一种基于180°移相器和方形环天线的UHF近场RFID阅读器天线

于正永 黄承 钱建波 丁胜高 董进

摘要：基于180°移相器和方形环天线，提出了一种结构简单且性能良好的UHF近场RFID阅读器天线。该天线主要由两个不共面的圆形移相器和方形环天线构成。首先，由于移相器带来的阻抗变化使得该天线无须复杂的馈电网络设计即能获得20 MHz的带宽（反射系数小于-10 dB，覆盖910 MHz到930 MHz），涵盖了中国RFID UHF频段标准。其次，该天线利用两个移相器180°的移相特性使得具有1倍波长环形天线的表面电流依然保持同向，避免了传统天线由于尺寸过大导致电流反向的问题。最终，该天线在其围绕的区域内（约-70 mm × 70 mm）产生了强度强且均匀的磁场分布。

关键词：180°移相器;UHF近场RFID;阅读器天线

中图分类号：TN823.15        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）36-0005-03

1引言

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术起源于20世纪30年代的雷达技术[1]，20世纪70年代随着其工作原理的明确及集成电路的迅猛发展，RFID技术趋于成熟，逐步向民用领域发展，应用于铁路车辆识别、家畜跟踪、门禁系统、防盗系统等部分商用或民用领域[2]。近年来，随着RFID技术的进一步丰富和完善，RFID技术已经被广泛应用于智能物流[3]、仓储管理[4]、物联网（Internet of Things，IoT）[5]等领域，融入人们的日常生活中。

RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象，快速地进行物品追踪和数据交换。RFID系统主要包括阅读器及阅读器天线两部分，根据阅读器天线工作区域的不同，RFID系统可以分为近场RFID系统和远场RFID系统[6]。近场RFID系统的基本工作原理是通过阅读器与标签之间的磁场耦合实现目标的识别，通常采用低频段（Low Frequency，LF）125/134 KHz和高频段（High Frequency，HF）13.56 MHz [7]。只要标签处于非磁场环境（一般、磁导体、磁介质不易获取），系统均能正常工作，但近场磁场强度与距离的三次方成反比，因此识别距离较短，且工作频率低导致识别速率较慢。远场RFID系统则是基于电磁传播理论，一般工作在甚高频（Ultra High Frequency，UHF）频段860 MHz～960 MHz和微波（Micro Wave，MW）频段2.4 GHz～2.45 GHz或5.2 GHz～5.8 GHz，因此系统数据传输率高，识别速度快，但对标签所处的环境有较高要求，标签不能附着于金属物体表面否则将无法被识别，从而降低系统性能[8]。因此Harrop.P首次提出了UHF近场RFID的概念并将其应用于单品级标签管理（Item-Level Tagging，ILT）领域，由于工作频率的提升，系统提高了近场RFID系统的数据传输率，拓展了近场RFID系统的识别距离;同时，由于系统是基于近场RFID的技术，克服了远场RFID系统标签的环境适应性差等问题[9]。

