UHF RFID台式阅读器天线：近场区域性能分析外文翻译资料

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UHF RFID台式阅读器天线：近场区域性能分析

IEEE学生会员Andrea Michel和IEEE会员Paolo Nepa

摘要：本文提出了一种通过数值分析定性预测近场UHF-RFID（865-928MHz）台式读写器天线的可实现读写性能的指标。具体来说，由于典型的远场天线参数（增益、辐射方向图、轴比）在近场区域无效，本文将归一化功率密度作为近场天线性能参数。对于一个给定的近场天线，在一组不同距离的平行于天线表面的区域上计算归一化功率密度的平均值。然后，研究其衰减率与距天线表面的距离的函数关系，有助于比较不同天线布局的读取范围性能。此外，还考虑了在天线表面一定距离处归一化功率密度的概率密度函数来研究场均匀性特性，后者对于确保标签在读卡器天线上的位置独立读取具有重要意义。将所提出的分析方法应用于一套近场UHF RFID印刷天线，并通过一套实验测试验证了结论的正确性。

关键词：近场天线特性，近场耦合，近场超高频射频识别系统，超高频射频识别阅读器天线

1. 引言

近场射频识别系统在制药和零售业中广泛应用于产品级标签^[1]。由于在近场应用中，标签检测必须限制在靠近天线表面的指定受限体内，因此需要适当的读卡器天线设计。现已提出了许多针对近场UHF-RFID读写器天线的解决方案，例如，在超高频和微波（例如2.4 GHz）频段的贴片阵列^[2]、带状线^[2]或槽线^[4]。已经提出的分段环路天线^[5]-[8]在物理大环路中获得几乎恒定的电流分布，其中连续的环路段由集中式^[5]或分布式^[6]-[8]电容元件连接。近期已经提出用于近场UHF-RFID系统的行波天线^[8]-[13]。由于辐射传输线的长度和形状与工作频率（非共振结构）没有严格的关系，因此可以很容易地改变行波天线的大小，以符合读卡器访问空间的要求。

在这种情况下，微带线技术被应用广泛^[8]-[10]。在文献[11]中还提出了一种直共面带状线。在文献[12]和[13]中，作者分别提出了基于共面波导（CPW）技术的单弯曲线和弯曲2times;2阵列。此外，为了将标签的可读性扩展到距离天线表面几十厘米处，作者在文献[14]和[15]中引入了模块化天线概念。模块化天线包括一个行波天线和一个低增益谐振天线，它们组合在一起以满足无功和辐射天线近场区域中辐射场的空间衰减率和振幅的特定要求。

典型的远场天线参数不能有效地描述近场天线，它们与天线的距离无关。另一方面，近场天线的任何特性都严格与天线表面的距离有关。此外，在近场区域，径向场分量是不可忽略的，在某些设计中，当使用平行于天线表面的环形标签（例如文献[11]）时，甚至可以最大限度地增加电感耦合。在这种情况下，需要寻找一种能通过可靠的天线近场数值模拟计算出的天线参数，这也与读卡器的检测性能有关。

本文以功率密度（波印廷矢量实部的振幅）为参数，通过对读卡器天线附近选定空间内的电场和磁场的数值分析，定性地预测台式读卡器天线的可实现读取性能。在第二章中，讨论了这个参数，并给出了一组科学文献中已经给出的台式阅读器天线的模拟结果。具体来说，功率密度平均值随天线表面距离的变化提供了与读卡器读取范围性能相关的场振幅衰减率的定性估计。此外，功率密度的概率密度函数允许估计特定区域的场分布均匀性，这与天线表面存在低场区域导致漏读事件的概率有关。需要强调的是，本研究并非旨在描述一个完整的近场射频识别系统，主要是提出一个指标来比较不同的读卡器天线解决方案，而不限制标签类型、场景或读卡器设置。在第三章中，使用商用UHF-RFID装置进行标签检测测量，以证明功率密度数值分析在定性评估近场UHF-RFID阅读器天线性能方面的有效性。

1. 近场天线性能分析

考虑一种适用于UHF-RFID台式阅读器的天线的典型布局，该天线由一个尺寸为或稍小的低剖平面天线组成（是UHF-RFID波段的自由空间波长）。然后，如果标签应该位于距离天线表面小于10–15 cm的位置，则很明显，现场观测点位于天线近场区域。在这个区域，所有的场分量都被激发。特别是可以合理地将磁场视为最大化的关键参数，以提高对环形或螺旋状标签（电感耦合）的检测，如文献[10]和[11]中所述。同样地，在文献[2]、[4]和[9]中，要考虑电场分布，因为它与偶极子标签（电容耦合）的检测有关。尽管如此，一些商用超高频射频识别标签的特点是混合布局，对于这些标签，电场和磁场密度相当，电场和磁场都是标签耦合的原因。为了考虑近场读卡器天线辐射电场和磁场的近场特性，本文提出了归一化功率密度（NPD）作为比较不同读卡器天线布局的参数

