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金属介质对超高频RFID被动标签读取效能的影响及可用于金属表面标签的设计


第 ! 卷第 #期 " $% 年 ! 月 %# $













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金属介质对超高频 S U 被动标签读取效能的 T2 影响及可用于金属表面标签的设计
赵 犁! 郜 G 笙 $ 虞俊俊 $ G
香港 九龙 V$ 浙江香港科技大学 先进制造研究所 G浙江 杭州 " ! % B ? 7香港科技大学 工业工程及物流管理学系 G ! 7 !!% 摘 要 <金属介质对射频信号的干扰一直以来影响着射频识别技术 ? X 9 的有效应用 C 为了研究导致干扰发生的 W YB 以超高频段 W Y 系统为对象 G 依据电磁场相关理论 G 进行了一系列实验 C 通过对实验所得数据 机 理以及解决办法 G X9 的分析G 证了金属介质对 W Y 被动标签读取率的影响G 进一步发现标签和金属介质表面间隔距离与读取率 验 并 X9 之间的变化关系 C另外 G 发现了附加金属层产生的同相位电场对标签读取性能的放大作用 C最后 G 根据实验研究结 果G 提出一 种 可 用 于 金 属 表 面 的 W Y 被 动 标 签 的 设 计 方 案 G 设 计 方 案 不 但 可 以 有 效 消 除 金 属 干 扰 的 负 面 影 响 G 该 X9 还可在原有读取性能的基础上进一步提高读取率 G 同时兼顾使用方便性和制造成本两方面 C 关键词 <无线射频识别 V射频信号 V金属标签 V电磁场 中图分类号 <Z $ $ \ ! [ % VZ $ 文献标识码 <] 文章编号 <! % => ^ $ % B #% ! => % #E @ ? % # % =@ #%

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收稿日期 < % #% => $ % =>$ 7 基金项目 < 浙江省科技厅重点科研项目资助 ? % @ # % ! C $ %A % > B 作者简介 < 赵 犁?D$ G G 副研究员 G 博士 G 从事协同设计的系统理论及应用 H 产品物理模型的共享及数据交 ! E FB 男 浙江杭州人 G 流 知 软 多 互H 程 的 优 化 及 数 值 化 分 析H 识 库 的 创 建 及 管 理H 件 智 能 体 的 开 发 及 应 用H 任 务 并 行 化 等 研 究G = K A IJ < 6 万方数据

管理 H 生产 自动 化 管 理 和 商 品 零 售 等 众 多 领 域 具 有 广泛的潜在应用空间 C 目 前G 频 识 别 的 工 作 频 率 包 括 低 频H 频H 射 高 超 高频 及微波 段 G 中 尤 以 高 频 和 超 高 频 的 应 用 最 为 其

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第 O期



犁 & P金属介质对超高频 " $ 被动标签读取效能的影响及可用于金属表面标签的设计 等 #%

MIN *M

广 泛 !" $ 标 签 按 照 供 电 原 理 划 分 & 分 为 主 动 可 #%
* 有源 ( 标签和被动 ’ 无源 ( 标签 ) +! 相比主动标签 & 被 ’ 动标签由于成本低 , 体积小而备受青睐 ! 然而 & 超高

会产生涡流 & 同时 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 ! . F 涡流自身的感应磁场影响 5 前 述 的 涡 流 也 会 产 生 自 身 的 感 应 磁 场& 场 的 该 磁力线垂直于金属表面 & 且方向与射频场强相反 ! 这 种感应磁场对原磁场的阻碍效果使得射频场强的分 布在金属表面发生 G 变形 H 磁力曲线趋于平缓 & 在很 & 近的区域内甚至平行于金属表面 & 如图 -所示 ! 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 & 签 天 线 无 法 切 割 标 磁力线而获得电磁场能量 & 在这种情况下 & # % 被 " $
I 动标签无法正常工作 ) +!

