0 引言

    土壤是人類賴以生存且不可或缺的自然資源。土壤環境狀況直接影響經濟發展、農產品安全和人體健康^[1]。因而，對土壤環境進行監測必不可少^[2]。采集土壤樣品進行調查監測是監督管理土壤環境資源的重要手段，樣品庫則是保存土壤樣品必不可少的基礎設施。樣品庫不僅能對土壤樣品進行規范保存，而且還匯集了各個土壤樣品的采集信息、制備信息及土壤質量結果報告，對樣品的點位追蹤溯源有著重要意義^[3]。目前普遍使用的土壤樣品庫儲存效率不高，空間利用率低，土壤樣品信息易暴露且信息化管理較弱，運營效率有待提高。隨著我國經濟社會不斷發展，土壤樣品數量呈幾何級增加，傳統的存儲方式很難滿足發展需要。同時，國務院出臺《土壤污染防治行動計劃》明確提出建立數字化、信息化管理水平高的土壤樣品庫，發揮土壤環境大數據的作用^[4]。射頻識別技術是實現庫存管理現代化、信息化、自動化的一個重要手段。射頻識別技術具有讀取速度快、信息容量大、數據傳輸效率高等特性，同時具有很高的數據安全性^[5]，在現代庫存管理中應用廣泛。但是將RFID技術引入土壤樣品管理仍屬首次。目前，在土壤樣品庫的建設中采用密集架設計實現土壤樣品的高效存儲，并對存放的土壤樣品貼附RFID標簽，可以實現高效快速識別不同區域不同種類的土壤樣品，從而提高土壤樣品的盤點和查詢效率，增強土壤信息的安全性。

    RFID系統對于工作環境比較敏感，工作環境中相關物體會對RFID標簽天線讀取造成干擾，導致系統無法正常工作。將RFID技術引入土壤樣品管理首先要解決土壤對于RFID系統性能的影響。目前針對特定環境下RFID系統性能的研究文獻還比較有限。何怡剛研究發現液體環境下RFID系統中標簽天線的阻抗以及增益等會發生明顯改變，進而降低RFID系統的讀取范圍和讀取率^[6]；GRIFFIN J D對金屬環境下RFID標簽天線收發功率進行計算和測量，發現金屬環境導致反向鏈路上RFID標簽天線的18 dB的損耗，并導致標簽天線方向圖明顯失真^[7]。同時，標簽天線貼附方式也會對整個系統性能產生影響。CLARKE R H通過大量實驗的測試結果表明標簽天線在不同的貼附狀態下系統性能差別很大^[8]。

    本文通過Ansoft HFSS軟件對標簽天線貼附方式和樣品瓶中土壤含量進行仿真分析，并通過實驗測試標簽讀取距離和讀取率。結合仿真與實驗結果，采用合適的標簽貼附方式以及樣品瓶中適當土壤含量實現土壤環境下RFID系統的正常工作，并降低使用成本。 

1 RFID系統性能分析

    RFID系統中標簽天線與閱讀器天線通過電磁耦合實現能量與信息的交換，天線增益是衡量天線性能優劣的重要指標，也是影響RFID系統工作的重要性能參數。通過RFID系統前后鏈路方程量化天線性能對于RFID系統的影響。式(1)是Friis方程的變形，用于計算天線極化匹配以及阻抗匹配下RFID標簽接收的用于驅動標簽芯片的能量：

    反向鏈路中標簽天線將經過調制的能量以反向散射的方式傳遞至閱讀器天線。如圖1所示，雙向鏈路模型是對單站雷達模型的修正，其中標簽天線的散射截面影響標簽反向散射至閱讀器的能量，標簽天線RCS^[9]如式(2)所示：

其中，P_reader-tx和P_reader-rx分別是閱讀器發射與接收的能量，40 lgd是自由空間內的雙向路徑損失。通過式(3)可獲取標簽天線增益，并計算材料對于RFID系統造成的能量損耗。

2 標簽天線性能分析

    通過電磁場仿真軟件Ansoft HFSS，針對標簽貼附方式以及樣品瓶中不同的土壤含量進行仿真分析。研究對象為常用的半波偶極子標簽天線ALIEN-9662，標簽采用Higgs-3芯片，其尺寸為73 mm×23 mm。天線結構如圖2所示。

2.1 標簽貼附方式對天線性能影響

    標簽貼附于土壤樣品瓶常用兩種方式：(1)標簽彎曲貼附于標簽樣品瓶，且標簽位于樣品瓶中部，如圖3(a)所示；(2)標簽豎直貼附標簽樣品瓶，標簽頂部與樣品瓶頸部平齊，如圖3(b)所示。土壤樣品瓶為Φ60×120（單位：mm）的棕色鈉鈣玻璃瓶。針對上述兩種標簽貼附方式在HFSS中按照鈉鈣玻璃瓶與標簽原始尺寸進行仿真建模，并將自由空間下橫向水平放置的標簽作為對照，記為貼附方式C。通過比較不同貼附方式下輻射方向圖4(a)、圖4(b)與自由空間中標簽輻射方向圖4(c)的差異，獲取不同標簽貼附方式導致標簽輻射性能的區別。

    圖4為不同標簽貼附方式下標簽天線輻射方向圖，其中極角表示標簽天線的輻射方向，極徑表示標簽天線的輻射強度，單位為dBi。通過比較圖4(a)與圖4(c)可知：標簽平行貼附樣品瓶時天線E、H面最大增益均有所降低，但天線方向圖基本形狀不變。比較圖4(b)與圖4(c)可知：標簽垂直貼附樣品瓶時，天線方向圖發生嚴重變形，且標簽天線增益發生明顯下降。由標簽橫向貼附至縱向貼附過程中，標簽天線的極化方向發生改變，導致閱讀器天線發送至標簽的能量無法實現最大功率傳輸。因此，土壤樣品瓶應避免標簽與樣品瓶的垂直放置，而是采用如圖3(a)所示彎曲貼附于樣品瓶中部實現RFID系統正常工作。

