基于多路径效应的RFID远距离标签识别中的盲区分析

基于多路径效应的远距离RFID 识别中的盲区分析

尹柳中

中兴通讯天津研究所

Abstract

摘要 本文针对电子收费系统远距离RFID 识别中出现多处盲区问题，以电波传播理论为依据进行了理论分析、编程仿真、场测等，理论分析结果和实测数据良好吻合，证明了盲区的存在是由于地面反射引起的对测试区域场强产生的调制效应，并提出了相关技术建议。

前言 鉴于道路电子收费系统相对于人工收费站无可比拟的优势，在可以预见的将来，电子收费系统将得到迅速的应用和发展，作为一个成长中的应用技术，应用中难免出现的一些现象和问题让我们的工程师感到困惑，在测试中经常发现有一个甚至多个盲区的出现，这种现象的出现是偶然因素还是必然的结果？本文针对这一现象，从电波传播理论出发做了深入的探讨。

理论分析与仿真 通常的远距离射频识别系统采用特高频或超高频段，波长约几十厘米，在研究电波传播问题时，相对平坦的土石、沥青、水泥路面都可以用有一定电导率的平面介质边界反射来处理。

在电子收费站系统中，设备的安置位置，道路情况，电子标签位置等情况可如图1所示。阅读器天线离地高度H ，电子标签离地高度h ，两者水平投影距离L 。电子标签在离地高度h 的位置水平行进过程中，能否对阅读器的询问做出应答，处决于标签所在位置的电场强度和标签的灵敏度。对于同一标签，它的盲区仅由所处位置的场强来决定。

图 1 电子收费系统

标签所在位置B 的场强是直接波E AB 和反射波E ACB 矢量叠加的结果，即

E B =E AB +E ACB

显见，反射波达到B 点与直接波到达B 点存在波程差，设直接波波程为Sd ，反射波波程为Sr, 两者波程差为S 。则

))(22L h H S d +−=

))(22L h H S r ++=

))())(2222L h H L h H S +−−++=

图2 波程差大小与距离关系图

图2所示为H=5m, h=1.4m 时，反射波与直接波的波程差随距离变化关系，可见波程差随距离的增大而减小，天线下方的波程差最大。

由天线理论，天线远场场强与距离成反比，为了方便起见，以下以B 点直接波相对场强进行讨论。设反射系数为R, 则位于B 点的场强相对大小为：

R e E jkS ⋅+=−1

限于篇幅，这里只以水平极化波为例进行讨论，设地面相对介电常数ε，相对磁导率μ，电导率σ，地面波阻抗Z 2。空气相对介电常数为1，相对磁导率为1。相对波阻抗为1，则

ωεσ

εμ

⋅−=02j z

根据图1所示位置关系及水平极化波的在导电媒质表面的反射公式可以推出

t

r t r jkS COS Z COS Z e E θθθθcos cos 122+⋅−⋅⋅+=−

图3 相对电场强度随距离变化关系

图3仿真结果显示了在地面反射作用下的高度为1米的水平面上在不计辐射距离损耗

因素的条件下，直接波与反射波的合成强度随水平距离的归一化变化关系，这里把这种归一化的场强幅度变化率定义为调制率，本质上就是地面反射效应下对阅读器天线辐射波的在空间场强的幅度调制效应。可以看出，地面对离发射天线较近的区域的调制存在剧烈的震荡，而在较远的区域是越来越消弱，这是由于斜滑反射系数接近于 -1产生的结果。在这种条件下，即使天线有足够的发射功率，标签也不可能对阅读器做出应答，因此，考虑地面的调制作用，阅读器的发射功率大到一定程度后，对增加阅读距离的效果有限。

图4 h=1.2m 时 调制率与水平距离的关系

图5 h=1.4m 时 调制率与水平距离的关系

图4-5表明在阅读器天线位置不变的条件下，标签高度不同，即使在同一位置，各自的调制率也不同。这正是测试中发现标签在盲区晃动一下位置又被读到的原因。

假定天线在铅垂面内的场强方向性系数为)(θf ，考虑到辐射因子，即E ∝r

1。那么天线相对辐射场强随距离变化关系如下：

t

r t r jkS r d d r COS Z COS Z e s f s f E θθθθθθcos cos 1)(1

)(22+⋅−⋅⋅⋅+⋅=− 其中 ))/(tan(h H L a r +=θ

))/(tan(h H L a d −=θ

图6-7是分别以微带天线H面方向系数，及全向天线方向系数为例得到的归一化仿真结果。对照两图表明：

图6 h=1.2m时两种天线功率随距离变化关系图

图7 h=1.4m时两种天线功率随距离变化关系图

1. 在相同条件下，微带天线比全向天线产生的盲区数目更少，区域更窄。根本原因在于全向天线比微带天线受地面反射的幅度影响更大，减小地面反射是减少盲区的有效手段。

2. 标签所处高度不同，盲区位置也不同，相较位置低的标签，位置高的标签对应的盲区远离天线位置后移。

实测结果针对电子收费系统的效果我们做了在不同条件下的多次测试，得出的结果相似，限于文章篇幅，只例出了一次实测结果，以下表1是某次外场测试数据，对照图6-7可以看出两者的高度一致性。

表1 某次外场测试标签读取率数据

35dbm，12dbi水平极化， 天线高度5.5m，车型：别克商务车

标签 O 标签 1

3m / /

4.5m 100% 100%

6m 84% 100%

7.5m 13% 18%

9m 0% 0%

11m 0% 0%

13m 31% 100%

15m 0% 87%

16.5m 0% 0%

18.5m 0% 0%

19.5m 0% 88%

20.5m 99% 100%

21.5m / 100%

22m 97% 100%

24m 100% 71%

25m 33% 76%

27m 0% 0%

备注：“/”表示该点没有进行测试

实测结果表明，实测与理论分析的仿真结果相吻合。同时，还有测试结果表明雨天的测试结果明显好于晴天，是由于潮湿的路面比干燥的路面对入射波有更显著的损耗，从而消弱了地面反射效果，减小了地面的调制效应。

结论理论分析与实测结果有很好的吻合证实了盲区的存在是由于地面反射引起的对测试区域产生的调制效应；适当的天线波束赋形将有利于改善盲区的数目和标签的有效读取范围；地面的调制效应与距离关系使得天线增益增大到一定量后，对延长读取距离效果不明显。

建议基于理论分析和实测得出的结论，要达到理想的射频识别效果，可以减小地面电磁反射，从实际应用场景来说，最有效的途径就是采取赋形天线，通过合理波束赋形减小射频识别区域内的反射波的影响。