射频识别 (RFID) 是一种无线电通信技术, 主要功能是利用无线电讯号识别特定目标并读写相关数据, 对运动或静止的标签进行不接触识别[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。如今RFID技术已广泛应用于医学、军事、物流等众多领域。RFID的通讯距离远, 辨别速度快, 使用时间比其他系统更久, 容量也占优势, 适应环境的能力在通讯中属于上等。与磁卡技术、简单条码相比, RFID技术具有及时通讯的能力。当前, RFID技术在物流领域和供应链中应用广泛, 如物流公司在零部件运输过程中, 供应商通过运输车厢内的电子标签对零部件的状态进行实时跟踪和查询[7], 使物流在运输环节中更加方便安全和快捷;在存储环节中, 利用RFID技术在出入库环节配备射频识别装置, 可以读取到出厂零件的源头信息, 如零件型号、批次等。

RFID系统通常由3部分构成, 即阅读器、电子标签、应用系统, 如图1所示。

图1 天线系统结构   下载原图

阅读器:通过射频信号对电子标签进行读取或写入信息的一种设备, 读出来的标签信息可通过应用系统在本地使用, 也可通过计算机网络系统进行信息传达和整改。

电子标签:存储被识别物体的编码, 通常是把要识别的物体固定住, 通过空中的接口定向协议, 用不接触方式将已存储信息写入或者读出。

应用系统:RFID系统中, 阅读器是通过标准接口, 应用系统与计算机相连, 主要目的是实现数据传输和通信传输的功能。

天线可以实现电磁波和电流信号相互转换。天线的形式有很多种:在系统中, 天线设备有标签天线和阅读器天线2大类。阅读器发射的电磁波务必通过天线形成电磁场, 只有电场覆盖的地方, 标签天线才可识别[8]。天线性能好坏直接影响到系统的工作性能和距离。

在传统的仓储出入库作业中, 大部分依靠人工手动操作, 这种作业模式需要很长时间且易出错, 已经不能满足现代化物流仓储作业的要求。将RFID引入到仓储中, 可实现信息与数据之间的非接触快速传递, 实施物品跟踪, 收集全面信息和实时监控, 从而提高物品的验收效率。对温度也可以实时监控, 缩短在库盘点时间, 提高分拣效率。

偶极子天线又称对称振子, 可定义为“在中间断开并接入馈源的导线”[9], 一般将终端开路的平行双导体张开, 构成偶极子天线。常见的偶极子天线是半波振子天线, 即每个臂长度为1/4波长, 全长为1/2波长。偶极子天线结构如图2所示。

图2 偶极子天线结构   下载原图

分析偶极子天线, 首先要知道其电流分布。对于一个很细的偶极子天线, 此电流按正弦分布为:

其方向图因子为

偶极子天线的辐射电阻可以写为

其中C=0.577 2是欧拉常数, Ci (x) 和Si (x) 是余弦函数和正弦函数的积分, 由式 (4) 给出,

输入电阻可以写为

基于公式给出的理想电流分布, 在不考虑导电线的直径a和馈电处的间隔A的基础上, 得出辐射电阻和输入阻抗。导电线直径对电阻的影响不是很大, 但馈电处的间隔会对天线产生影响, 尤其是当馈电点的电流很小时。

图3所示为2个长度相等的半波振子, 由1根传输线串联馈电而组成“H形”偶极子对。根据传输线基本知识, 当2个偶极子之间的长度约为λg/2 (λg表示传输线的导波长) 时, 2个偶极子上电流存在约为π/2的相位差。实际上由于互耦的影响, 相位差会和π/2稍有偏差[15], 但由于偶极子之间λg/2的间距已经比较大, 互耦对电流相位的影响不明显, 因此忽略了互耦的影响, 而当偶极子间距较小时, 互耦将对电流幅度和相位产生较大的影响。

为了扩大天线的识别区域, 上述的“H形”偶极子对可以拓展为包含多个偶极子的阵列。为了验证其可拓展性并不失一般性, 本文设计了1个三单元串馈偶极子天线, 如图4所示。该天线由3个半波偶极子天线、1条CPS馈线和匹配部分组成[11]。3个偶极子的长度分别为l1、l2和l3, 连接相邻偶极子的CPS的长度为d (半个导波波长λg/2) 。由于该天线的输入电阻比较接近50Ω, 因此本文仅使用1个匹配电容C进行电抗匹配。匹配电容C的大小取决于天线输入电抗的大小。仿真模型的具体结构尺寸见表1。

图3“H型”偶极子对及其理论电流分布   下载原图

表1 模型尺寸     下载原表

图4 天线结构   下载原图

第1步按照具体尺寸画出结构图, 加入电源、电容和馈线。

第2步加入介质板和空气盒子, 设计好坐标和对应的尺寸。

第3步设计金属的边界条件、辐射边界条件。

第4步设计激励方式。

第5步检验参数并保存。

第6步对上述进行仿真。

第7步数据后处理 (查看仿真结果) 。

图5给出了该天线仿真和测试的端口反射系数随频率变化的曲线。由图5可见, 仿真数据与实测数据吻合得较好。该天线具有945 MHz (900～945 MHz) 的带宽 (对于-10 dB端口反射系数) , 这个频段足以覆盖中国RFID的频段 (920～925 MHz) [12]。所以, 该天线满足近场UHF RFID的频带要求。

图5 端口反射系数参考   下载原图

图6给出了该天线的仿真电流分布。相邻单元上的电流方向相反, 形成了2对ODCs, 使得磁场显著增强。

图6 电流分布   下载原图

图7给出了仿真时在相同高度z0=30 mm时基于偶极子反向电流对天线 (a) 和传统偶极子天线 (b) 的识别区域。可以看出:基于偶极子反向电流对天线的识别区域和磁场相较于传统偶极子天线均有明显的增大。

图7 相同高度下的不同磁场分布   下载原图

图8给出该天线仿真三维增益方向图, 图9对应了最大辐射方向和最大增益。由上述仿真结果可知, 加入偶极子反相电流对的天线在磁场增益方面有着明显的提高, 增益高达6.0 dB, 同时在天线的辐射范围也有明显得扩大[13,14,15,16,17]。

图8 三维增益方向   下载原图

图9 最大辐射方向和最大增益   下载原图

本文将偶极子反向电流对天线技术应用到物流仓储管理过程中, 增加了信息采集速度并提高了准确度, 扩大了物流仓储识别区域, 降低了因系统性能缺陷而导致的库存差错, 使企业运作成本降低, 管理更加科学高效。设计的新型阅读器天线, 增加了偶极子对数, 形成反向电流对。仿真结果表明, 该天线具有更好的反射系数、较好的相对带宽和增益。反向电流对的加入增强了天线磁场, 扩大了识别区域, 基本解决了传统偶极子天线存在的识别“盲区”问题, 适用于大型物流仓储管理, 符合现代物流快速发展的趋势。