楊　棟， 毛陸虹， 李美苓

(天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

基于相控陣技術(shù)的新型無(wú)源RFID標(biāo)簽理論研究*

楊棟， 毛陸虹， 李美苓

(天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

摘要:基于無(wú)源超高頻射頻識(shí)別(UHF RFID)系統(tǒng)的基本工作原理，提出了一種新型標(biāo)簽，將相控陣天線引入無(wú)源標(biāo)簽，使得標(biāo)簽具有了定位功能，并且可以改善UHF RFID系統(tǒng)的通信距離。對(duì)標(biāo)簽相控陣天線各參數(shù)進(jìn)行了理論數(shù)值分析，并使用Matlab軟件針對(duì)不同的天線陣元個(gè)數(shù)和陣元間距仿真天線波束幅值與方向性參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)理論分析結(jié)果的驗(yàn)證。結(jié)果表明：理論與仿真結(jié)果相符。通過(guò)仿真確定了合適的相控陣天線參數(shù)，為進(jìn)一步的研究設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別； 無(wú)源標(biāo)簽； 相控陣技術(shù)

0引言

射頻識(shí)別(RFID)是二十世紀(jì)九十年代興起的一項(xiàng)利用射頻信號(hào)進(jìn)行非接觸式雙向通信，自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)的無(wú)線通信技術(shù)[1]。它利用射頻信號(hào)的空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別對(duì)象的目的[2]。RFID被公認(rèn)為二十一世紀(jì)十大重要技術(shù)之一，已經(jīng)成功應(yīng)用到生產(chǎn)制造、物流倉(cāng)儲(chǔ)、資產(chǎn)管理、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生、商業(yè)零售、銀行、公交車票、公共安全等各個(gè)領(lǐng)域[3]。

超高頻(UHF)RFID系統(tǒng)最基本的構(gòu)成包括閱讀器(reader)和電子標(biāo)簽(tag)兩部分[4]。其中，電子標(biāo)簽可分為無(wú)源標(biāo)簽、有源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽三種。由于無(wú)源標(biāo)簽從閱讀器發(fā)出的電磁波中獲取能量[5]，無(wú)需內(nèi)置電源，具有體積小、重量輕、成本低，使用壽命不受限等優(yōu)點(diǎn)，因此,無(wú)源標(biāo)簽相比另外兩種標(biāo)簽受到越來(lái)越多關(guān)注[6]。王晉雄等人針對(duì)無(wú)源標(biāo)簽內(nèi)部電路的研究[7]，提出了一種新型的整流電路結(jié)構(gòu)，將整流電路的轉(zhuǎn)換效率提高到了30 %，同時(shí)降低了穩(wěn)壓電路的功耗，實(shí)現(xiàn)為數(shù)字電路提供1V電壓的同時(shí)功耗為500nW，進(jìn)而提高了標(biāo)簽與閱讀器的通信效率。杜永乾等人針對(duì)無(wú)源標(biāo)簽內(nèi)部電路的研究[8]是將射頻/模擬前端通過(guò)系統(tǒng)分區(qū)和分時(shí)供電對(duì)系統(tǒng)功耗進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)的讀取距離大于6m。李揚(yáng)陽(yáng)等人通過(guò)對(duì)閱讀器天線進(jìn)行設(shè)計(jì)[9]，使得RFID系統(tǒng)具有了定位功能，增大了系統(tǒng)工作范圍，改善了信噪比，有效提高了標(biāo)簽與閱讀器之間的通信效率。

基于以上研究，本文從天線接收射頻能量的角度出發(fā)，提出一種可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信且具有定位功能的新型標(biāo)簽，即在標(biāo)簽中引入相控陣技術(shù)，構(gòu)成相控陣天線，在連續(xù)的時(shí)間內(nèi)形成多個(gè)不同方向的高增益窄波束。該技術(shù)的應(yīng)用可以確定標(biāo)簽與閱讀器之間的方向角和距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)閱讀器的準(zhǔn)確定位，同時(shí)窄波束范圍可以滿足更遠(yuǎn)距離的通信。

1相控陣天線的基本工作原理

閱讀器和標(biāo)簽之間的射頻(RF)場(chǎng)環(huán)境是RFID系統(tǒng)中重要的因素[10]，RF場(chǎng)環(huán)境的建立需要天線向空間輻射RF能量，但是通常天線的輻射方向圖是固定的，這就降低了RFID系統(tǒng)的工作效率。天線的發(fā)射功率限制和固定的輻射方向圖，導(dǎo)致RFID系統(tǒng)的有效識(shí)別區(qū)域受限，加上在系統(tǒng)射頻場(chǎng)識(shí)別區(qū)域內(nèi)存在多徑干擾，導(dǎo)致標(biāo)簽接收到的能量進(jìn)一步降低，限制了系統(tǒng)工作的最大距離。為此，本文在標(biāo)簽中使用相控陣天線進(jìn)行波束掃描控制。

