金屬對(duì)RFID系統(tǒng)影響研究
文章出處：http://xianjuhong.com 作者：鄔明罡 李書芳 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月14日
射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是一種無接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用電磁波實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)識(shí)別?，F(xiàn)階段，RFID 技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。
目前，射頻識(shí)別以高頻和超高頻的應(yīng)用最為廣泛。然而，超高頻波段的射頻對(duì)環(huán)境比較敏感 ，尤其是金屬，導(dǎo)致目前這種工作頻率的被動(dòng)標(biāo)簽無法在具有金屬表面的物體上工作，而射頻識(shí)別應(yīng)用最為廣泛的物流行業(yè)多為金屬環(huán)境，所以金屬敏感性這一缺點(diǎn)大大限制了其在物流行業(yè)的應(yīng)用。本文從讀寫器和標(biāo)簽兩個(gè)方面用理論分析了金屬對(duì)RFID系統(tǒng)的影響，并結(jié)合了測(cè)試和仿真進(jìn)行驗(yàn)證。
1 金屬對(duì)讀寫器的影響
當(dāng)RFID系統(tǒng)應(yīng)用在金屬環(huán)境中時(shí)，金屬對(duì)讀寫器的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：反射性和屏蔽性 。
電磁波在入射到金屬上時(shí)，會(huì)有很大部分被反射，反射波和入射波的相位相反。當(dāng)由于金屬對(duì)電磁波的反射作用所產(chǎn)生的電場(chǎng)在某一位置剛好和原來的電場(chǎng)位相相同時(shí)，那么在這個(gè)位置電場(chǎng)對(duì)標(biāo)簽的感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)，可以提高標(biāo)簽讀取率；當(dāng)反射電場(chǎng)的相位和原來的電場(chǎng)相位相反時(shí)，會(huì)抵消，從而降低標(biāo)簽的讀取率。如圖1所示。
圖1 反射波與入射波的關(guān)系
為了對(duì)這種影響進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖2，在讀寫器天線的正前方放一個(gè)金屬板，金屬板和讀寫器距離固定為2．5 m，讀寫器工作于UHF頻段，符合ISO18000--6標(biāo)準(zhǔn)。
圖2 金屬反射測(cè)試場(chǎng)景
改變標(biāo)簽和讀寫器間的距離測(cè)試標(biāo)簽讀取率結(jié)果如圖3?？梢钥闯鲈诰嚯x較遠(yuǎn)的情況下出現(xiàn)了明顯的讀取空洞。讀寫器發(fā)出的電磁波經(jīng)過2．5 m的衰減后反射，反射波與人射波疊加。但因?yàn)樗p，所以反射到讀寫器的電磁波不足以和讀寫器剛發(fā)出的電磁波相抵消，因此讀寫空洞只出現(xiàn)在了距離讀寫器較遠(yuǎn)的地方。如果標(biāo)簽正好放置在讀取空洞的地方，則無法讀取。
圖3 金屬反射的測(cè)試結(jié)果
金屬對(duì)電磁場(chǎng)還有屏蔽作用。由于電場(chǎng)會(huì)造成金屬內(nèi)部自由電荷的移動(dòng)，從而損失能量。電磁波能到達(dá)金屬內(nèi)部的深度用趨膚深度表示：
假設(shè)金屬為鐵(K =1．06×106S／m,μ=300)，在868 MHz頻率下，趨膚深度為2．2 μm，所以在一般情況下，電磁波是無法直接穿過金屬傳播的，會(huì)在金屬的后面留下一個(gè)無法讀取的區(qū)域。當(dāng)金屬尺寸不是很大時(shí)，這個(gè)區(qū)域會(huì)因?yàn)殡姶挪ǖ难苌涠冃?。為了測(cè)試金屬屏蔽的影響，將圖2的金屬板放置到讀寫器和標(biāo)簽之間，分別研究200 mm×200mm和400 mm×400 mm兩個(gè)金屬板，金屬板距離標(biāo)簽保持1 m。讀取率測(cè)試結(jié)果如圖4?？梢钥闯?，小金屬板的遮擋范圍比大金屬板小很多，同時(shí)最遠(yuǎn)的讀寫距離也遠(yuǎn)一些。盡管在導(dǎo)體后面的標(biāo)簽還是有可能讀取到，但在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)盡量避免標(biāo)簽和讀寫器中間出現(xiàn)金屬導(dǎo)體。