(1)

在（1）中，E和H分别是电场和磁场矢量场，是天线输入功率，是读卡器天线表面的几何面积。分子表示坡印廷矢量的实部的欧几里德范数，分母代表天线输入功率与其几何面积的比值。具体来说，分母表示理想情况下天线表面的功率密度，在理想情况下，天线能够将输入功率均匀地分布在整个表面上。从某种意义上说，归一化功率密度可以被认为是将远场天线增益参数扩展到用于近场天线，并且它适合于比较具有不同尺寸的天线。最后，E和H的场分量都包含在（1）中。

举例来说，对文献[12]-[14]中提出的三种天线布局进行了归一化功率密度的数值分析。特别是在文献[12]中介绍的天线由基于CPW技术的单线弯曲TWA组成，由于其布局被称为蛇形天线。然后，在文献[13]中描述的天线由一个2times;2的弯曲的TWA阵列组成，这些TWA被适当地馈送，将场限制在接近读卡器天线中心区域的范围内。最后，在文献[14]中提出的模块化天线由一条螺旋微带线组成，该微带线串行地馈送两个小型圆极化贴片天线阵列。作为参考，还考虑了标准圆极化（CP）谐振贴片天线。利用CST微波工作室对所有天线进行了仿真。在距离天线表面（最多20厘米）的不同距离上计算出了电场和磁场矢量场，网格观测点之间的距离选择为1 mm。因此，已经对电场和磁场进行了处理，以评估每个点的NPD[(1)]。考虑到在RFID读卡器中实现跳频以专门克服干扰问题的事实，已经在902-928MHz之间的频率范围内计算了NPD值，步长为2MHz。对于三种近场天线配置^[12]-[14]，NPD的平均值是通过对与读卡器天线尺寸（275times;135mm²）一致的选定区域内()不同频率下计算的值进行平均计算得出的，该区域与天线表面的距离一致。对于CP谐振方形贴片，考虑了与地平面尺寸相对应的160times;160mm²的方形区域。在图1中，平均NPD是作为距离函数绘制的。

图1 考虑到所有天线配置的平均归一化功率密度（相对于天线表面的距离）。文献[12]–[14]中的面积275times;136mm²和CP贴片的面积160times;160mm²，以及902-928MHz之间的一组频率（频率步长为2MHz），对归一化功率密度进行了平均。

正如预期的那样，对于蛇形天线^[12]和TWAS阵列^[13]平均NPD随着距天线表面距离的增加而迅速减小，曲线斜率为30 dB/decade。也就是说，辐射场在天线表面附近最大化，但在远离天线表面时，辐射场会急剧减小。另一方面CP贴片天线的曲线显示，相对于蛇形天线和TWAS阵列，振幅降低较慢，因此允许检测大量标签，然而靠近读卡器表面平均NPD明显较低。模块化天线为RFID读卡器系统提供更多功能，具体来说，它允许接近读卡器表面的NPD相对较高，但它的衰减速度比蛇形天线和TWAS阵列天线慢，因此即使在天线辐射近场区域也显示出相对较高的场振幅。

近场UHF-RFID读卡器的天线必须在整个询问区域（即读卡器天线表面）显示尽可能均匀的场分布，以避免遗漏读数（假阴性）。通过考虑NPD的概率密度函数（PDF）可以评估场分布均匀度水平。具体地说，通过计算天线表面指定距离处几何表面上一组测试点的NPD，可以生成一条PDF曲线。在图2中，上述四种天线配置的PDF曲线显示在距离天线表面0.5和20 cm处。

图2 在距离天线表面（a）0.5和（b）20 cm处，在[12]–[14]275times;136mm²和CP贴片的160times;160mm²面积内计算的归一化功率密度的概率密度函数。这些曲线是通过902-928MHz（2MHz步长）范围内不同频率下计算的值得到的。

图2（a）中的曲线是通过在天线表面上方0.5 cm处的网格上评估（1）得到的。阴极保护贴片的曲线表明表面的场分布不如其他配置均匀。此外，如图1所示，贴片的NPD平均低于与其他配置相关的NPD。此外，通过将距天线表面的距离增加到20 cm[图2(b)]，NPD分布在所有天线配置中趋于均匀，正如预期的那样，因为辐射场接近球面波行为。对于蛇形天线和TWAS阵列，平均值低于模块化天线和CP贴片天线，这是预期的结果，因为它们具有较低的远场增益。

