科学技术与工程

天线类型	L /μH	R/mΩ	Q	(Q-Q₀)/Q₀/%
5匝紧密型	20.33	115.1	147.6	1.6
6匝分散型	25.02	137.6	150.8	0.5
7匝分散型	28.21	160.2	148.5	1.0
8匝分散型	30.59	168.9	148.2	1.2
9匝分散型	32.50	174.2	149.4	0.4

天线类型	L /μH	R/mΩ	Q	(Q-Q₀)/Q₀/%
5匝紧密型	20.33	115.1	147.6	1.6
6匝分散型	25.02	137.6	150.8	0.5
7匝分散型	28.21	160.2	148.5	1.0
8匝分散型	30.59	168.9	148.2	1.2
9匝分散型	32.50	174.2	149.4	0.4

面向地下探测的高场强射频识别天线优化设计

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张恩康 ¹ , 刘如强 ¹ , 王君香 ¹ , 徐晟航 ¹ , 张厚宝 ¹ , 朱继轩 ²^,^*

科学技术与工程 | 论文·自动化技术、计算机技术 2025,25(1): 278-283

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科学技术与工程 | 论文·自动化技术、计算机技术 2025, 25(1): 278-283

面向地下探测的高场强射频识别天线优化设计

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张恩康¹, 刘如强¹, 王君香¹, 徐晟航¹, 张厚宝¹, 朱继轩²^,^*

作者信息

1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 青岛 266000

2.中国地质大学(武汉)自动化学院, 武汉 430074

张恩康(1992—),男,汉族,甘肃兰州人,工程师。研究方向:电力系统传感感知与维护。E-mail:964065488@qq.com。

通讯作者:

^* 朱继轩(1988—),男,汉族,湖北荆州人,博士,副教授。研究方向:地下无源RFID感知与定位。E-mail:zhujx@cug.edu.cn。

Optimization Design of High Field Strength RFID Antenna for Underground Detection

En-kang ZHANG¹, Ru-qiang LIU¹, Jun-xiang WANG¹, Sheng-hang XU¹, Hou-bao ZHANG¹, Ji-xuan ZHU²^,^*

Affiliations

1. CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266000, China

2. School of Automation, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China

出版时间: 2025-01-08 doi: 10.12404/j.issn.1671-1815.2307922

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摘要

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目前, 用于地下电缆射频识别(radio frequency identification,RFID)探测定位的传统紧密型线圈天线的性能不足严重制约了其探测定位距离的提高。提出了一种新型高场强分散型RFID线圈天线结构,在推导天线相关电气参数的基础上,以天线的磁场强度为目标函数,以其品质因数固定为约束条件,采用粒子群算法对天线的匝数和相邻两匝之间的匝间距进行了优化。最后,搭建了实验测试平台,测试结果表明,与传统紧密型RFID线圈天线相比,所设计的分散型RFID线圈天线将读取距离提高了33.3%,同时明显增强了相同距离下的标签返回信号强度(received signal strength indication,RSSI),有助于提高基于RSSI的地下RFID定位方法的精度,这为地下电缆RFID探测定位的应用提供重要参考。

关键词

射频识别技术 / 电感耦合 / 线圈天线优化 / 地下通信 / 地下定位

Abstract

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At present, the performance of the traditional centralized coil antenna used for radio frequency identification(RFID) detection and localization of underground cables is insufficient, which seriously restricts the improvement of its detection and localization distance. A new type of high field strength distributed RFID coil antenna structure was proposed. Based on the derivation of antenna related electrical parameters, the magnetic field strength of the coil antenna was taken as the objective function, and its quality factor was fixed as the constraint condition. Particle swarm optimization algorithm was employed to optimize the number of turns of the coil antenna and the turn spacing between adjacent two turns. Finally, an experimental test platform was built. The test results show that compared with the traditional centralized RFID coil antenna, the distributed RFID coil antenna increases the reading distance by 33.3%, significantly enhances the received signal strength indicator (RSSI) at the same distance, and helps to improve the accuracy of the underground RFID localization method based on RSSI, which provides an important reference for the application of RFID detection and localization of underground cables.