1.1相控陣天線的定位

本文提出的基于相控陣技術(shù)的標(biāo)簽工作原理圖1。

圖1　標(biāo)簽工作示例圖Fig 1　Working example of tag

其工作過(guò)程為：1)改變相控陣天線陣列之間的相位差來(lái)改變天線陣列所發(fā)出的波束方向，實(shí)現(xiàn)相控陣天線的掃描功能，確定標(biāo)簽接收到的相應(yīng)信號(hào)的閱讀器的掃描范圍，從而確定閱讀器與天線陣列的方向角θB；2)建立標(biāo)簽接收功率P與天線陣列到所發(fā)射信號(hào)的閱讀器之間距離s的函數(shù)，此函數(shù)不依賴于天線的波束指向，因此，當(dāng)波束指向不同時(shí)，可用同一函數(shù)根據(jù)接收功率來(lái)計(jì)算閱讀器與標(biāo)簽天線之間的距離;3)根據(jù)所確定的方向角和距離可實(shí)現(xiàn)閱讀器的定位。

圖1所示的標(biāo)簽還具有智能選擇的功能，標(biāo)簽通過(guò)上述過(guò)程首先進(jìn)行一次波束掃描來(lái)確定閱讀器1和閱讀器2的位置以及對(duì)應(yīng)的接收功率，并通過(guò)一定方式將其記錄保存，之后相控陣天線進(jìn)行第二次掃描，根據(jù)記錄的接收功率大小自動(dòng)調(diào)節(jié)天線的波束指向來(lái)選擇能使標(biāo)簽的接收功率較大的閱讀器來(lái)進(jìn)行通信。

1.2標(biāo)簽與閱讀器之間遠(yuǎn)距離通信的實(shí)現(xiàn)

RFID系統(tǒng)中，標(biāo)簽與閱讀器之間的通信是通過(guò)天線來(lái)完成的，良好的天線設(shè)計(jì)能使標(biāo)簽獲得盡可能多的能量。RFID系統(tǒng)的有效工作距離與標(biāo)簽天線接收到的功率有關(guān)，標(biāo)簽通過(guò)天線接收射頻能量來(lái)啟動(dòng)內(nèi)部電路工作。天線的接收功率與發(fā)射功率、兩天線之間的距離及天線波束的最遠(yuǎn)距離有關(guān)，其公式為

(1)

式中Pr為接收天線的接收功率，Pt為發(fā)射天線的發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線的增益，Gr為接收天線的增益，R為兩天線間的距離，天線的增益(G)與波束的最遠(yuǎn)距離(Ae) 的關(guān)系為

(2)

而天線波束的最遠(yuǎn)距離Ae與波束立體角ΩA的關(guān)系為

Ae·ΩA=λ2

(3)

由以上公式可得，在一定頻率下，天線增益與波束范圍呈反比關(guān)系。因此，在發(fā)射功率一定的情況下，減小波束范圍可以提高接收功率，而在標(biāo)簽最小接收功率一定的情況下，減小波束范圍可以提高增益，進(jìn)而增大系統(tǒng)的有效識(shí)別距離。如圖2所示，波束在一定的時(shí)間內(nèi)在多個(gè)方向進(jìn)行掃描，在同等功率下，高增益的窄波束比低增益固定波束的掃描距離要遠(yuǎn)，且波束在空間內(nèi)進(jìn)行掃描，其識(shí)別范圍也增大。因此，在標(biāo)簽中引入相控陣天線提高了標(biāo)簽的工作距離和識(shí)別范圍。同時(shí)，減小波束范圍使得進(jìn)入范圍內(nèi)的干擾信號(hào)變少，降低了多徑干擾。

圖2　相控陣波束與固定波束Fig 2　Phased array beam and fixed beam

2相控陣技術(shù)

相控陣天線包含一系列的天線陣元，每個(gè)陣元等間距分布，工作時(shí)，每個(gè)陣元上都接有一個(gè)移相器控制各陣元之間相對(duì)饋電方式，改變相控陣天線的波束控制，使得波束在空間內(nèi)按一定規(guī)律掃描，其示意圖如圖3所示。

圖3　n元線性相控陣天線Fig 3　Linear phased array antenna of n element

2.1相控陣天線的幅值

圖3中，n為天線陣元的數(shù)量，d為相鄰兩天線陣元之間的間距，入射方向與陣面法線方向夾角為θ，因此，相鄰兩陣元的波程差引起的相位差為

(4)

式中λ為接收信號(hào)的波長(zhǎng)。

假設(shè)每個(gè)天線陣元對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流幅度為ai(i=0,1,…,n),激勵(lì)電流在相鄰兩個(gè)天線陣元間的相位差為ΔφB，是由天線陣中移相器提供的附加相位，目的是獲得波束掃描方向。然后依據(jù)相控陣天線的方向圖函數(shù)(5)，可以確定波束在某一方向上的幅值大小

