鄧紅星，趙超男，王 猛

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱 150040）

射頻識(shí)別（RFID）是一種無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)，主要功能是利用無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)運(yùn)動(dòng)或靜止的標(biāo)簽進(jìn)行不接觸識(shí)別［1-15］。如今 RFID技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、物流等眾多領(lǐng)域。RFID的通訊距離遠(yuǎn)，辨別速度快，使用時(shí)間比其他系統(tǒng)更久，容量也占優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)環(huán)境的能力在通訊中屬于上等。與磁卡技術(shù)、簡(jiǎn)單條碼相比，RFID技術(shù)具有及時(shí)通訊的能力。當(dāng)前，RFID技術(shù)在物流領(lǐng)域和供應(yīng)鏈中應(yīng)用廣泛，如物流公司在零部件運(yùn)輸過(guò)程中，供應(yīng)商通過(guò)運(yùn)輸車(chē)廂內(nèi)的電子標(biāo)簽對(duì)零部件的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和查詢(xún)［7］，使物流在運(yùn)輸環(huán)節(jié)中更加方便安全和快捷；在存儲(chǔ)環(huán)節(jié)中，利用RFID技術(shù)在出入庫(kù)環(huán)節(jié)配備射頻識(shí)別裝置，可以讀取到出廠零件的源頭信息，如零件型號(hào)、批次等。

1 RFID天線(xiàn)概述

1.1 RFID天線(xiàn)系統(tǒng)

RFID系統(tǒng)通常由3部分構(gòu)成，即閱讀器、電子標(biāo)簽、應(yīng)用系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 天線(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

閱讀器：通過(guò)射頻信號(hào)對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀取或?qū)懭胄畔⒌囊环N設(shè)備，讀出來(lái)的標(biāo)簽信息可通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)在本地使用，也可通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行信息傳達(dá)和整改。

電子標(biāo)簽：存儲(chǔ)被識(shí)別物體的編碼，通常是把要識(shí)別的物體固定住，通過(guò)空中的接口定向協(xié)議，用不接觸方式將已存儲(chǔ)信息寫(xiě)入或者讀出。

應(yīng)用系統(tǒng)：RFID系統(tǒng)中，閱讀器是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口，應(yīng)用系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相連，主要目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1.2 閱讀器天線(xiàn)基本理論

天線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)電磁波和電流信號(hào)相互轉(zhuǎn)換。天線(xiàn)的形式有很多種：在系統(tǒng)中，天線(xiàn)設(shè)備有標(biāo)簽天線(xiàn)和閱讀器天線(xiàn)2大類(lèi)。閱讀器發(fā)射的電磁波務(wù)必通過(guò)天線(xiàn)形成電磁場(chǎng)，只有電場(chǎng)覆蓋的地方，標(biāo)簽天線(xiàn)才可識(shí)別［8］。天線(xiàn)性能好壞直接影響到系統(tǒng)的工作性能和距離。

1.3 RFID天線(xiàn)與物流倉(cāng)儲(chǔ)

在傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)出入庫(kù)作業(yè)中，大部分依靠人工手動(dòng)操作，這種作業(yè)模式需要很長(zhǎng)時(shí)間且易出錯(cuò)，已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代化物流倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的要求。將RFID引入到倉(cāng)儲(chǔ)中，可實(shí)現(xiàn)信息與數(shù)據(jù)之間的非接觸快速傳遞，實(shí)施物品跟蹤，收集全面信息和實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提高物品的驗(yàn)收效率。對(duì)溫度也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，縮短在庫(kù)盤(pán)點(diǎn)時(shí)間，提高分揀效率。

2 偶極子反向電流對(duì)天線(xiàn)基本理論

偶極子天線(xiàn)又稱(chēng)對(duì)稱(chēng)振子，可定義為“在中間斷開(kāi)并接入饋源的導(dǎo)線(xiàn)”［9］，一般將終端開(kāi)路的平行雙導(dǎo)體張開(kāi)，構(gòu)成偶極子天線(xiàn)。常見(jiàn)的偶極子天線(xiàn)是半波振子天線(xiàn)，即每個(gè)臂長(zhǎng)度為1／4波長(zhǎng)，全長(zhǎng)為1／2波長(zhǎng)。偶極子天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 偶極子天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

分析偶極子天線(xiàn)，首先要知道其電流分布。對(duì)于一個(gè)很細(xì)的偶極子天線(xiàn)，此電流按正弦分布為：

偶極子天線(xiàn)的輻射電阻可以寫(xiě)為

其中 C＝0.577 2是歐拉常數(shù)，Ci（x）和 Si（x）是余弦函數(shù)和正弦函數(shù)的積分，由式（4）給出，

輸入電阻可以寫(xiě)為

基于公式給出的理想電流分布，在不考慮導(dǎo)電線(xiàn)的直徑a和饋電處的間隔A的基礎(chǔ)上，得出輻射電阻和輸入阻抗。導(dǎo)電線(xiàn)直徑對(duì)電阻的影響不是很大，但饋電處的間隔會(huì)對(duì)天線(xiàn)產(chǎn)生影響，尤其是當(dāng)饋電點(diǎn)的電流很小時(shí)。

