金屬對RFID系統影響研究

　

　　目前，射頻識別以高頻和超高頻的應用最為廣泛。然而，超高頻波段的射頻對環(huán)境比較敏感 ，尤其是金屬，導致目前這種工作頻率的被動(dòng)標簽無(wú)法在具有金屬表面的物體上工作，而射頻識別應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)的應用。本文從讀寫(xiě)器和標簽兩個(gè)方面用理論分析了金屬對RFID系統的影響，并結合了測試和仿真進(jìn)行驗證。

　　1 金屬對讀寫(xiě)器的影響

　

　　當RFID系統應用在金屬環(huán)境中時(shí)，金屬對讀寫(xiě)器的影響主要體現在兩個(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。當由于金屬對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(lái)的電場(chǎng)位相相同時(shí)，那么在這個(gè)位置電場(chǎng)對標簽的感應強度會(huì )增強，可以提高標簽讀取率；當反射電場(chǎng)的相位和原來(lái)的電場(chǎng)相位相反時(shí)，會(huì )抵消，從而降低標簽的讀取率。如圖1所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 反射波與入射波的關(guān)系

　

　　為了對這種影響進(jìn)行測試，設計實(shí)驗如圖2，在讀寫(xiě)器天線(xiàn)的正前方放一個(gè)金屬板，金屬板和讀寫(xiě)器距離固定為2．5 m，讀寫(xiě)器工作于UHF頻段，符合ISO18000--6標準。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 金屬反射測試場(chǎng)景

　

　　改變標簽和讀寫(xiě)器間的距離測試標簽讀取率結果如圖3?？梢钥闯鲈诰嚯x較遠的情況下出現了明顯的讀取空洞。讀寫(xiě)器發(fā)出的電磁波經(jīng)過(guò)2．5 m的衰減后反射，反射波與人射波疊加。但因為衰減，所以反射到讀寫(xiě)器的電磁波不足以和讀寫(xiě)器剛發(fā)出的電磁波相抵消，因此讀寫(xiě)空洞只出現在了距離讀寫(xiě)器較遠的地方。如果標簽正好放置在讀取空洞的地方，則無(wú)法讀取。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 金屬反射的測試結果

　

　　金屬對電磁場(chǎng)還有屏蔽作用。由于電場(chǎng)會(huì )造成金屬內部自由電荷的移動(dòng)，從而損失能量。電磁波能到達金屬內部的深度用趨膚深度表示：

　　假設金屬為鐵(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(wú)法直接穿過(guò)金屬傳播的，會(huì )在金屬的后面留下一個(gè)無(wú)法讀取的區域。當金屬尺寸不是很大時(shí)，這個(gè)區域會(huì )因為電磁波的衍射而變小。為了測試金屬屏蔽的影響，將圖2的金屬板放置到讀寫(xiě)器和標簽之間，分別研究200 mm×200mm和400 mm×400 mm兩個(gè)金屬板，金屬板距離標簽保持1 m。讀取率測試結果如圖4?？梢钥闯?，小金屬板的遮擋范圍比大金屬板小很多，同時(shí)最遠的讀寫(xiě)距離也遠一些。盡管在導體后面的標簽還是有可能讀取到，但在實(shí)際應用中應當盡量避免標簽和讀寫(xiě)器中間出現金屬導體。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 金屬屏蔽的測試結果

　　2 金屬對標簽的影響

　

　　調整圖2的設置，改變標簽和金屬板之間的距離，測試標簽的讀寫(xiě)距離和讀取率，測試結果如圖5。標簽距離金屬很近時(shí)完全無(wú)法讀取，隨著(zhù)距離的增加，讀取率和讀寫(xiě)距離都增加。下面討論造成這種現象的原因。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖5 讀取率和讀寫(xiě)距離測試結果

　

　　當金屬靠近讀寫(xiě)器天線(xiàn)時(shí)，由于電磁感應作用，會(huì )吸收射頻能量轉換成自身的電場(chǎng)能，因此減弱了原有射頻場(chǎng)強的總能量，同時(shí)也會(huì )產(chǎn)生感應磁場(chǎng)，磁力線(xiàn)垂直于金屬表面，使得射頻場(chǎng)強的分布在金屬表面發(fā)生變形，磁力曲線(xiàn)趨于平緩。因此，當標簽貼附在金屬表面或非常接近金屬表面時(shí)，該空間內實(shí)際并無(wú)射頻場(chǎng)強分布，標簽天線(xiàn)無(wú)法切割磁力線(xiàn)而獲得電磁場(chǎng)能量，標簽無(wú)法正常工作。除了對場(chǎng)的影響，金屬還會(huì )使天線(xiàn)失諧。研究一種常用的彎折偶極子天線(xiàn) ，尺寸30 mm×51mm，可以放入標準的識別卡封裝中。使用有限元法仿真，在915 MHz，輸入阻抗29．1+208．9j，符合一般標簽芯片阻抗特征，增益為1．36 dBi，天線(xiàn)結構如圖6

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6 天線(xiàn)結構

　

　　在天線(xiàn)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的方向圖仿真結果如圖7，相距1 mm時(shí)，增益為5．38 dBi，增益很高，但幾乎沒(méi)有輻射場(chǎng)，距離150 mm時(shí)，增益2．45 dBi，輻射場(chǎng)較強?？梢钥闯?，標簽天線(xiàn)和金屬距離很近時(shí)，天線(xiàn)的方向性會(huì )增強。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖7　不同距離的方向圖對比

　

　　改變和金屬的距離引起的輸入阻抗變化仿真結果如圖8。距離金屬越近，天線(xiàn)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，當距離小于10 mm時(shí)，天線(xiàn)阻抗從感性變成了容性?？梢钥闯?，在近距離條件下，彎折偶極子天線(xiàn)完全無(wú)法工作，在大于50 mm后會(huì )有所好轉。

　

　　所以天線(xiàn)附近的金屬會(huì )改變彎折偶極子天線(xiàn)的輸入阻抗，讓標簽失諧，同時(shí)也會(huì )增大天線(xiàn)增益，假如天線(xiàn)的增益增加效應大于天線(xiàn)失諧的影響，那么天線(xiàn)的讀寫(xiě)距離就會(huì )增加，相反會(huì )減小。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖8 金屬距離改變的輸入阻抗變化

　

　　本文通過(guò)理論分析和實(shí)驗測試再結合仿真研究了金屬對RFID系統的影響。金屬對讀寫(xiě)器的場(chǎng)會(huì )有反射和屏蔽的作用，反射會(huì )引起讀寫(xiě)空洞，屏蔽會(huì )使讀取率降低，但并不是完全無(wú)法讀取。標簽放置在金屬附近會(huì )很難接收到讀寫(xiě)器的能量同時(shí)標簽天線(xiàn)的阻抗和增益都會(huì )改變，引起失諧。本文的研究結果可以為在金屬環(huán)境中使用RFID系統提供參考。