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射頻識別 (RFID) 是一種無線電通信技術, 主要功能是利用無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據, 對運動或靜止的標簽進行不接觸識別[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。如今RFID技術已廣泛應用于醫學、軍事、物流等眾多領域。RFID的通訊距離遠, 辨別速度快, 使用時間比其他系統更久, 容量也占優勢, 適應環境的能力在通訊中屬于上等。與磁卡技術、簡單條碼相比, RFID技術具有及時通訊的能力。當前, RFID技術在物流領域和供應鏈中應用廣泛, 如物流公司在零部件運輸過程中, 供應商通過運輸車廂內的電子標簽對零部件的狀態進行實時跟蹤和查詢[7], 使物流在運輸環節中更加方便安全和快捷;在存儲環節中, 利用RFID技術在出入庫環節配備射頻識別裝置, 可以讀取到出廠零件的源頭信息, 如零件型號、批次等。

RFID系統通常由3部分構成, 即閱讀器、電子標簽、應用系統, 如圖1所示。

圖1 天線系統結構  下載原圖

閱讀器:通過射頻信號對電子標簽進行讀取或寫入信息的一種設備, 讀出來的標簽信息可通過應用系統在本地使用, 也可通過計算機網絡系統進行信息傳達和整改。

電子標簽:存儲被識別物體的編碼, 通常是把要識別的物體固定住, 通過空中的接口定向協議, 用不接觸方式將已存儲信息寫入或者讀出。

應用系統:RFID系統中, 閱讀器是通過標準接口, 應用系統與計算機相連, 主要目的是實現數據傳輸和通信傳輸的功能。

天線可以實現電磁波和電流信號相互轉換。天線的形式有很多種:在系統中, 天線設備有標簽天線和閱讀器天線2大類。閱讀器發射的電磁波務必通過天線形成電磁場, 只有電場覆蓋的地方, 標簽天線才可識別[8]。天線性能好壞直接影響到系統的工作性能和距離。

在傳統的倉儲出入庫作業中, 大部分依靠人工手動操作, 這種作業模式需要很長時間且易出錯, 已經不能滿足現代化物流倉儲作業的要求。將RFID引入到倉儲中, 可實現信息與數據之間的非接觸快速傳遞, 實施物品跟蹤, 收集全面信息和實時監控, 從而提高物品的驗收效率。對溫度也可以實時監控, 縮短在庫盤點時間, 提高分揀效率。

偶極子天線又稱對稱振子, 可定義為“在中間斷開并接入饋源的導線”[9], 一般將終端開路的平行雙導體張開, 構成偶極子天線。常見的偶極子天線是半波振子天線, 即每個臂長度為1/4波長, 全長為1/2波長。偶極子天線結構如圖2所示。

圖2 偶極子天線結構  下載原圖

分析偶極子天線, 首先要知道其電流分布。對于一個很細的偶極子天線, 此電流按正弦分布為:

其方向圖因子為

偶極子天線的輻射電阻可以寫為

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

輸入電阻可以寫為

基于公式給出的理想電流分布, 在不考慮導電線的直徑a和饋電處的間隔A的基礎上, 得出輻射電阻和輸入阻抗。導電線直徑對電阻的影響不是很大, 但饋電處的間隔會對天線產生影響, 尤其是當饋電點的電流很小時。

圖3所示為2個長度相等的半波振子, 由1根傳輸線串聯饋電而組成“H形”偶極子對。根據傳輸線基本知識, 當2個偶極子之間的長度約為λg/2 (λg表示傳輸線的導波長) 時, 2個偶極子上電流存在約為π/2的相位差。實際上由于互耦的影響, 相位差會和π/2稍有偏差[15], 但由于偶極子之間λg/2的間距已經比較大, 互耦對電流相位的影響不明顯, 因此忽略了互耦的影響, 而當偶極子間距較小時, 互耦將對電流幅度和相位產生較大的影響。

為了擴大天線的識別區域, 上述的“H形”偶極子對可以拓展為包含多個偶極子的陣列。為了驗證其可拓展性并不失一般性, 本文設計了1個三單元串饋偶極子天線, 如圖4所示。該天線由3個半波偶極子天線、1條CPS饋線和匹配部分組成[11]。3個偶極子的長度分別為l1、l2和l3, 連接相鄰偶極子的CPS的長度為d (半個導波波長λg/2) 。由于該天線的輸入電阻比較接近50Ω, 因此本文僅使用1個匹配電容C進行電抗匹配。匹配電容C的大小取決于天線輸入電抗的大小。仿真模型的具體結構尺寸見表1。

圖3“H型”偶極子對及其理論電流分布  下載原圖

表1 模型尺寸  下載原圖

圖4 天線結構  下載原圖

第1步按照具體尺寸畫出結構圖, 加入電源、電容和饋線。

第2步加入介質板和空氣盒子, 設計好坐標和對應的尺寸。

第3步設計金屬的邊界條件、輻射邊界條件。

第4步設計激勵方式。

第5步檢驗參數并保存。

第6步對上述進行仿真。

第7步數據后處理 (查看仿真結果) 。

圖5給出了該天線仿真和測試的端口反射系數隨頻率變化的曲線。由圖5可見, 仿真數據與實測數據吻合得較好。該天線具有945 MHz (900～945 MHz) 的帶寬 (對于-10 dB端口反射系數) , 這個頻段足以覆蓋中國RFID的頻段 (920～925 MHz) [12]。所以, 該天線滿足近場UHF RFID的頻帶要求。

圖5 端口反射系數參考  下載原圖

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

圖6 電流分布  下載原圖

圖7給出了仿真時在相同高度z0=30 mm時基于偶極子反向電流對天線 (a) 和傳統偶極子天線 (b) 的識別區域。可以看出:基于偶極子反向電流對天線的識別區域和磁場相較于傳統偶極子天線均有明顯的增大。

圖7 相同高度下的不同磁場分布  下載原圖

圖8給出該天線仿真三維增益方向圖, 圖9對應了最大輻射方向和最大增益。由上述仿真結果可知, 加入偶極子反相電流對的天線在磁場增益方面有著明顯的提高, 增益高達6.0 dB, 同時在天線的輻射范圍也有明顯得擴大[13,14,15,16,17]。

圖8 三維增益方向  下載原圖

圖9 最大輻射方向和最大增益  下載原圖

本文將偶極子反向電流對天線技術應用到物流倉儲管理過程中, 增加了信息采集速度并提高了準確度, 擴大了物流倉儲識別區域, 降低了因系統性能缺陷而導致的庫存差錯, 使企業運作成本降低, 管理更加科學高效。設計的新型閱讀器天線, 增加了偶極子對數, 形成反向電流對。仿真結果表明, 該天線具有更好的反射系數、較好的相對帶寬和增益。反向電流對的加入增強了天線磁場, 擴大了識別區域, 基本解決了傳統偶極子天線存在的識別“盲區”問題, 適用于大型物流倉儲管理, 符合現代物流快速發展的趨勢。