金屬對RFID系統影響研究

文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：鄔明罡 李書芳   人氣： 發表時間：2011年10月14日

    射頻識別(RFID)技術是一種無接觸自動識別技術，它利用電磁波實現物品的自動識別。現階段，RFID 技術已經在很多領域發揮了重要的作用。

    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境比較敏感 ，尤其是金屬，導致目前這種工作頻率的被動標簽無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多為金屬環境，所以金屬敏感性這一缺點大大限制了其在物流行業的應用。本文從讀寫器和標簽兩個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行驗證。

    1 金屬對讀寫器的影響

    當RFID系統應用在金屬環境中時，金屬對讀寫器的影響主要體現在兩個方面：反射性和屏蔽性 。 

    電磁波在入射到金屬上時，會有很大部分被反射，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生的電場在某一位置剛好和原來的電場位相相同時，那么在這個位置電場對標簽的感應強度會增強，可以提高標簽讀取率；當反射電場的相位和原來的電場相位相反時，會抵消，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系

    為了對這種影響進行測試，設計實驗如圖2，在讀寫器天線的正前方放一個金屬板，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標準。 

圖2 金屬反射測試場景

    改變標簽和讀寫器間的距離測試標簽讀取率結果如圖3。可以看出在距離較遠的情況下出現了明顯的讀取空洞。讀寫器發出的電磁波經過2．5 m的衰減后反射，反射波與人射波疊加。但因為衰減，所以反射到讀寫器的電磁波不足以和讀寫器剛發出的電磁波相抵消，因此讀寫空洞只出現在了距離讀寫器較遠的地方。如果標簽正好放置在讀取空洞的地方，則無法讀取。
 

圖3 金屬反射的測試結果

    金屬對電磁場還有屏蔽作用。由于電場會造成金屬內部自由電荷的移動，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，電磁波是無法直接穿過金屬傳播的，會在金屬的后面留下一個無法讀取的區域。當金屬尺寸不是很大時，這個區域會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器和標簽之間，分別研究200 mm×200mm和400 mm×400 mm兩個金屬板，金屬板距離標簽保持1 m。讀取率測試結果如圖4。可以看出，小金屬板的遮擋范圍比大金屬板小很多，同時最遠的讀寫距離也遠一些。盡管在導體后面的標簽還是有可能讀取到，但在實際應用中應當盡量避免標簽和讀寫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，測試標簽的讀寫距離和讀取率，測試結果如圖5。標簽距離金屬很近時完全無法讀取，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象的原因。 

圖5 讀取率和讀寫距離測試結果

    當金屬靠近讀寫器天線時，由于電磁感應作用，會吸收射頻能量轉換成自身的電場能，因此減弱了原有射頻場強的總能量，同時也會產生感應磁場，磁力線垂直于金屬表面，使得射頻場強的分布在金屬表面發生變形，磁力曲線趨于平緩。因此，當標簽貼附在金屬表面或非常接近金屬表面時，該空間內實際并無射頻場強分布，標簽天線無法切割磁力線而獲得電磁場能量，標簽無法正常工作。除了對場的影響，金屬還會使天線失諧。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，天線結構如圖6 

圖6 天線結構

    在天線旁邊平行放置一個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，增益為5．38 dBi，增益很高，但幾乎沒有輻射場，距離150 mm時，增益2．45 dBi，輻射場較強。可以看出，標簽天線和金屬距離很近時，天線的方向性會增強。 

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，天線的輸入阻抗實部越小，在小于1 mm的情況下幾乎為0；而虛部在距離大于40 mm時，隨距離增加而減小，在小于40mm的時，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，天線阻抗從感性變成了容性。可以看出，在近距離條件下，彎折偶極子天線完全無法工作，在大于50 mm后會有所好轉。

    所以天線附近的金屬會改變彎折偶極子天線的輸入阻抗，讓標簽失諧，同時也會增大天線增益，假如天線的增益增加效應大于天線失諧的影響，那么天線的讀寫距離就會增加，相反會減小。

    3 結論 

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。金屬對讀寫器的場會有反射和屏蔽的作用，反射會引起讀寫空洞，屏蔽會使讀取率降低，但并不是完全無法讀取。標簽放置在金屬附近會很難接收到讀寫器的能量同時標簽天線的阻抗和增益都會改變，引起失諧。本文的研究結果可以為在金屬環境中使用RFID系統提供參考。

    (北京郵電大學電信工程學院 鄔明罡 李書芳)