此研究是基于RFID(Radio Frequency Identification，RFID)系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽產(chǎn)品展開(kāi)的。RFID 系統(tǒng)越來(lái)越多的應(yīng)用到日常生活中，其中電子標(biāo)簽的防偽功能是 RFID 系統(tǒng)一個(gè)特別重要的應(yīng)用，例如在煙酒等行業(yè)中用到的防偽電子標(biāo)簽，消費(fèi)者可以用終端設(shè)備識(shí)別電子標(biāo)簽來(lái)判斷商品的真?zhèn)巍ｋ娮訕?biāo)簽附著在商品上銷(xiāo)售之初為了在外觀上與原包裝沒(méi)有太大的區(qū)別，也不改變商品現(xiàn)有的生產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)最低的生產(chǎn)線(xiàn)改動(dòng)成本來(lái)增加這一工序。措施大多是會(huì)把電子標(biāo)簽封裝在商品原有的防偽貼紙上。原有的貼紙尺寸都較小，隨著高端商品的包裝越來(lái)越高大上，商品與包裝盒之間的距離也越來(lái)越大。而要實(shí)現(xiàn)防偽又不能把真正的標(biāo)簽貼在外面的包裝盒上，這樣附加在商品上的小尺寸的電子標(biāo)簽要滿(mǎn)足在一定的距離被絕大多數(shù)的用戶(hù)終端產(chǎn)品識(shí)別到就需要一種能增強(qiáng)天線(xiàn)性能的方法。

　　1 基于有限元方法的仿真

　　基于亥姆霍茲線(xiàn)圈磁場(chǎng)疊加的原理用有限元的方法[1-3]建模。如圖 1 所示，模型中有三個(gè)線(xiàn)圈，最下面的線(xiàn)圈設(shè)為工作天線(xiàn)即電子標(biāo)簽，中間線(xiàn)圈為附加線(xiàn)圈，上面的線(xiàn)圈為場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)天線(xiàn)即終端產(chǎn)品天線(xiàn)。三個(gè)線(xiàn)圈間隔一定的距離不直接連接，為三個(gè)獨(dú)立體。為實(shí)現(xiàn)亥姆霍茲線(xiàn)圈的兩線(xiàn)圈電流方向相同，磁場(chǎng)疊加的效果，中間的附加線(xiàn)圈為開(kāi)路線(xiàn)圈。

　　這里假設(shè)實(shí)際商品與外包裝之間間隔 5.5 cm，建模按照兩天線(xiàn)之間的距離為 5.5 cm 進(jìn)行，按下面幾個(gè)標(biāo)題進(jìn)行仿真并分析數(shù)據(jù)。

　　1.1 線(xiàn)圈與工作天線(xiàn)大小相同且正對(duì)

　　建模模型參照?qǐng)D 1 ，特別的增加了附加線(xiàn)圈為閉合線(xiàn)圈的仿真來(lái)確定開(kāi)路線(xiàn)圈的效果，仿真數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。從表 1 的數(shù)據(jù)可以看出：

　　(1)以增加開(kāi)路線(xiàn)圈為例，在距工作天線(xiàn)不同的距離增加線(xiàn)圈對(duì)工作天線(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)的影響不同。增加線(xiàn)圈可以有效地增加工作天線(xiàn)的場(chǎng)強(qiáng)，但在不同的距離增加同一線(xiàn)圈，工作天線(xiàn)的場(chǎng)強(qiáng)并非線(xiàn)性變化，線(xiàn)圈距離工作天線(xiàn)端越近場(chǎng)強(qiáng)變化越大。

　　(2)由于我們假設(shè)場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)距離固定為 5.5 cm，而從表1數(shù)據(jù)看在距離工作天線(xiàn) 5 mm 處增加線(xiàn)圈的場(chǎng)強(qiáng)變化最大，所以接下來(lái)在距離工作天線(xiàn) 5 mm 處比較附加開(kāi)路線(xiàn)圈和短路線(xiàn)圈的區(qū)別。