Key words

RFID / inductive coupling / coil antenna optimization / underground communication / underground localization

引用本文

张恩康, 刘如强, 王君香, 徐晟航, 张厚宝, 朱继轩. 面向地下探测的高场强射频识别天线优化设计. 科学技术与工程, 2025 , 25 (1) : 278 -283 . DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2307922

En-kang ZHANG, Ru-qiang LIU, Jun-xiang WANG, Sheng-hang XU, Hou-bao ZHANG, Ji-xuan ZHU. Optimization Design of High Field Strength RFID Antenna for Underground Detection[J]. Science Technology and Engineering, 2025 , 25 (1) : 278 -283 . DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2307922

正文

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信号地下电缆是轨道交通信号系统的室内外设备信息采集和指令发布的通道^[1-2]。由于受地层地基的影响,常见的金属探测设备难以实现地下电缆的精确定位。通过电子标签对地下电缆进行无线标识的射频识别(radio frequency identification,RFID)有望为地下电缆的快速、准确、方便探测定位提供一种新的途径^[3-4]。该方法能够有效克服传统金属探测设备受地质等条件影响的局限性,在土壤适用范围、操作便利性等方面具有先天性的优势。

由于地下土层的损耗随RFID工作频率的升高而增大,这使得低频RFID技术相比空气环境中的远距离超高频RFID技术具有明显的优势^[5-6],但传统紧密型低频RFID线圈天线的性能不足制约了其探测定位距离的提高,需要对其天线结构及尺寸特性进行优化设计研究。目前的研究主要是采用线圈阵列^[7]或聚焦多环结构^[8]来提高RFID天线的空间磁场,但复杂的天线结构使得其分析方法和仿真比较困难,而且会不同程度地增大天线的尺寸。此外,文献[9]在RFID系统中引入中继线圈有效降低了传输损耗,将RFID工作距离扩展了10倍,这为地下RFID天线的性能增强提供了一种有效途径,但复杂的地下环境增加了中继线圈的安装难度。在与低频RFID工作原理类似的无线电能传输领域,文献[10]以传输效率最高为目标,优化了线圈参数, 将传输效率提高了43.4%。文献[11]以线圈品质因数最大化为衡量标准,研究设计了尺寸约束下线圈的最优匝数和匝间距,将系统的传能效率提升了14.1%。文献[12]以线圈的互感内阻之比最大为优化目标,提出了一种基于灰狼算法的线圈参数优化方法,将系统的能量传输效率提高到93%。线圈内阻的减小可以提高品质因数进而增大能量传递效率,这对无线电能传输是有利的,但在RFID系统中,还需关注数据传输过程,过高的品质因数会导致线圈天线的带宽减小,影响RFID系统数据传输的可靠性。

针对上述不足,现围绕提高地下RFID线圈天线性能的研究目标,设计新型地下RFID线圈天线结构,并对其品质因数进行约束,构建新的RFID天线参数优化设计方法。首先推导计算天线的电气参数,得到天线磁场、品质因数与天线参数之间的关系。之后,构建适用于RFID数据传输的天线参数优化目标及约束条件,引入优化算法计算得到最优的天线匝数和匝间距。最后,利用得到的设计参数,通过仿真对比和实验测试对所提新型地下RFID天线结构及其优化设计方法进行验证。

1 分散型RFID线圈天线结构及电气参数计算

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1.1 天线结构

如图1所示为基于RFID技术的地下电缆探测定位系统。RFID读写器线圈天线位于地面上,地下电缆每隔一段距离布置一个无源标签。读写器通过天线发射一定频率的电磁波信号,当无源标签通过电感耦合接收到信号时会产生感应电流,标签获得能量被激活并返回信息给读写器,进而获取电缆的类型、历史维护记录等信息。目前市面上现有的地下电缆RFID探测定位仪,如广州晨控公司产品CK-GTR650,其探测RFID天线均采用传统的紧密型线圈天线,如图2(a)所示。增加天线匝数可以大幅提高天线中心磁场的强度,然而由于天线电感值的限制,线圈天线的匝数无法有效增加。一种有效的办法可以考虑把传统的紧密型RFID线圈天线改进为分散型RFID线圈天线,如图2(b)所示,通过改变各匝之间的间距来增加天线的匝数,这样各匝线圈产生的磁场将在天线轴线处进行叠加,使得分散型天线产生的总磁场强于传统紧密型天线,进而提高地下RFID探测定位系统的性能。