频 波 段的射频对 金 属 十 分 敏 感 & 致 目 前 这 种 工 作 导 频 率 的被动标签无法在 具 有 金 属 表 面 的 物 体 上 ’ 例 如 钢 质货架 , 集装 箱 等 ( 常 工 作 & 只 能 使 用 于 非 正 而 金属表面 ’ 例如塑料 , 木材等 ( 射频识别应用最为广 ! 泛 的 物流行业多 为 金 属 环 境 & 以 金 属 敏 感 性 这 一 所 缺点大大限制了其在物流行业的应用 ! 就 目 前 技 术 而 言& 以 通 过 对 " $ 标 签 表 面 可 #% 施 加 隔 离 涂 层 来 解 决 其 在 金 属 表 面 的 应 用 问 题 ) +& 但是这一方法施工难度大 & 生产成本高 ! 所以 & 本文 提出一种成本相对较低并且简单易用的可用于金属 表面的超高频 " $ 被动标签 ! #%

. 金属介质对 / 1 被动标签的影响 02
天线和标签组成 !当 " $ 系统主要由阅读器 , #% 标 签 进入射频识 别 范 围 内 & 统 利 用 交 流 电 磁 场 的 系 原 理 对标签进行 读 写 操 作 以 实 现 信 息 数 据 识 别 , 自 动化控制和现代化管理的目的 ! 其系统结构示意图 如图 *所示 !

图 . / 1 系统基本结构示意图 02 #4 * 6 89;<> 9A 9@ C # % ??8 35 7 : 3 ?@<A8B " $ :9D =

根 据 无 线 射 频 识 别 系 统 的 工 作 原 理 & #% 被 " $ 动标签进入磁场后 & 接收阅读器发出的射频信号 & 凭 借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产 品信息 ! 阅读器读取信息并解码后 & 送至中央信息系
E 统进行有关数据处理 ) +! 可见 &" $ 被动标签正常 #%

图 F 金属介质对感应磁场的影响作用 #4 - 6 8D8= 3 =9 JD= J 9 3 K 35 7 9>D; < B 4 83 8 <C >

工作的前提是通过场强变化提供激活标签芯片工作 和进行数据传输的能量 ! 根据电磁场原理 & 金属介质 对 " $ 被动标签的影响主要有以下两方面的原 #% 因& 这两方面的合 力 导 致 标 签 在 金 属 环 境 下 的 读 取 率’ 每秒读取标签次数 ( 大大降低 ! . . 能量转换的影响 5 万方数据 当金属靠近天线时 & 由于电磁感应作用 & 其内部

另外 & " $ 超高频段 & 在 #% 当由于金属对电磁波 的反射作用所产生的电场刚好和原来的电场位相相 同时 & 那么电场对标签的感应强度反而增强 & 从而提
L 高了标签在金属表面的读取率 ) +! 因此 & 可以设法在

金属表面设置对 电 磁 波 进 行 二 次 反 射 & 而 使 其 电 从 场位相与原始电场相同 & 提高标签的读取率 !

TR5 0T













第0卷 D

! 金属介质对 " $ 被动标签读取率影响 #% 测试
依据上述研究 & 可以看出 & 当标签紧贴金属表面 时& 标签完全平行于分布在金属表面的磁力线 & 从而 没 有 角 度 进 行 磁 力 线 切 割 获 取 能 量& 就 无 法 与 也 但 那 ’ ) 读取器进行数据通讯 + 是 & 些 远 离 金 属 表 (* 面的磁力线当中开始出现不与金属表面平行的弯曲 的 磁 力线 & 此时 & 处在离金属 表 面 一 段 距 离 的 ’ ) (* 标 签 可以发生切 割 磁 力 线 运 动 & 而 获 取 能 量 并 进 从 行数据通讯 , 因此 & 可以设想 & ’ ) 标签与金属表面的间 当 (* 隔 距 离在射频场 强 范 围 不 断 变 化 时 & 签 所 能 切 割 标 的磁通量也应该随着间隔距离的不同而相应发生变 化& 这一变化直接导致标签获取能量的多寡 & 并最终 影响标签读取率 , 另外 & 由于金属反射造成的同相位 电场对标签读取率的正面效应也是此项研究的重要 目的之一 , 为此 & 将进行一系列实验以验证上述研究 结论的正确性 , ! . 实验设置 该实验所使用的标签为封装 ’ ) 被动超高频 (* 标签 & 工作频率为 / 1234读取器为固定 式 ’ ) 0 + (* 超 高 频 读 取 器& 用 分 体 式 独 立 天 线& 线 增 益 为 采 天 1 56 8数 据 载 波 协 议 为 ):;5 < ;+ - 7+ 9 0 < <= 读取器天线 和标签的距离约为 0>& 属于该套设备的有效数据通 讯范围& 并且对标签只进行读操作& 不进行写操作, ! ! 实验内容及结果 实验一 ? 将该标签直接贴附于金属表面上 & 分别