　　(3)對(duì)比開(kāi)路線(xiàn)圈和短路線(xiàn)圈，開(kāi)路線(xiàn)圈能更好的應(yīng)用于項(xiàng)目。

　　對(duì)距離工作天線(xiàn) 5 mm 時(shí)附加線(xiàn)圈的結(jié)果進(jìn)行分析。仿真得到工作天線(xiàn) 0 deg 和 180 deg 相位時(shí)的電流方向如圖 2 和圖 3 所示，并得到無(wú)附加線(xiàn)圈時(shí)電流最大強(qiáng)度為 9.0 A/m，有附加線(xiàn)圈時(shí)電流增大為3.39 e2 A/m。

　　附加的開(kāi)路線(xiàn)圈由于線(xiàn)圈與工作天線(xiàn)線(xiàn)圈相同，并在工作天線(xiàn)加激勵(lì)處斷開(kāi)，所以線(xiàn)圈在電磁場(chǎng)環(huán)境中相當(dāng)于一個(gè)天線(xiàn)，感應(yīng)電流的方向仍然與工作天線(xiàn)電流方向相同，同樣間隔 180 deg 相位時(shí)電流方向發(fā)生反轉(zhuǎn)如圖 4 和圖 5 所示，線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與工作天線(xiàn)一致，磁場(chǎng)疊加起到增強(qiáng)磁場(chǎng)的作用。

　　附加閉合線(xiàn)圈在變化的電磁場(chǎng)環(huán)境中產(chǎn)生的感應(yīng)電流則是與工作天線(xiàn)電流反向的如圖 6 和圖 7 所示，此時(shí)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與工作天線(xiàn)互相抵消，削弱了工作天線(xiàn)的輻射。而亥姆霍茲線(xiàn)圈之所以是兩個(gè)閉合線(xiàn)圈的磁場(chǎng)相互疊加是因?yàn)閮砷]合線(xiàn)圈之間短接使兩個(gè)線(xiàn)圈電流相同。

　　由此得出結(jié)論在電磁場(chǎng)環(huán)境中，工作天線(xiàn)附近增加一開(kāi)路線(xiàn)圈時(shí)的效果與亥姆霍茲線(xiàn)圈的原理等效，由于線(xiàn)圈不直接連接，操作更加靈活。后面的討論皆以增加開(kāi)路線(xiàn)圈展開(kāi)。

　　1.2 線(xiàn)圈與標(biāo)簽大小相等不正對(duì)

　　模型以圖 1 為基礎(chǔ)，線(xiàn)圈與工作天線(xiàn)不正對(duì)，保持線(xiàn)圈與工作天線(xiàn)之間的距離不變，線(xiàn)圈向左或向右水平平移線(xiàn)圈寬度一半的距離。表 2 線(xiàn)圈與工作天線(xiàn)間隔 5 mm 時(shí)距標(biāo)簽 5.5 cm 時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)。

　　線(xiàn)圈偏移時(shí)增加的場(chǎng)強(qiáng)要比正對(duì)時(shí)小但也遠(yuǎn)大于沒(méi)有附加線(xiàn)圈時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)。

　　1.3 線(xiàn)圈變小

　　模型以圖 1 為基礎(chǔ)，線(xiàn)圈與工作天線(xiàn)正對(duì)，線(xiàn)圈尺寸縮小為現(xiàn)有尺寸的一半。

　　線(xiàn)圈變小，線(xiàn)圈與標(biāo)簽天線(xiàn)水平平行放置時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)有一定的增加但已經(jīng)不明顯，且當(dāng)小線(xiàn)圈放置長(zhǎng)邊方向與標(biāo)簽天線(xiàn)長(zhǎng)邊方向垂直時(shí)，抵消了大部分中間場(chǎng)強(qiáng)，在 5.5 cm 時(shí)已經(jīng)趨近于 0 A/m(表 3)。