3 偶極子反向電流對(duì)閱讀器天線(xiàn)設(shè)計(jì)與仿真

3.1 確定天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖3所示為2個(gè)長(zhǎng)度相等的半波振子，由1根傳輸線(xiàn)串聯(lián)饋電而組成“H形”偶極子對(duì)。根據(jù)傳輸線(xiàn)基本知識(shí)，當(dāng)2個(gè)偶極子之間的長(zhǎng)度約為λg／2（λg表示傳輸線(xiàn)的導(dǎo)波長(zhǎng)）時(shí)，2個(gè)偶極子上電流存在約為π／2的相位差。實(shí)際上由于互耦的影響，相位差會(huì)和 π／2稍有偏差［15］，但由于偶極子之間λg／2的間距已經(jīng)比較大，互耦對(duì)電流相位的影響不明顯，因此忽略了互耦的影響，而當(dāng)偶極子間距較小時(shí)，互耦將對(duì)電流幅度和相位產(chǎn)生較大的影響。

為了擴(kuò)大天線(xiàn)的識(shí)別區(qū)域，上述的“H形”偶極子對(duì)可以拓展為包含多個(gè)偶極子的陣列。為了驗(yàn)證其可拓展性并不失一般性，本文設(shè)計(jì)了1個(gè)三單元串饋偶極子天線(xiàn)，如圖4所示。該天線(xiàn)由3個(gè)半波偶極子天線(xiàn)、1條CPS饋線(xiàn)和匹配部分組成［11］。3個(gè)偶極子的長(zhǎng)度分別為 l1、l2和 l3，連接相鄰偶極子的 CPS的長(zhǎng)度為 d（半個(gè)導(dǎo)波波長(zhǎng)λg／2）。由于該天線(xiàn)的輸入電阻比較接近50Ω，因此本文僅使用1個(gè)匹配電容C進(jìn)行電抗匹配。匹配電容C的大小取決于天線(xiàn)輸入電抗的大小。仿真模型的具體結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

圖3 “H型”偶極子對(duì)及其理論電流分布

表1 模型尺寸

圖4 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

3.2 天線(xiàn)仿真設(shè)計(jì)流程

第1步按照具體尺寸畫(huà)出結(jié)構(gòu)圖，加入電源、電容和饋線(xiàn)。

第2步加入介質(zhì)板和空氣盒子，設(shè)計(jì)好坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的尺寸。

第3步設(shè)計(jì)金屬的邊界條件、輻射邊界條件。

第4步設(shè)計(jì)激勵(lì)方式。

第5步檢驗(yàn)參數(shù)并保存。

第6步對(duì)上述進(jìn)行仿真。

第7步數(shù)據(jù)后處理（查看仿真結(jié)果）。

3.3 天線(xiàn)仿真結(jié)果分析

圖5給出了該天線(xiàn)仿真和測(cè)試的端口反射系數(shù)隨頻率變化的曲線(xiàn)。由圖5可見(jiàn)，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合得較好。該天線(xiàn)具有945 MHz（900～945 MHz）的帶寬（對(duì)于 -10 dB端口反射系數(shù)），這個(gè)頻段足以覆蓋中國(guó) RFID的頻段（920～925 MHz）［12］。所以，該天線(xiàn)滿(mǎn)足近場(chǎng) UHF RFID的頻帶要求。

圖5 端口反射系數(shù)參考

圖6 給出了該天線(xiàn)的仿真電流分布。相鄰單元上的電流方向相反，形成了2對(duì)ODCs，使得磁場(chǎng)顯著增強(qiáng)。

圖6 電流分布

圖7 給出了仿真時(shí)在相同高度z0＝30 mm時(shí)基于偶極子反向電流對(duì)天線(xiàn)（a）和傳統(tǒng)偶極子天線(xiàn)（b）的識(shí)別區(qū)域?？梢钥闯觯夯谂紭O子反向電流對(duì)天線(xiàn)的識(shí)別區(qū)域和磁場(chǎng)相較于傳統(tǒng)偶極子天線(xiàn)均有明顯的增大。

圖7 相同高度下的不同磁場(chǎng)分布

圖8 給出該天線(xiàn)仿真三維增益方向圖，圖9對(duì)應(yīng)了最大輻射方向和最大增益。由上述仿真結(jié)果可知，加入偶極子反相電流對(duì)的天線(xiàn)在磁場(chǎng)增益方面有著明顯的提高，增益高達(dá)6.0 dB，同時(shí)在天線(xiàn)的輻射范圍也有明顯得擴(kuò)大［13-17］。

圖8 三維增益方向

圖9 最大輻射方向和最大增益

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將偶極子反向電流對(duì)天線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用到物流倉(cāng)儲(chǔ)管理過(guò)程中，增加了信息采集速度并提高了準(zhǔn)確度，擴(kuò)大了物流倉(cāng)儲(chǔ)識(shí)別區(qū)域，降低了因系統(tǒng)性能缺陷而導(dǎo)致的庫(kù)存差錯(cuò)，使企業(yè)運(yùn)作成本降低，管理更加科學(xué)高效。設(shè)計(jì)的新型閱讀器天線(xiàn)，增加了偶極子對(duì)數(shù)，形成反向電流對(duì)。仿真結(jié)果表明，該天線(xiàn)具有更好的反射系數(shù)、較好的相對(duì)帶寬和增益。反向電流對(duì)的加入增強(qiáng)了天線(xiàn)磁場(chǎng)，擴(kuò)大了識(shí)別區(qū)域，基本解決了傳統(tǒng)偶極子天線(xiàn)存在的識(shí)別“盲區(qū)”問(wèn)題，適用于大型物流倉(cāng)儲(chǔ)管理，符合現(xiàn)代物流快速發(fā)展的趨勢(shì)。