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射頻識別 (RFID) 是一種無線電通信技術(shù), 主要功能是利用無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù), 對運(yùn)動或靜止的標(biāo)簽進(jìn)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(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、物流等眾多領(lǐng)域。RFID的通訊距離遠(yuǎn), 辨別速度快, 使用時間比其他系統(tǒng)更久, 容量也占優(yōu)勢, 適應(yīng)環(huán)境的能力在通訊中屬于上等。與磁卡技術(shù)、簡單條碼相比, RFID技術(shù)具有及時通訊的能力。當(dāng)前, RFID技術(shù)在物流領(lǐng)域和供應(yīng)鏈中應(yīng)用廣泛, 如物流公司在零部件運(yùn)輸過程中, 供應(yīng)商通過運(yùn)輸車廂內(nèi)的電子標(biāo)簽對零部件的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時跟蹤和查詢[7], 使物流在運(yùn)輸環(huán)節(jié)中更加方便安全和快捷;在存儲環(huán)節(jié)中, 利用RFID技術(shù)在出入庫環(huán)節(jié)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(tǒng)通常由3部分構(gòu)成, 即閱讀器、電子標(biāo)簽、應(yīng)用系統(tǒng), 如圖1所示。

圖1 天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)   下載原圖

閱讀器:通過射頻信號對電子標(biāo)簽進(jìn)行讀取或?qū)懭胄畔⒌囊环N設(shè)備, 讀出來的標(biāo)簽信息可通過應(yīng)用系統(tǒng)在本地使用, 也可通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行信息傳達(dá)和整改。

電子標(biāo)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(xié)議, 用不接觸方式將已存儲信息寫入或者讀出。

應(yīng)用系統(tǒng):RFID系統(tǒng)中, 閱讀器是通過標(biāo)準(zhǔn)接口, 應(yīng)用系統(tǒng)與計算機(jī)相連, 主要目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信傳輸?shù)墓δ堋?

天線可以實(shí)現(xiàn)電磁波和電流信號相互轉(zhuǎn)換。天線的形式有很多種:在系統(tǒng)中, 天線設(shè)備有標(biāo)簽天線和閱讀器天線2大類。閱讀器發(fā)射的電磁波務(wù)必通過天線形成電磁場, 只有電場覆蓋的地方, 標(biāo)簽天線才可識別[8]。天線性能好壞直接影響到系統(tǒng)的工作性能和距離。

在傳統(tǒng)的倉儲出入庫作業(yè)中, 大部分依靠人工手動操作, 這種作業(yè)模式需要很長時間且易出錯, 已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化物流倉儲作業(yè)的要求。將RFID引入到倉儲中, 可實(shí)現(xiàn)信息與數(shù)據(jù)之間的非接觸快速傳遞, 實(shí)施物品跟蹤, 收集全面信息和實(shí)時監(jiān)控, 從而提高物品的驗收效率。對溫度也可以實(shí)時監(jiān)控, 縮短在庫盤點(diǎn)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(dǎo)線”[9], 一般將終端開路的平行雙導(dǎo)體張開, 構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 偶極子天線結(jié)構(gòu)   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(xì)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(shù), Ci (x) 和Si (x) 是余弦函數(shù)和正弦函數(shù)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(dǎo)電線的直徑a和饋電處的間隔A的基礎(chǔ)上, 得出輻射電阻和輸入阻抗。導(dǎo)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(chǎn)生影響, 尤其是當(dāng)饋電點(diǎn)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(lián)饋電而組成“H形”偶極子對。根據(jù)傳輸線基本知識, 當(dāng)2個偶極子之間的長度約為λg/2 (λg表示傳輸線的導(dǎo)波長) 時, 2個偶極子上電流存在約為π/2的相位差。實(shí)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(jīng)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(dāng)偶極子間距較小時, 互耦將對電流幅度和相位產(chǎn)生較大的影響。

為了擴(kuò)大天線的識別區(qū)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(shè)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(dǎo)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(jìn)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(jié)構(gòu)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     下載原表

圖4 天線結(jié)構(gòu)   下載原圖

第1步按照具體尺寸畫出結(jié)構(gòu)圖, 加入電源、電容和饋線。

第2步加入介質(zhì)板和空氣盒子, 設(shè)計好坐標(biāo)和對應(yīng)的尺寸。

第3步設(shè)計金屬的邊界條件、輻射邊界條件。

第4步設(shè)計激勵方式。

第5步檢驗參數(shù)并保存。

第6步對上述進(jìn)行仿真。

第7步數(shù)據(jù)后處理 (查看仿真結(jié)果) 。

圖5給出了該天線仿真和測試的端口反射系數(shù)隨頻率變化的曲線。由圖5可見, 仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)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(shù)) , 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(shù)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(qiáng)。

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(tǒng)偶極子天線 (b) 的識別區(qū)域。可以看出:基于偶極子反向電流對天線的識別區(qū)域和磁場相較于傳統(tǒng)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(yīng)了最大輻射方向和最大增益。由上述仿真結(jié)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(dá)6.0 dB, 同時在天線的輻射范圍也有明顯得擴(kuò)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(shù)應(yīng)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(zhǔn)確度, 擴(kuò)大了物流倉儲識別區(qū)域, 降低了因系統(tǒng)性能缺陷而導(dǎo)致的庫存差錯, 使企業(yè)運(yùn)作成本降低, 管理更加科學(xué)高效。設(shè)計的新型閱讀器天線, 增加了偶極子對數(shù), 形成反向電流對。仿真結(jié)果表明, 該天線具有更好的反射系數(shù)、較好的相對帶寬和增益。反向電流對的加入增強(qiáng)了天線磁場, 擴(kuò)大了識別區(qū)域, 基本解決了傳統(tǒng)偶極子天線存在的識別“盲區(qū)”問題, 適用于大型物流倉儲管理, 符合現(xiàn)代物流快速發(fā)展的趨勢。