对于UHF近场RFID系统而言，其阅读器天线必须能够在其近场区域内产生强度足够强且均匀的电场或磁场分布，以保证系统的正常工作。环天线是最常被采用的一种阅读器天线形式，但传统的阅读器天线在UHF频段是电大尺寸的，导致其表面电流反向，这意味着在天线表面正上方的近场区域内存在强度极弱的磁场，使系统不能识别位于该区域的标签，从而产生识别盲区，降低系统性能[10]。为了解决这个问题，学者们主要从三个方面进行了提升与改进。一是电容加载的分段环天线，Dobkin等人提出將周长为1倍波长的环天线分为16段且段与段之间通过贴片电容相连，从而实现环上表面电流同向，使得环内区域近场磁场均匀[11];陈志宁等人提出利用叉形结构或者双C形结构电容代替贴片电容，环天线的周长醉倒可以达到2倍工作波长[12-14]。二是耦合虚线的分段环天线，由陈志宁教授带领的团队首次提出由相互交错的两组分段线（又称为耦合虚线）构成的环天线，通过交错部分的耦合电容使天线表面的电流相位延迟，从而使电大尺寸环天线的表面电流几乎保持同相位[15];为了阐释耦合虚线方法实现换上电流同相的机理，提出了零相移线（Zero Phase Shift Line， ZPSL）的概念，并对ZPSL周期单元建立等效电路模型，分析其色散特性，深入研究由ZPSL构成的电大尺寸环天线的电流流向和近场磁场特性，并得出该结构的理论最大设计周长（约为3倍波长）[16-19]。三是偶极子构成的环天线，利用半波偶极子上电流呈现驻波形式但不会出现反向的理论，由多个半波偶极子通过合理的馈电和摆放构成电大尺寸的环天线，从而提供较优的近场磁场特性[20-21]。上述三种方法均能使得近场磁场均匀、识别区域面积大（周长至少大于1倍波长），但设计难度较大，如分段线的线长和个数、加载电容值的大小、偶极子环天线复杂的馈电网络等。

因此，文章提出一种结构简单且近场性能优异的阅读器天线。该天线由传统的环形天线和圆形移相器组成，其中环形天线的周长约为1倍波长（工作频率为922.5MHz对应的波长），圆形移相器的长度约为0.5倍波长。利用圆形移相器180°相位反转的特性，本文所提出的环天线的表面电流能够保持同相，从而在其近场区域内产生强度强且均匀的磁场分布。仿真分析结果表明，该天线具有20MHz左右的-10dB带宽（从910MHz到930MHz），覆盖了中国的标准带宽（920 MHz～925 MHz）。同时，该天线具有强度强（大于-14 dB A/m）、均匀且面积大（识别区域约70 mm × 70 mm）的近场磁场强度。由此可见，本文为UHF近场RFID阅读器天线提供了一种新的改进方法，且提出的天线具有很强的实用价值，能够更好地应用于物联网领域。

2 UHF近场RFID阅读器天线

2.1 系统工作原理及相关指标

一个基于磁场耦合的UHF近场RFID系统主要由标签、阅读器、阅读器天线和含有控制阅读器配套软件的终端等四部分构成。假定阅读器天线为螺旋天线，天线半径为a，圈数为N，阅读器天线的表面电流强度为I，天线的螺旋电感为L;标签天线也是螺旋天线，天线的圈数为Ntag，所围成的面积为S。由安培环路定律可知，有电流通过时，天线周围会产生磁场，该磁场不是辐射场而是一个衰减场。因此，在距阅读器天线表面高度为r的位置上产生的磁感应强度B为：

依据法拉第电磁感应定律可知，时变的磁场通过闭合回路时会在回路上产生电压，因此位于阅读器天线近场区域内的标签上会产生感应电动势Vtag，该电动势的大小可以通过标签形成回路的磁通量的变化求得。

对于具有Ntag圈的标签来说：

其中，磁通量Ψ可通过下式求得：

结合式（1）、（2）和（3），可以通过下面的公式粗略计算出Vtag。

式中，Q为天线的品质因素，θ为磁场与标签所围成区域的法向的夹角，Scos（θ）代表标签天线在近场磁场中的有效面积。感应电动势必然会在标签上产生感应电流从而驱动器正常工作。

上述即为简化的近场RFID系统的理论推导，要想使系统获得良好的识别性能，应需满足：

（1）阅读器天线产生的磁场强度B应尽可能大。值得注意的是磁场强度与距离r的三次方成反比，这意味着随着标签远离阅读器天线表面，磁场强度将会衰减的很快，这将是限制最大识别距离的主要因素。