    自由空間下調節閱讀器的發射功率從20 dB～30 dB變化，測量閱讀器天線與樣品瓶距離，獲取兩種標簽貼附方式不同閱讀器發射功率下的標簽的最小讀取距離，實驗設置如圖5所示。根據圖6標簽的最大讀取距離測試結果，貼附方式A在20 dB～30 dB下讀取距離均大于貼附方式B，且隨著閱讀器發射功率的增大，讀取距離的差值逐漸減少至1.1 m左右。

    通過上述的實驗結果可以發現，貼附方式A最大讀取距離明顯優于貼附方式B，與HFSS的仿真結果相匹配。由于貼附方式的不同改變了標簽天線的極化方向，致使無法實現標簽與閱讀器天線間最大能量傳輸，進而改變了標簽的最大讀取距離。

2.2 土壤環境對于天線性能影響

    土壤介電性能會影響RFID系統中微波信號的傳輸和反射。野外采集的新鮮土樣經過風干、磨細、過篩、混勻后裝盤，并挑選出非土壤部分，即為所需的土壤樣品^[10]。根據上文研究結果，貼附方式A標簽最大讀取距離更遠。標簽采用貼附方式A針對樣品瓶中土壤含量對標簽天線性能的影響進行分析。在HFSS中按照原始尺寸建立如圖7所示裝有土壤的樣品瓶模型，RFID標簽頂部與樣品瓶頸部下邊沿齊平，并通過HFSS改變樣品瓶中土壤高度為20 mm～80 mm。

    由圖8不同土壤含量下標簽天線回波損耗曲線可知樣品瓶中土壤對標簽天線的諧振頻率產生影響。當樣品瓶中土壤高度位于標簽下方(20 mm～60 mm)，隨著土壤高度的增加，標簽天線回波損耗從-4.2 dB減小至-5.4 dB，標簽諧振頻率從932 MHz增長至938 MHz。但是當樣品瓶中土壤高度在標簽寬度范圍(60 mm～80 mm)增長，標簽天線諧振頻率出現反向下降。此時閱讀器天線發射的電磁波不僅會在前向鏈路中被標簽后方的土壤吸收，同時在反向鏈路中標簽天線調制后的部分能量也會被土壤吸收。而當樣品瓶中土壤位于RFID標簽下方時，標簽天線僅受到來自標簽下方的土壤樣品干擾。

    根據圖9樣品瓶中土壤含量的不同導致標簽天線阻抗實部（re(Z(2,2))）以及天線阻抗虛部（im(Z(2,2))）發生改變。樣品瓶中土壤高度位于RFID標簽下方時，隨著樣品瓶中土壤高度的增加，在920 MHz～940 MHz的工作頻段區間內標簽天線阻抗的實部和虛部也隨之增加；當樣品瓶中土壤高度處于標簽天線的寬度范圍(60 mm～80 mm)，隨著土壤高度的增加，工作頻段的標簽天線阻抗出現反向降低。標簽天線與閱讀器天線極化、阻抗匹配下標簽天線識別性能取決于功率反射系數以及標簽天線增益^[10]。其中功率反射系數與標簽天線輸入阻抗有關，而標簽天線增益與標簽天線輻射性能有關，因此樣品瓶中土壤含量的改變使得標簽天線的讀取距離發生改變。

    改變樣品瓶中土壤樣品高度從20 mm增長至80 mm。實驗設置標簽與閱讀器天線的間距為20 cm，閱讀器讀取次數為50次，記錄不同閱讀器功率20 dB～30 dB接收到標簽返回信號的次數，實驗設置如圖5所示。根據圖10標簽讀取測試結果可知：當樣品瓶中土壤位于標簽天線下方(土壤高度20 mm～60 mm)，隨著土壤高度增加，標簽讀取次數下降不明顯；當樣品瓶中土壤位于標簽天線范圍（土壤高度60 mm～80 mm），隨著土壤高度增加，標簽讀取次數顯著下降。

    樣品瓶中不同土壤含量導致標簽天線讀取次數發生改變。通過實驗測試結果發現，當樣品瓶中土壤位于標簽寬度范圍時，標簽讀取效果略差于樣品瓶中土壤位于標簽下方。仿真結果也表明，樣品瓶中土壤含量的不同導致標簽天線阻抗與諧振頻率發生偏移，無法實現標簽的最佳工作頻段以及最佳阻抗匹配，對標簽性能產生影響，進而改變了RFID系統讀取性能。

3 結論

    本文利用Ansoft HFSS和RFID標簽讀取試驗針對標簽貼附方式以及樣品瓶中土壤含量對RFID標簽天線ALIEN-9662讀取性能影響進行分析和測試。標簽貼附方式的不同影響標簽天線的極化方向，進而改變標簽天線最大功率傳輸方向，導致不同標簽貼附方式下標簽最大讀取距離變化；土壤影響標簽天線的諧振頻率，使得標簽天線最佳工作的頻段發生改變；同時樣品瓶中土壤含量的不同導致標簽天線輸入阻抗發生改變，使得標簽讀取率改變；土壤與標簽天線相對位置不同對于標簽天線讀取性能影響也不同。上述結論對于土壤樣品庫中標簽天線的使用以及樣品瓶中土壤含量的選取具有實際意義，有助于實現RFID技術在土壤樣品庫中的高效使用。同時對于研究RFID標簽貼附于不同介質的和維護具有借鑒意義。

參考文獻

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作者信息:

李  達，韓冬桂，沈程硯丹，李紅軍，燕  怒

(武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢430000)