金属对RFID系统影响研究

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  射频识别(RFID)技术是一种无接触自动识别技术,它利用电磁波实现物品的自动识别。现阶段,RFID 技术已经在很多领域发挥了重要的作用。
 
  目前,射频识别以高频和超高频的应用最为广泛。然而,超高频波段的射频对环境比较敏感 ,尤其是金属,导致目前这种工作频率的被动标签无法在具有金属表面的物体上工作,而射频识别应用最为广泛的物流行业多为金属环境,所以金属敏感性这一缺点大大限制了其在物流行业的应用。本文从读写器和标签两个方面用理论分析了金属对RFID系统的影响,并结合了测试和仿真进行验证。
   
  1 金属对读写器的影响
 
  当RFID系统应用在金属环境中时,金属对读写器的影响主要体现在两个方面:反射性和屏蔽性 。
 
  电磁波在入射到金属上时,会有很大部分被反射,反射波和入射波的相位相反。当由于金属对电磁波的反射作用所产生的电场在某一位置刚好和原来的电场位相相同时,那么在这个位置电场对标签的感应强度会增强,可以提高标签读取率;当反射电场的相位和原来的电场相位相反时,会抵消,从而降低标签的读取率。如图1所示。
   
                               图1 反射波与入射波的关系
 
  为了对这种影响进行测试,设计实验如图2,在读写器天线的正前方放一个金属板,金属板和读写器距离固定为2.5 m,读写器工作于UHF频段,符合ISO18000--6标准。
   
                                   图2 金属反射测试场景
 
  改变标签和读写器间的距离测试标签读取率结果如图3。可以看出在距离较远的情况下出现了明显的读取空洞。读写器发出的电磁波经过2.5 m的衰减后反射,反射波与人射波叠加。但因为衰减,所以反射到读写器的电磁波不足以和读写器刚发出的电磁波相抵消,因此读写空洞只出现在了距离读写器较远的地方。如果标签正好放置在读取空洞的地方,则无法读取。
   
                                   图3 金属反射的测试结果
 
  金属对电磁场还有屏蔽作用。由于电场会造成金属内部自由电荷的移动,从而损失能量。电磁波能到达金属内部的深度用趋肤深度表示:
  
   
  假设金属为铁(K =1.06×106S/m,μ=300),在868 MHz频率下,趋肤深度为2.2 μm,所以在一般情况下,电磁波是无法直接穿过金属传播的,会在金属的后面留下一个无法读取的区域。当金属尺寸不是很大时,这个区域会因为电磁波的衍射而变小。为了测试金属屏蔽的影响,将图2的金属板放置到读写器和标签之间,分别研究200 mm×200mm和400 mm×400 mm两个金属板,金属板距离标签保持1 m。读取率测试结果如图4。可以看出,小金属板的遮挡范围比大金属板小很多,同时最远的读写距离也远一些。尽管在导体后面的标签还是有可能读取到,但在实际应用中应当尽量避免标签和读写器中间出现金属导体。
   
                                 图4 金属屏蔽的测试结果
   
  2 金属对标签的影响
 
  调整图2的设置,改变标签和金属板之间的距离,测试标签的读写距离和读取率,测试结果如图5。标签距离金属很近时完全无法读取,随着距离的增加,读取率和读写距离都增加。下面讨论造成这种现象的原因。
                                   图5 读取率和读写距离测试结果
 
  当金属靠近读写器天线时,由于电磁感应作用,会吸收射频能量转换成自身的电场能,因此减弱了原有射频场强的总能量,同时也会产生感应磁场,磁力线垂直于金属表面,使得射频场强的分布在金属表面发生变形,磁力曲线趋于平缓。因此,当标签贴附在金属表面或非常接近金属表面时,该空间内实际并无射频场强分布,标签天线无法切割磁力线而获得电磁场能量,标签无法正常工作。除了对场的影响,金属还会使天线失谐。研究一种常用的弯折偶极子天线 ,尺寸30 mm×51mm,可以放入标准的识别卡封装中。使用有限元法仿真,在915 MHz,输入阻抗29.1+208.9j,符合一般标签芯片阻抗特征,增益为1.36 dBi,天线结构如图6
   
                                   图6 天线结构
 
  在天线旁边平行放置一个200 mm×200 mm的金属板。与金属板相距1 mm和150 mm的方向图仿真结果如图7,相距1 mm时,增益为5.38 dBi,增益很高,但几乎没有辐射场,距离150 mm时,增益2.45 dBi,辐射场较强。可以看出,标签天线和金属距离很近时,天线的方向性会增强。
                                 图7 不同距离的方向图对比
 
  改变和金属的距离引起的输入阻抗变化仿真结果如图8。距离金属越近,天线的输入阻抗实部越小,在小于1 mm的情况下几乎为0;而虚部在距离大于40 mm时,随距离增加而减小,在小于40mm的时,虚部随距离减小而减小,而且变化速度很快,当距离小于10 mm时,天线阻抗从感性变成了容性。可以看出,在近距离条件下,弯折偶极子天线完全无法工作,在大于50 mm后会有所好转。
 
  所以天线附近的金属会改变弯折偶极子天线的输入阻抗,让标签失谐,同时也会增大天线增益,假如天线的增益增加效应大于天线失谐的影响,那么天线的读写距离就会增加,相反会减小。
   
  3 结论
                                 图8 金属距离改变的输入阻抗变化
 
  本文通过理论分析和实验测试再结合仿真研究了金属对RFID系统的影响。金属对读写器的场会有反射和屏蔽的作用,反射会引起读写空洞,屏蔽会使读取率降低,但并不是完全无法读取。标签放置在金属附近会很难接收到读写器的能量同时标签天线的阻抗和增益都会改变,引起失谐。本文的研究结果可以为在金属环境中使用RFID系统提供参考。
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