（2）标签获取的功率Pchip（V2tag/2R）应大于等于其工作的门限功率Pth，激励其正常工作，从而被系统所识别。

Pchip与频率f 的平方、标签圈数Ntag的平方、标签有效面积Scos（q）的平方和磁场强度B的平方成正比。当θ=0°时，有效面积最大且为S，标签表面与阅读器天线产生的磁场相互垂直;当θ=90°，有效面积仅为为0。由此我们可以看出，磁场在标签所围成区域的法向方向上的分量决定了Pchip的大小，如图1所示。假如标签平行于xoy平面摆放，则仅磁场在Z方向的分量（|Hz|）对Pchip有影响。结合标签的门限功率Pth，最终我们可以获得标签所在位置的磁场在垂直于其平面方向上分量的最小值，我们将这个最小值定义为门限磁场强度（|Hth|）。

通过上述分析，当阅读器天线的输入阻抗与阅读器内阻共轭匹配时，阅读器天线能够获得最大电流，从而产生最强的磁场。对于一般的阅读器来说，用于UHF近场RFID系统的阅读器天线的输入阻抗应匹配到50 Ω，从而保证系统获得良好的识别性能。

针对RFID系统，全球在LF和HF频段已经形成了统一的标准，分别为125/134 KHz和13.56MHz，而随着UHF频段应用的兴起，很多国家都单独为RFID系统划分了对应的应用频段，中国使用的频段为920 MHz ～ 925 MHz。为了使阅读器获得更好的性能，上述的带宽均是指反射系数（S11）小于-10dB的带宽。

UHF近场RFID系统要获得良好识别性能，阅读器天线要在其近场范围内在沿着垂直标签表面（假设标签表面与xoy面平行）的方向产生足够强的磁场分布|Hz|，即需要满足|Hz| >|Hth|。结合理论推导和实际阅读器的技术参数，识别标签的门限磁场强度|Hth|约为-24dBA/m。

由此可见，-10dB带宽和近场磁场强度是系统最重要的指标，因此阅读器天线将围绕这两项指标展开研究。

2.2天线设计与分析

文章所提出的天线结构示意图如图2所示，正方形环天线的边长为L（长度约70 mm）;兩个圆形移相器的半径均为r（约为22 mm），但不位于同一平面。图中棕色部分（环形天线和1个移相器）置于衬底顶部，黄色部分（另一个移相器）置于衬底底部。另外，该天线采用介电常数为4.4、损耗角正切为0.02且厚度为1.6mm的衬底。

借助于商用仿真软件HFSS，该天线的反射系数如图3所示。从图中可以看出，该天线具有20 MHz的-10dB带宽，覆盖910 MHz到930 MHz，符合中国UHF近场RFID系统频段标准。

该天线的电流分布如图4所示，由于环形移相器的周长约为0.5倍波长，因此移相器表明电流同向;同时，该移相器具有180°的移相功能，因此1倍周长的环形天线表面电流也能够保持同向。这意味着该天线的近场磁场分布（主要是|Hz| 分布，如图5所示）将不同于传统的环天线，不会存在识别盲区。

由图5中可以看出，该天线在其所围绕的区域内磁场强度强且分布较为均匀，而其外部区域磁场强度较弱，这表明位于该位置的标签不易被识别，从而不会带来误识别等负面影响。为了更加直观地体现近场磁场的强度以及分布，图6展示了|Hz|分别沿着x轴和y轴的分布情况，在-70 mm～70 mm的范围内，|Hz|均大于-14 dBA/m，远远强于所需的-24dBA/m。因此在实际RFID应用场景下，可以适当降低阅读器的输出功率，或者将标签置于更远的区域。

经过上述的分析，我们发现所提出的天线能够很好地满足UHF近场RFID阅读器天线的重要设计指标，为环天线的改进提供了一种新的思路，同时可以有效地应用于实际场景。

3 结论

文章提出了一种基于180°移相器和环天线的UHF近场RFID阅读器天线。该天线结构简单，无须复杂的馈电网络和设计准则，同时具有良好的近场性能。该天线具有两个圆形移相器，利用其180°的移相特性使得具有1倍波长环形天线的表面电流依然保持同向，从而产生强度强且均匀的磁场分布，避免了识别盲区、误读等。该天线具有20MHz的-10dB的带宽，涵盖了中国UHF频段标准，同时具有-70 mm × 70 mm的识别区域。另外，在相同功率输出的情况下，该天线具有较远的识别距离。

参考文献：

[1] 慈新新，王苏滨，王硕.无线射频识别 （RFID） 系统技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[2] 夏宏锋.RFID在J服装企业供应链管理的应用[D].华南理工大学，2011.