测 1次读取率 , 与 预 想 一 致& 附 于 金 属 表 面 的 标 签 根 本 不 能 贴 被读取 & 读取率为零 , 实 验 二? 该 标 签 置 于 距 离 金 属 表 面 0 将 <>> 处& 分别测 1次读取率 , 此实验结果部分验证了标签与金属介质的间隔距离 对标签读取率的正面作用 , 并且选取合适的 距 离 来 测 试 此 时 标 签 的 读 取 率 & 从 而进一步分析标签与金属表面距离对标签读取率的 影响 , 鉴于塑料材质对标签的读取率基本不构成影 响& 因此在实验过程中 & 采用可调整高度的塑料隔离 架来隔离标签和 金 属 表 面 的 接 触 & 通 过 改 变 塑 料 即 并测量在每一隔离架高度下 ’ ) 读取器对标签的 (* 读取率 , 实验四 ? 在实验三的基础上 & 在塑料隔离架和金

发现标签能够正常工作 & 并且读取率比较稳定 ,

实验三 ? 逐步增加标签与金属表面的间隔距离 &

隔离架的高度来 改 变 标 签 与 金 属 表 面 的 间 隔 距 离 &

属表面之间放置 @>> 厚的塑料层和 0>> 厚的金 属 层& 金 属 表 面 A 塑 料 层 B 即 @>>C 金 属 层 B A 0 A >>C 可调高的塑料隔离架 A 标签 ,采用额外加设 的金属层反射原始电场而产生与原始电场同相位的 电场 & 以期得到比实验三更高的读取率 , 由于塑料层 和 金 属 层 合 高 为 D>>& 此 在 本 实 验 将 塑 料 隔 离 因 架 的 高 度 每 次 相 应 降 低 D>> 进 行 测 量 & 得 结 果 使 是在标签和金属表面间隔距离与实验三相同的条件 得到 & 从而具有可比性 , 各实验具体数据如表 0所列 ,

表 . 实验结果 E 7H0 I K L MF LO G FG J H8 NG HPN >H O 标签设置 实验一 间隔距离 Q >> 第 0次 第 @次 读取率 Q 次 QC B O 第 D次 第 R次 第 1次 平均值 Q 次 O B QC

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实验二

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万方数据

第 -期



犁 3 5金属介质对超高频 H I 被动标签读取效能的影响及可用于金属表面标签的设计 等 6J 续表

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标签设置

间隔距离 ! "" & ’ ( ) * 0 . / & + & & & ( & ) * 第 &次 + (, ), ). , *& , 0+ , -& , -0 , -0 , 0* , 0( , 0’ , 0’ , (. , *( , 0+ , 0) , /. , &, +* &, &0 &, () &, (( &, )( 第 ’次 + (. , )& , )/ , *& , -( , -* , 0+ , -, -. , 0+ , 0( , -/ , )) , 0+ , 0( , 0. , /’ , &, ++ &, &/ &, ’* &, )& &, )/

读取率 ! 次 !% # $ 第 (次 + ’. , *) , ). , */ , */ , -0 , -, 00 , -/ , 0& , -/ , 0’ , *0 , ** , 00 , .( , &, +’ &, &( &, ’. &, (* &, )&, )& 第 )次 + (+ , (, *0 , *, -+ , -. , -* , 0+ , -/ , -/ , -/ , 0( , *’ , -’ , 0( , /+ , /. , &, +&, ’+ &, (* &, (* &, (. 第 *次 + (. , )& , *0 , -& , -0 , -/ , -. , -. , -* , 0+ , 0( , 0( , ). , -+ , 0& , .’ , /, /* , &, ’+ &, ’&, (&, (&