1. 测试结果

为了验证NPD数值分析对近场UHF RFID阅读器天线性能的定性评估的有效性，已经使用第二章中考虑的所有四种天线配置进行了标签检测试验。标签检测测试已经用商用超高频射频识别阅读器（CAEN R430P–ion）完成，输入功率等于200mW，在联邦通信委员会射频识别波段（902–928MHz），并启用跳频功能。标签LAB ID嵌体UH113（18times;32mm²）已被使用，这是一个小型标签，由折叠偶极子和一个环组成^[16]。平行于天线的矩形试验表面被细分为3times;5个单元。通过改变标签与天线表面的距离，在每个单元中重复检测测试。通过考虑标签阅读器天线距离等于0（标签直接放置在天线表面）、3、6和10 cm，检测测试结果如图3所示。测量结果证实了第二章所示NPD数值分析的预期读数性能。如图1所示，蛇形天线[图3{a)]和弯曲的TWAS阵列[图3(b)]的场衰减率更高，因此在小于3cm的距离处显示出令人满意的标签检测，同时快速读取性能下降超过该限值。另一方面，对于模块化天线[图3(c)]和CP贴片[图3(d)]，场衰减率较低（图1），使读取性能达到10 cm及以上。此外，当标签直接放置在天线表面上方时（图3（d）），图2所示的阴极保护贴片的场分布均匀性较差，这是由于读取性能较差所致。相反，对于为近场台式读卡器专门设计的其他天线，可以检测放置在天线表面上的标签，而不管其具体位置如何，如图2中相应的PDF曲线所预测的那样。

图3 （a）蛇形天线，（b）曲折TWAS阵列，（c）模块化天线和（d）CP贴片的标签检测测试。通过改变标签相对于天线表面的距离和位置，使用了UH113标签。

在传统的远场超高频射频识别系统中，对于给定的一组读卡器天线和标签，可以通过一个已知的简单链路预算方程来估计其读取范围。显然，在近场超高频射频识别系统中，NPD不能用于分析计算给定的RFID芯片灵敏度和读卡器输出功率的读取范围。尽管如此，这里已经表明，NPD数值数据至少可用于定性预测近场阅读器天线的预期性能，以及一组不同天线布局之间的比较程序，作为耗时的实验读数测量或全波数值模拟的替代方法。由读卡器和标签天线组成的电磁系统的相互关系。虽然测量和全波模拟都可以提供更精确的性能估计，但是它们的采用不可避免地需要对标签拓扑进行特定的选择。因此，将性能分析结果扩展到其他标签，而无需额外的测量或全波模拟，不可避免地会引入与基于建议的NPD数值分析的程序所接受的不确定性相同的顺序。

1. 总结

提出了功率密度（坡印廷矢量部的欧几里德范数）作为一种度量，用以数值评估近场UHF-RFID天线的性能。为了在不同尺寸的读卡器天线之间进行性能比较，已经包括了适当的归一化因子。归一化功率密度的空间衰减率给出了与天线表面距离相关的预期读取性能行为的信息。此外，它的概率密度函数适用于定性估计读卡器天线表面与低场区相关的漏读概率。对于近场超高频射频识别（UHF-RFID）应用以及标准谐振贴片天线，公开文献中给出了三个天线的数值结果。通过一个超高频射频识别装置的测量结果表明，NPD数值数据可用于定性预测纳滤光器天线的性能，无论标签拓扑结构如何也可用于一组不同天线布局之间的比较程序。NPD数值分析可以有效地替代耗时的实验读数测量或对由读卡器和标签天线组成的整个电磁系统进行全波数值模拟。

最后，值得注意的是，本文所提出的功率密度分析方法也可应用于低剖面近场超高频射频识别（UHF-RFID）读写器天线，将其集成到货架、抽屉、门禁系统中等。

致谢

作者想感谢CAEN RFID S.R.L.提供技术支持和测量设备。

参考文献

1. P. V. Nikitin, K. V. S. Rao, and S. Lazar, “An overview of near field UHF RFID,” in Proc. IEEE Int. Conf. RFID, Mar. 26–28, 2007, pp. 167–174.
2. A. Buffi, A. A. Serra, P. Nepa, H.-T. Chou, and G. Manara, “A focused planar microstrip array for 2.4 GHz RFID readers,” IEEE Trans. An- tennas Propag., vol. 58, no. 5, pp. 1536–1544, May 2010.
3. A. S. Andrenko, “Optimized near-field antenna for UHF

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