　　1.4 任意線(xiàn)圈

　　本研究所加單圈大環(huán)線(xiàn)圈主要表現(xiàn)為遠(yuǎn)場(chǎng)特性，對(duì)近場(chǎng)幾乎沒(méi)有幫助。

　　1.5 仿真結(jié)論

　　此次研究是有意義的，如果工作天線(xiàn)固定,可以在相應(yīng)的距離上增加相應(yīng)大小的開(kāi)路線(xiàn)圈增強(qiáng)工作天線(xiàn)的場(chǎng)強(qiáng)。而工作天線(xiàn)可以是電子標(biāo)簽天線(xiàn)也可以是終端設(shè)備天線(xiàn)。

　　2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備與電子標(biāo)簽都是北京中電華大電子設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司簡(jiǎn)稱(chēng)華大電子所有的。且電子標(biāo)簽為對(duì)應(yīng)仿真的實(shí)物，見(jiàn)表 4 所示。

　　搭建環(huán)境如圖 8 所示，找一個(gè)可看清線(xiàn)圈位置的閱讀器天線(xiàn)，且天線(xiàn)按實(shí)際應(yīng)用放置，通過(guò)改變低介電常數(shù)介質(zhì)的高度來(lái)改變附加線(xiàn)圈的位置，測(cè)試識(shí)別電子標(biāo)簽的距離。

　　測(cè)試分兩方面來(lái)進(jìn)行，一是附加線(xiàn)圈距離閱讀器天線(xiàn)的距離，二是附加線(xiàn)圈距離電子標(biāo)簽的距離。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 5 和表 6。

　　實(shí)驗(yàn)可以看到增加線(xiàn)圈確實(shí)可以增加標(biāo)簽的識(shí)別距離，與仿真結(jié)果相符，不管附加線(xiàn)圈放在標(biāo)簽側(cè)還是放在閱讀器天線(xiàn)側(cè)，在一定距離處放置附加線(xiàn)圈，識(shí)別距離都會(huì)增加。

　　進(jìn)一步驗(yàn)證，利用華大電子的頻率測(cè)試設(shè)備MP300 測(cè)試附加線(xiàn)圈后電子標(biāo)簽的頻率并找了兩款分別諧振在 12 MHz 和 15 MHz 的標(biāo)簽，驗(yàn)證增加線(xiàn)圈后是否有上個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。從仿真上看到附加線(xiàn)圈的電磁場(chǎng)效應(yīng)改變了工作天線(xiàn)電流分布，且兩者的磁場(chǎng)疊加。這個(gè)實(shí)驗(yàn)將要進(jìn)一步驗(yàn)證阻抗是否改變且對(duì)工作天線(xiàn)的影響，同時(shí)驗(yàn)證哪個(gè)因素影響更大一些。實(shí)驗(yàn)使用標(biāo)簽如圖 9 所示。

　　圖 9 左邊的標(biāo)簽定為標(biāo)簽 1，尺寸為 67 mm ×37 mm，諧振在 12.61 MHz。中間的標(biāo)簽定為標(biāo)簽 2，直徑為 25 mm，諧振在 14.6 MHz。右邊的標(biāo)簽定為標(biāo)簽 3，尺寸為 26 mm×11 mm，諧振在 13.56 MHz。且標(biāo)簽 1 做成的線(xiàn)圈稱(chēng)為線(xiàn)圈 1，頻率在 19 MHz。標(biāo)簽 2 做成的線(xiàn)圈稱(chēng)為線(xiàn)圈 2，頻率在 33 MHz。

　　3 頻率測(cè)試數(shù)據(jù)

　　實(shí)驗(yàn)用具有頻率測(cè)試設(shè)備 MP300、聯(lián)想筆記本電腦、非接觸天線(xiàn)板、電子標(biāo)簽 1 和電子標(biāo)簽 2。

