10-20收到，2014-12-20改回

上海市科学技术委员会(12510500600)资助课题

*通信作者：孟春阳 mcy61346688@163.com