RFID智能柜天线问题分析与设计改进

　　文/胡岳挺锐捷网络股份有限公司

　　摘要：随着无人售货的普及，RFID智能柜逐渐成为无人售货应用的主流解决方案之一。RFID智能柜采用RFID技术激活无源RFID标签并读取标签信息，通过计算用户在打开RFID智能柜与取货关门后商品的数量差异，判断用户购买的商品并提示结算。但是，商品摆放方式会影响智能柜读取精度，容易引起标签漏读，最终影响商品的结算。本文对现有方案存在的问题进行分析，结合不同天线的场强分布，找到方案的关键薄弱点，通过智能天线和天线部署优化，动态化调整天线状态，大幅度提升智能柜的商品标签读取精度。

　　关键词：RFID智能柜；四臂螺旋天线；微带天线；PIFA天线

　　引言

　　随着无人售货商业模式日趋成熟，RFID方案以其成本低的特点，成为智能柜厂商进行商品检测的关键技术之一。但是，在实际应用场景中，顾客取放商品后，商品码放并不能像实验室场景那么规则，电磁波在智能柜内部也有明显的多径衰落问题，导致读卡器经常漏读商品，结算错误，影响客户体验。单纯通过加大读卡器功率，需要引入大功率器件，成本高，能效差，不易产品化，且会误读隔壁智能柜商品。本文通过不同天线方案的设计，对比其在各种场景中的检测能力，找到在高反射、高遮挡场景下的RFID天线设计方法，以期对相关行业的工作人员有所帮助。

　　1.背景及问题

　　当前，无人智能柜有多层货架，每层顶部放置一个RFID[1]阅读器天线。商品上的标签天线多采用偶极子天线，偶极子天线是线极化天线，摆放位置不同则垂直或水平极化分量不同。

　　由于不同商品贴标签位置和摆放位置存在差异，阅读器端需要考虑读取各个极化方向的标签，因此，传统的RFID阅读器天线通常采用圆极化天线。在现有的智能柜天线方案中，圆极化天线实现方式多为微带天线和四臂螺旋天线[2]。

　　微带天线是通过在贴片上激励起两个相位差90°的简并模而形成圆极化，效率较高，远场辐射性能优于四臂螺旋天线[3]。

　　四臂螺旋天线的四个振子馈电振幅相同，相位依次相差90°而形成圆极化，但由于馈电网络的引入，传导的损耗加大，其效率和远场辐射性能通常比微带圆极化天线差[4]。

　　2.场景问题分析

　　（1）在智能柜中，摆放商品的层架高度不高，阅读器天线工作距离商品标签近，距离普遍在5～30cm之间，偶极子形式的商品标签在近场通过容性耦合的方式获取能量，在此场景中更关注阅读器天线的电场强度及电场覆盖范围。（2）传统的圆极化天线[5]在近场区域，电场能量集中在中心区域，周围电场分布较弱，当商品摆放在层架边缘位置，标签接收到的能量较弱，容易发生漏读。（3）当商品摆放数量多时，多标签存在堆积遮挡，处于底层的标签被遮挡严重，接收信号大幅度下降甚至标签无法被激活，也容易发生漏读。（4）智能柜内壁常有金属材料造成信号反射严重，存在多径衰落[6]，而标签和天线相对位置固定，导致部分标签无法被激活，也会产生明显的漏读情况。

　　3.技术问题分析及解决方案设计

　　结合以上问题，需要对现有方案的场强进行分析，针对四臂螺旋天线[7]和微带天线做一轮分析。在近距离下，四臂螺旋天线场强更为均衡，在商品层架边缘的商品更容易被扫描到，但是，距离拉到30cm时，四臂螺旋天线场强衰减明显，如果商品倒放或者高度较矮的商品被遮挡，标签漏读概率就会提高。

　　微带天线近距离下场强[8]均衡性相比四臂螺旋天线更差，边缘标签存在较为明显的漏读情况。但是，因为天线整体效率更高，距离达到30cm时，信号强度比四臂螺旋天线强。

　　四臂螺旋天线功率分配移相网络带来损耗降低效率，微带天线会激励表面波带来效率降低，PIFA（planar inverted F-shaped antenna，平面倒F形天线）天线阻抗易调节，与输入端有良好的匹配，减少反射损耗提升效率，接地平面可以增强天线辐射增益，使得天线增益高，且在此场景下，所有天线均有水平极化和垂直极化分量可以应对商品各种摆放方式。方案易实现且天线效率高，所以也引入做方案对比。