圖4 金屬屏蔽的測(cè)試結(jié)果
2 金屬對(duì)標(biāo)簽的影響
調(diào)整圖2的設(shè)置，改變標(biāo)簽和金屬板之間的距離，測(cè)試標(biāo)簽的讀寫距離和讀取率，測(cè)試結(jié)果如圖5。標(biāo)簽距離金屬很近時(shí)完全無法讀取，隨著距離的增加，讀取率和讀寫距離都增加。下面討論造成這種現(xiàn)象的原因。
圖5 讀取率和讀寫距離測(cè)試結(jié)果
當(dāng)金屬靠近讀寫器天線時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用，會(huì)吸收射頻能量轉(zhuǎn)換成自身的電場(chǎng)能，因此減弱了原有射頻場(chǎng)強(qiáng)的總能量，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，磁力線垂直于金屬表面，使得射頻場(chǎng)強(qiáng)的分布在金屬表面發(fā)生變形，磁力曲線趨于平緩。因此，當(dāng)標(biāo)簽貼附在金屬表面或非常接近金屬表面時(shí)，該空間內(nèi)實(shí)際并無射頻場(chǎng)強(qiáng)分布，標(biāo)簽天線無法切割磁力線而獲得電磁場(chǎng)能量，標(biāo)簽無法正常工作。除了對(duì)場(chǎng)的影響，金屬還會(huì)使天線失諧。研究一種常用的彎折偶極子天線 ，尺寸30 mm×51mm，可以放入標(biāo)準(zhǔn)的識(shí)別卡封裝中。使用有限元法仿真，在915 MHz，輸入阻抗29．1+208．9j，符合一般標(biāo)簽芯片阻抗特征，增益為1．36 dBi，天線結(jié)構(gòu)如圖6
圖6 天線結(jié)構(gòu)
在天線旁邊平行放置一個(gè)200 mm×200 mm的金屬板。與金屬板相距1 mm和150 mm的方向圖仿真結(jié)果如圖7，相距1 mm時(shí)，增益為5．38 dBi，增益很高，但幾乎沒有輻射場(chǎng)，距離150 mm時(shí)，增益2．45 dBi，輻射場(chǎng)較強(qiáng)?？梢钥闯觯瑯?biāo)簽天線和金屬距離很近時(shí)，天線的方向性會(huì)增強(qiáng)。
圖7 不同距離的方向圖對(duì)比
改變和金屬的距離引起的輸入阻抗變化仿真結(jié)果如圖8。距離金屬越近，天線的輸入阻抗實(shí)部越小，在小于1 mm的情況下幾乎為0；而虛部在距離大于40 mm時(shí)，隨距離增加而減小，在小于40mm的時(shí)，虛部隨距離減小而減小，而且變化速度很快，當(dāng)距離小于10 mm時(shí)，天線阻抗從感性變成了容性?？梢钥闯觯诮嚯x條件下，彎折偶極子天線完全無法工作，在大于50 mm后會(huì)有所好轉(zhuǎn)。
所以天線附近的金屬會(huì)改變彎折偶極子天線的輸入阻抗，讓標(biāo)簽失諧，同時(shí)也會(huì)增大天線增益，假如天線的增益增加效應(yīng)大于天線失諧的影響，那么天線的讀寫距離就會(huì)增加，相反會(huì)減小。
3 結(jié)論
圖8 金屬距離改變的輸入阻抗變化
本文通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試再結(jié)合仿真研究了金屬對(duì)RFID系統(tǒng)的影響。金屬對(duì)讀寫器的場(chǎng)會(huì)有反射和屏蔽的作用，反射會(huì)引起讀寫空洞，屏蔽會(huì)使讀取率降低，但并不是完全無法讀取。標(biāo)簽放置在金屬附近會(huì)很難接收到讀寫器的能量同時(shí)標(biāo)簽天線的阻抗和增益都會(huì)改變，引起失諧。本文的研究結(jié)果可以為在金屬環(huán)境中使用RFID系統(tǒng)提供參考。
(北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院 鄔明罡 李書芳)