(5)

(6)

由式(6)可得，天線的幅值與天線陣元個(gè)數(shù)n和陣元間距d有關(guān)

2.2相控陣天線的波束指向

(7)

2.3相控陣天線的波束寬度

(8)

化簡(jiǎn)可得波束寬度Δθ3dB為

(9)

由式(9)可得，波束寬度Δθ3 dB與天線的陣元個(gè)數(shù)n以及陣元間距d有關(guān)，當(dāng)兩者乘積一定時(shí)，波束寬度一定。

3相控陣天線參數(shù)仿真驗(yàn)證

上述分析表明天線的波束指向、波束寬度均與天線陣元數(shù)n及相鄰陣元間距d有關(guān)，為探究這兩個(gè)參數(shù)對(duì)相控陣天線波束的影響，使用Matlab軟件對(duì)相控陣天線進(jìn)行仿真，觀察其波束方向性隨陣列個(gè)數(shù)和陣元間距的變化，為便于比較，仿真幅值采用對(duì)固定天線陣列幅值的歸一化系數(shù)來(lái)表示。

3.1天線方向圖與陣元個(gè)數(shù)的關(guān)系

從圖4的仿真結(jié)果可以看出:隨著相控陣天線陣元個(gè)數(shù)的增加，相控陣波束的寬度會(huì)變窄，同時(shí)其增益變大，天線波束方向性變好。但陣元個(gè)數(shù)的增加不可避免地增大了整個(gè)相控陣天線的面積，因此,在應(yīng)用中要選擇合適的個(gè)數(shù)。

圖4　相控陣波束隨陣元個(gè)數(shù)n的變化Fig 4　Phased array beam varies with element number n

3.2天線方向圖與陣元間距的關(guān)系

圖5所示為相控陣波束與陣元間距之間的關(guān)系，從其仿真結(jié)果可以看出:隨著陣元間距的減小，天線波束寬度變大，增益變小，方向性變差。因此，陣元間距越大，陣列天線的性能越好，但是陣元間距增大的同時(shí)也增加了整個(gè)相控陣的面積，因此,相控陣天線陣元間距的選擇也是一個(gè)折衷的過(guò)程。

圖5　相控陣波束隨陣元間距d的變化Fig 5　Phased array beam varies with element space d

對(duì)天線進(jìn)行進(jìn)一步仿真對(duì)比得到圖6，從圖6中可以看出:天線陣元個(gè)數(shù)為10，陣元間距為λ/2時(shí)，其波束寬度和方向性與陣元個(gè)數(shù)為20，陣元間距為λ/4時(shí)相同。這表明，陣元個(gè)數(shù)與陣元間距的乘積不變時(shí)，天線陣列的波束寬度和增益保持不變，即相控陣天線的波束方向性與其整個(gè)陣列的面積有關(guān)。

圖6　相控陣波束與陣元個(gè)數(shù)和陣元間距的關(guān)系Fig 6　Relationship between phased array beam and element number & space

綜合以上仿真結(jié)果可以看出:以上仿真結(jié)果與第2小節(jié)的理論推導(dǎo)結(jié)果相符。

4結(jié)論

本文提出了一種基于相控陣技術(shù)的新型標(biāo)簽，將相控陣天線與射頻無(wú)源標(biāo)簽相結(jié)合，通過(guò)控制相控陣天線的波束指向來(lái)進(jìn)行空間掃描，使無(wú)源標(biāo)簽具有空間定位功能。通過(guò)理論分析與仿真表明：使用相控陣天線的UHFRFID無(wú)源標(biāo)簽與使用固定天線的標(biāo)簽相比，具有更好的方向性和更遠(yuǎn)的工作距離，并且掃描范圍變大，增益顯著提高，同時(shí)改善了UHFRFID系統(tǒng)的抗干擾能力。

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TheoreticalresearchofnewtypepassiveRFIDtagbasedonphasedarraytechnology*

YANGDong,MAOLu-hong,LIMei-ling

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract:Based on basic working principle of passive UHF RFID system,propose a new type tag which intoduces phased array antenna to make the tag has function of positioning and can improve communication distance of UHF RFID system.Theoretical and numerical analysis on parameters of tag phased array antenna is done,for different number of antenna array element and different element space,magnitude and direction parameters of the antenna beam are simulated by Matlab.Simulation results coincide with theoretical analysis.Appropriate parameters of phased array antenna is determined by simulation,which lay theoretical foundation for further study and design.

Key words:radio frequency identification(RFID); passive tags; phased array technology

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0032—03

收稿日期：2015—08—03

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61372011)

中圖分類號(hào)：TN 821

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)04—0032—03

作者簡(jiǎn)介:

楊棟(1992-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯漕l集成電路設(shè)計(jì)、微波與毫米波電路設(shè)計(jì)。