平均值 ! 次 $ # !% + () , )) , *’ , *, -) , -, -. , 0+ , 0+ , 0& , 0’ , 0’ , ). , *0 , 0( , 0/ , /0 , &, +* &, ’& &, (& &, (. &, )+

实验三

实验四

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1 2 实验分析 , 根据实验数据 3 在误差范围内 3 随着标签与金属 表 面 的间隔距离 不 断 增 加 3 签 的 读 取 率 也 在 不 断 标 上升 4 这验证了前面理论分析中的观点 3 即随着标签 远 离 金属介质 3 金 属 介 质 表 面 不 平 行 的 磁 力 线 逐 与 渐增多3 这样标签 就 可 以 更 好 地 切 割 磁 力 线 获 取 能 量3 以实现更高的读取率 4 在 实 验 四 中3 以 看 出 附 加 金 属 层 反 射 电 磁 波 可 而 产 生的同相位 电 场 的 增 益 作 用 是 比 较 明 显 的 3 实 验后期所测得的读取率甚至超过实验三中同等间隔 距 离下所测数据的 &倍 4 对 于 在 间 隔 距 离 在 )"" 和 *"" 分别产生的低于和近似实验三相应结果的 现 象3 能 的 解 释 为5 时 标 签 距 离 附 加 金 属 层 过 可 此 近3 金属层自身产 生 的 反 相 位 电 场 效 应 强 于 其 反 射 金 属 表面电磁波 产 生 的 同 相 位 电 场 3 而 进 一 步 削 从 弱了标签的感应能量 3 降低读取率 4 将实验三和实验四各数据在二维坐标中进行描 绘 # ( 4 可以看出 3 图 % 在实验三中 3 签 读 取 率 受 到 标 标 签 与金属表面 距 离 的 影 响 开 始 比 较 强 烈 3 后 期 中 则趋于平缓 4 也就是说 3 金属介质对标签读取率的负

离超出一定范围 3 标签就可以摆脱金属介质的影响 4 例如 3 在本实验的设备环境下 3 金属表面对标签读取 率 的 影 响 是 在 间 隔 距 离 0"" 以 内 有 效 3 当 间 隔 而 距离超过 0""3 金属介质就失去其负面作用 3 标签 基本恢复正常工作状态 4

图 2 实验三和实验四结果示意图 68 ( 9 ;<$ > A B ;7 D (E F) 7, : ;=? ; C < $@ "; ? D

实 验 四 中3 各 个 间 隔 距 离 所 测 得 读 取 率 一 直 在 保持着快速的上升趋势 3 并且 3 当实验三中读取率趋 于 平缓的时候# 0"" 以 后 % 实 验 四 中 的 数 据 依 然 3 快速增加 4 这说明 3 实验四所附加的金属层不是简单 缓解金属表面对 读 取 标 签 的 负 面 效 应 3 是 与 金 属 而

万方数据 面 作 用是在一定 间 隔 距 离 范 围 才 有 效 的 3 间 隔 距 当

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第1卷 N

表面配合起到了大大增强射频信号对标签的感应能 力 ! 所以说 " 对于超高频段的 # % 标签来说 " 恰当 $& 的标签结构设计能显著提高标签在金属环境下的工 作性能 !

层来保证标签在 金 属 表 面 获 得 较 高 的 读 取 性 能 0 同 时" 兼顾成本以及使用方便性 " 将塑料隔离架的高度 控制在最佳数值 " 例如 " 在本实验环境下的塑料隔离 架的最佳高度为 1 2// 左右 ! 该 标 签 设 计 可 分 为 三 个 部 分3 一 部 分 为 正 常 第 的射频识别标签 " 包括内嵌芯片和天线 0 第二部分为 塑料隔离架 " 用于支撑标签 " 使其远离金属表面一段 距 离" 离 架 的 高 度 和 大 小 可 根 据 实 际 承 载 的 隔 第 # % 标 签 和 工 作 环 境 作 相 应 调 整0 三 部 分 为 金 $& 属 层 " 镶 嵌 在 隔 离 架 中 间 " 离 金 属 表 面 .// 它 距