　　四臂螺旋天线、微带天线和PIFA天线方案，通过HFSS仿真得出场强分布图如图1所示。

　　三种方案都各有优劣势，改进后的新方案需要结合三个方案的优势，在保障场强均衡性的同时也需要保障天线效率。

　　结合上一轮分析，进行场景实验，构造分散堆放、随机堆放、散乱遮挡三种场景。

　　分散堆放：商品分散堆放不同区域，遮挡不严重，层架的四个角落均有商品。

　　随机堆放：商品随机摆放，姿态随机，存在互相遮挡，不刻意在角落堆放商品。

　　散乱遮挡：构造严重遮挡标签场景，让半数标签被遮挡。

　　总商品数量40个，盘读结果如表1所示。

　　以上实验数据和理论分析结果相匹配，需要寻找高效率且场强分布更均匀的天线方案。实验发现，PIFA天线虽然效率高、最大增益高，但是场强分布不均，对边缘商品存在漏扫情况。由于RFID读取多层货架本身就是轮询扫描，可以将单层架天线做成多个PIFA天线组合，采用射频开发切换轮询，在不同时刻激活不同PIFA天线工作，通过多个天线组合解决场强均衡性问题，同时保障了单个天线的效率和增益，保障整体性能优良。

　　针对四臂螺旋天线、微带天线和新设计的智能天线，做场强分布对比分析。智能天线采用四个PIFA天线组合，单个天线保障四分之一的区域信号，四个天线组合出来的电场分布更均匀，而且多个天线还可形成空间分析，减少多径衰落引起的标签漏读的情况。但是，标签距离天线30cm时候，PIFA天线的场强还是会弱于微带天线，需要进一步解决。智能天线近距场强对比图和远距场强对比图如图2与图3所示。

　　针对30cm处信号偏弱的问题，结合考虑商品层架部署特点，进行天线设计优化，做了双面天线阵设计，把天线集成到层架中，上下两面分别四个PIFA天线，从两个方向进行标签扫描，这样单面天线最远的覆盖距离从30cm缩减到15cm，即使商品堆叠，也能有较好的覆盖效果。8个天线通过开关切换轮询[9]，更大程度地减少了多径衰落造成的漏读情况。

　　4.方案验证

　　选取单层货架进行读取验证，单层部署44个商品。商品以对信号影响较大的矿泉水为主，读卡器只进行一轮扫描，对比不同天线的单轮盘读结果，确定不同天线的盘读能力。

　　模型一：随机堆放，随意码放矿泉水，双面智能天线0漏读，改善效果明显。随机堆放盘读能力对比结果如表2所示。

　　模型二：商品整齐码放，双面智能天线0漏读，单面智能天线和微带天线对比提升不大。整齐码放盘读能力对比结果如表3所示。

　　从单层部署上看，双面智能天线可以较好地解决传统方案的天线漏读问题，整体符合理论预期。接下来验证符合实际场景的单柜体大规模盘读能力。

　　整柜实验总计部署255个商品，配置不同读卡器功率进行扫描，从1dBm开始，以1dB为步进，逐步增大信号到30dBm，对比不同天线的盘读性能，越低的信号强度能盘读的商品越多，说明天线性能越强。商品标签通过摆放位置调整，构造水平极化和垂直极化[10]两种状态作对比。结果如图4所示。

　　从测试结果上看，智能天线的盘读能力明显高于其他天线，双面智能天线无论商品标签如何摆放，均有较好的盘读性能，智能天线增益比传统圆极化天线改善了10dB左右的性能。

　　结语

　　针对传统智能柜的RFID阅读器漏读问题，本文从天线角度切入做改进，结合场景和天线能力分析，打破常规设计思路，动态化调整阅读器天线波束，把智能柜空间进行更小颗粒度细分，全方位考虑柜内商品部署状态，让智能柜更加智能。该方案与传统方案比，在低功率下盘读性能提升50%；在高功率多标签堆叠遮挡场景，盘读性能提升22%；同时，在成本方面，比原有方案成本降低25%。该方案还可以延伸应用于无人超市、仓储物流、图书馆等标签多、密度高、反射大的场景，降低技术落地难度，更大程度推动技术应用，为国家发展新质生产力贡献一份力量。

　　参考文献：

　　[1]丁治国.RFID关键技术研究与实现.[D].合肥:中国科学与技术大学,2009.

　　[2]林昌禄.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社,2002:805-812.

　　[3]钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991:58-196.

　　[4]赵东贺,韩国栋,刘桂凤.一种全向圆极化天线设计[J].计算机测量与控制.2022,30(8):224-229,235.

　　[5]Sharma P,Gupta K.Analysis and optimized design of single feed circularly polarized microstrip antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation.1983,31(6):949-955.

　　[6]罗启铭,张怀才.无线通信系统多径衰落信道基础模型浅析[J].信息技术与信息化,2018,(7):115-116.

　　[7]李爱莲,华昌洲.一种热带鱼形端射圆极化RFID阅读器天线[J].无线通信技术,2024,33(1):21-25.

　　[8]周锦文.RFID近场天线应用及设计方法研究[J].舰船电子对抗,2016,39(4):40-46.

　　[9]李文,尤阳,陆云龙,等.一种宽带双极化波束切换微带天线的设计[J].微波学报,2024,40(1):18-22,27.

　　[10]徐雅薇.基于RFID标签天线的无源传感技术[J].山东工业技术,2020(2):47-55.

　　作者简介：胡岳挺，本科，工程师，huyueting@ruijie.com.cn，研究方向：硬件系统设计。