　　實(shí)驗(yàn)思路是把線(xiàn)圈與標(biāo)簽當(dāng)成一個(gè)整體，測(cè)試當(dāng)兩者之間距離不同時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的頻率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 7 和表 8。

　　分析一下數(shù)據(jù)，首先說(shuō)明一下 MP300 的頻率范圍最高為 24 MHz，所以表 7 表現(xiàn)的頻率主要為線(xiàn)圈 1的頻率，而表 8 表現(xiàn)的頻率主要為標(biāo)簽2的頻率，是因?yàn)榫€(xiàn)圈2的頻率為 33 MHz 已經(jīng)測(cè)試不到了。從測(cè)試結(jié)果可以得出以下幾點(diǎn)信息，

　　(1)當(dāng)標(biāo)簽與天線(xiàn)距離加大時(shí)，測(cè)試出來(lái)的整體頻點(diǎn)以靠近閱讀器的線(xiàn)圈為主要頻點(diǎn)。

　　(2)附加線(xiàn)圈在距離標(biāo)簽較近時(shí)頻率往高偏，隨著距離的增加頻率往低偏慢慢靠近本身的頻率后繼續(xù)往低偏。

　　(3)而標(biāo)簽正好相反，與線(xiàn)圈距離近時(shí)頻率往低偏，隨著距離的增加頻率變高，逐漸恢復(fù)。

　　(4)從標(biāo)簽 1 和標(biāo)簽 2 的實(shí)驗(yàn)來(lái)看，標(biāo)簽 1 原本的頻率就偏低，在線(xiàn)圈的影響下就偏的更低了，但是識(shí)讀距離增加了，可見(jiàn)頻偏的影響不是主要的，磁場(chǎng)增加的影響是主要因素。這一點(diǎn)很有意義。

　　因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的兩個(gè)線(xiàn)圈都不是諧振在 13.56 MHz，根據(jù)上述第 1 點(diǎn)，我們用本身諧振在 13.56 MHz 的線(xiàn)圈繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)，使最終表現(xiàn)出的頻率是我們的工作頻率。使用圖 10 的閱讀器天線(xiàn)線(xiàn)圈，稱(chēng)為線(xiàn)圈 4。

　　此時(shí)用線(xiàn)圈 4 和線(xiàn)圈 1 作為標(biāo)簽 2 的附加線(xiàn)圈進(jìn)行測(cè)試，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看出，附加線(xiàn)圈 4 確實(shí)比線(xiàn)圈 1效果要好，為確定線(xiàn)圈頻率是否起了作用同時(shí)找了幾款不同尺寸的閱讀器天線(xiàn)線(xiàn)圈，頻率都在 13.56 MHz，有些許作用但并沒(méi)有達(dá)到線(xiàn)圈 4 的效果，也驗(yàn)證了前面的結(jié)論，磁場(chǎng)的增強(qiáng)占主要因素。

　　進(jìn)一步的使用手機(jī) NFC 天線(xiàn)對(duì)三種標(biāo)簽進(jìn)行測(cè)試，三款標(biāo)簽的尺寸不同，性能有差異，諧振頻率不同，但結(jié)果與上述實(shí)驗(yàn)是一致的。

      4.結(jié)語(yǔ)

　　結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括使用高頻閱讀器、MP300、NFC 手機(jī)，各種標(biāo)簽包含了高頻測(cè)試的大多數(shù)設(shè)備，標(biāo)簽的頻率從 12 MHz 到 15 MHz，也包含了高頻標(biāo)簽的大多數(shù)頻段，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)表明，標(biāo)簽與天線(xiàn)之間增加一開(kāi)路線(xiàn)圈可以增強(qiáng)天線(xiàn)性能，增加識(shí)別距離。可以廣泛應(yīng)用在尺寸較小且有一定識(shí)別距離要求的項(xiàng)目中。