’ 可用于金属介质表面的 ( * 被动标签 )+ 的设计方案
根 据 本 研 究 及 实 验 数 据 " 一 定 范 围 内 " $& 在 # % 被动标签与金属介质表面的距离越大 " 读取效果 , 读 取率越好 " 并且 " 签 中 合 理 附 加 金 属 层 可 以 有 效 标 增强读取率 ! 所以 " 将实验三和实验四中使用塑料隔 离 架 和金属层的 想 法 运 用 到 标 签 设 计 当 中 " 用 塑 利 料隔离架在标签与金属介质之间产生一定的间隔距 离 " 在 隔 离 架 中 距 离 金 属 表 面 .// 处 嵌 入 金 属 并

处" 为降低标签成本和重量 " 金属层高可考虑少于 1 例 可 4 //" 如 " 为 2 5// 左 右 ! 图 6是 以 标 准 卡 状 # % 标签为例而设计的用于金属表面的标签结构 $& 示意图和安装图 !

图 7 可用于金属表面的 ( * 标签结构安装图及示意图 )+ $9 6 : <= > ?@ /<CEFAHE>I<# % B9 84 ; <8 A BD GC<F C D $ & C 9 >

7 结束语
超高频段 # % 被动标签的金属干扰问题始终 $& 阻碍着这一新兴识别技术的有效应用 ! 基于电磁场 相关理论 " 本文设计并进行一系列实验 ! 最后的实验 数 据 说 明" 然 金 属 介 质 对 # % 被 动 标 签 读 取 率 虽 $& 的 影 响较为明显 " 是 这 种 影 响 会 随 着 标 签 与 金 属 但 介 质 表面距离的 加 大 而 迅 速 衰 减 " 在 超 出 一 定 范 并 围 之 后趋于消失 0 标 签 和 金 属 表 面 之 间 附 加 金 属 在 层 会 大大增强标 签 对 射 频 信 号 的 感 应 性 能 " 高 读 提 取率 ! 根据此研究结果 " 本文提出一种可用于金属表 面的 # % 被动标签设计方案 ! 该标签设计不但可 $& 以 有 效消除金属 介 质 对 标 签 读 取 率 的 负 面 作 用 " 并 万方数据 且 在 原有性能的 基 础 上 进 一 步 提 高 了 读 取 率 " 时 同

兼顾了经济性和 方 便 性 " 解 决 金 属 干 扰 问 题 的 理 是 想途径 ! 本研究成果已申请国家实用新型专利 ! 致 谢 感谢香港科技大学工业工程及物流管理系曾明 哲教授 " 项 目 的 起 动 J 划 到 项 目 的 实 施 J 成 所 从 规 完 给予的杰出指导 ! 感谢湖州德马物流系统有限公司 无偿提供配送中心实验室所需的物流机械设施 ! 参考文献 3
李苏剑 4无线射频识别技术 , $ & 理 论 与 应 用 K L游战清 " 1 # %电子工业出版社 " 2 6 K 4北京 3 .24 ML

下转第 6 2页 , N

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第(卷 "

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万方数据

金属介质对超高频RFID被动标签读取效能的影响及可用于金 属表面标签的设计
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 赵犁, 郜笙, 虞俊俊, ZHAO Li, GAO Sheng, YU Jun-jun 赵犁,ZHAO Li(香港科技大学,工业工程及物流管理学系,香港,九龙), 郜笙,虞俊俊,GAO Sheng,YU Jun-jun(浙江香港科技大学,先进制造研究所,浙江,杭州,311100) 工程设计学报 JOURNAL OF ENGINEERING DESIGN 2006,13(6) 3次

参考文献(5条) 1.胡洪洲 RFID工作频率指南和典型应用 2006 2.牛中奇;朱满座;卢智远 电磁场理论基础 2001 3.Alawn 系统工作原理 2006 4.郭长佑 RFID超距扫瞄力之规划与选定 2006 5.游战清;李苏剑 无线射频识别技术(RFID)理论与应用 2004

引证文献(3条) 1.采煤工作面无线传感器网络的无线通信信道建模[期刊论文]-传感技术学报 2010(5) 2.刘志飞.王玲 多应用环境下超高频RFID标签天线设计[期刊论文]-工程设计学报 2008(1) 3.邬明罡.李书芳 金属对RFID系统影响研究[期刊论文]-科学技术与工程 2008(18)

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