[3] Lei Q，Wang G，Wang D.Design of a Handheld UHF RFID Reader for the Internet of Things[C].IEEE International Conference on Computer & Management.IEEE，2011.

[4] A. R.Partridge.Accuracy in action： item-level RFID takes off[J].Apparel Magazine， 2013，54（11）：30.

[5] 刘赟，周爽.物联网的应用综述[J].现代商业，2011（24）：74-74.

[6] Nikitin P V，Rao K V S，Member S，et al.An Overview of Near Field UHF RFID[C].IEEE International Conference on Rfid.IEEE，2007.

[7] Zhang D，Yu D，Yuan Y，et al.Two-dimensional scanning antenna array for UHF radio frequency identification system application[J].IET Microwaves， Antennas & Propagation，2014， 8（14）：1250-1258.

[8] Liu X，Stachel J R，Sejdic E，et al.The UHF Gen 2 RFID System for transcutaenous operation for orthopedic implants[C].IEEE International Instrumentation & Measurement Technology Conference.IEEE，2013.

[9] IDTechEx Ltd.Near Field UHF RFID vs HF for Item Level Tagging[J].2014.

[10] Qing X，Chen Z N.UHF near-field segmented loop antennas with enlarged interrogation zone[C]. IEEE International Workshop on Antenna Technology.IEEE，2012.

[11] M. Dobkin，S. M. Weigand，and N. Iye.（2007， June）.Segmented magnetic antennas for near-field UHF RFID.Microw.J.[Online].Available： http：//www.microwavejournal.com/articles/5046-segmented-magnetic-antennas-for-nearfield-uhf-rfid？v=preview

[12] Ong Y S，Qing X，Goh C K，et al.A segmented loop antenna for UHF near-field RFID[C].IEEE Antennas & Propagation Society International Symposium.IEEE，2010.

[13] Shi J.Electrically Large Dual-Loop Antenna for UHF Near-Field RFID Reader[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2013，61（3）：1019-1025.

[14] Qing X，Chen Z N，Goh C K.UHF near-field RFID reader antenna with capacitive couplers[J].IET Electronics Letters，2010，46（24）：1591-1592.

[15] Qing X，Goh C K，Chen Z N.A broadband uhf near-field rfidantenna[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2010，58（12）：3829-3838.

[16] Qing X，Chen Z N，Shi J，et al.Zero-phase-shift line antennas[C].IEEE International Workshop on Antenna Technology.IEEE，2013.

[17] Zeng Y，Chen Z N，Qing X，et al.Modeling and Characterization of Zero-Phase-Shift Lines and Optimization of Electrically Large ZPSL Loop Antennas for Near-Field Systems[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation，2016，64（11）：4587-4594.

[18] Zhi N C，Qing X.Antennas for RFID applications[J].2010.

[19] Zeng Y，Chen Z N，Qing X，et al.Design of a Near-Field Nonperiodic Zero Phase Shift-Line Loop Antenna with a Full Dispersion Characterization[J].IEEE Transactions on Antennas & Propagation， 2017，65（5）：2666-2670.

[20] Li X，Yang Z.Dual-Printed-Dipoles Reader Antenna for UHF Near-Field RFID Applications[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters，2011，10（1）：239-242.

[21] Ding X M，Zhang K，Yu H，et al.A Novel Magnetic Coupling UHF Near Field RFID Reader Antenna Based on Multilayer-Printed-Dipoles Array[J].IEEE Transactions on Magnetics，2014，50（1）：1-4.

【通聯编辑：朱宝贵】