1.2 天线电气参数计算

对于如图2(b)所示的分散型线圈天线中,在进行电感计算的时候,分散型线圈天线可以认为是N₂个半径不同且相邻两匝之间具有相同匝间距的同心圆形线圈。

线圈由外层到内层第i匝线圈的半径r_i为

(1)r_i=r-(i-1)Δ

根据线圈电感的经验计算公式,第i匝线圈的自感可计算为

(2)$L_{i}=\mu_{0} r_{i}\left[\ln \left(\frac{16 r_{i}}{d}\right)-1.75\right]$

式(2)中:μ₀为真空磁导率;d为导线直径。线圈天线由外层到内层的第i匝线圈和第j匝线圈之间的互感

M i j 13

为

(3) M_ij=μ₀

r i r j 2 k - k K (k) - 2 k E (k)

(4) k=

4 r i r j (r i + r j) 2

式中:k为Litz线的股数;K(k)和E(k)分别为第一类和第二类完全椭圆积分。

根据式(1)~式(3),分散型RFID线圈天线的总电感量L可以表示为

(5)L=

∑ i N 2

L_i+

∑ i = 1 N 2 ∑ j = 1 N 2

M_ij(1-φ_ij)

式(5)中:当i=j时,φ_ij=1;当i≠j时,φ_ij=0。

同时,线圈天线的交流电阻直接影响天线的品质因数。为了降低天线导线的趋肤效应,降低其交流电阻,通常采用多股Litz线进行绕制^[14]。线圈天线的电阻R^[15]为

(6) R=R_dc

1 + k π 3 d s t r 6 720 Δ 2 δ 4

式(6)中:d_str为单股Litz线的直径;δ为趋肤深度;R_dc为线圈天线的直流电阻。其中趋肤深度是关于频率f、导线电导率ρ和导线磁导率μ的函数,表达式为

(7) δ(f,ρ,μ)=

ρ π f μ

(8)$R_{\mathrm{dc}}=\frac{4 \rho}{k \pi d_{\mathrm{str}}^{2}}\left[\sum_{i=1}^{N_{2}}\left(2 \pi r_{i}\right)+\left(N_{2}-1\right) \Delta\right]$

此外,线圈天线通电后在中心轴线将产生磁场,激活地下RFID标签进行正常工作。分散型RFID线圈天线的磁场可以由N₂匝同心圆形线圈产生的磁场进行叠加得到。根据毕奥-萨伐尔定律,分散型RFID线圈天线轴线上任意一点x处的磁场强度H^[16]为

(9) H=

∑ i = 1 N 2 I r i 2 2 (r i 2 + x 2) 3 / 2

式(9)中:I为线圈天线的通电电流。

2 天线尺寸参数优化与仿真验证

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2.1 天线尺寸参数优化

对于分散型线圈天线,增加天线匝数N₂虽然可以增加天线的磁场强度H,但将牺牲其品质因数Q,进而增加天线损耗并降低其效率。这是因为天线的电阻R随着匝数的增加而增大,当天线电感L一定时,电阻R增大意味着较低的天线品质因数Q,即

(10) Q=

2 π f L R

然而,天线的品质因数Q并非越大越好,其越大,天线带宽越小,将影响标签数据的传输。因此,可以考虑在天线品质因数Q为恒定值Q₀的前提下,以天线的磁场强度H最大化为优化目标来确定最佳的天线尺寸参数。

图3为不同匝数下,天线的Q随着匝间距的变化曲线。可以看出,不同的天线匝数,通过改变线圈天线的匝间距,可以调节天线的品质因数值,使得不同匝数的RFID读写器天线的品质因数相等,保证数据传输的带宽。因此,在高场强分散型RFID线圈天线参数优化中,将天线品质因数Q设定为恒定值是可行的。

天线尺寸参数包括匝数N₂、匝间距Δ、线圈天线最外层半径r、Litz线的股数k以及单股Litz线的直径d_str。根据式(9)可知,半径r越大,天线的磁场强度越大,但受地面RFID读写器外部尺寸的限制,半径r在这里取150 mm。同时,绕制的导线采用800×0.1 mm的利兹线,k取800,d_str取0.1 mm。剩下的两个参数匝数N₂和匝间距Δ可以用粒子群算法优化得到。粒子群算法的基本步骤如下:首先,随机初始化一定数量的粒子,通过迭代来寻找问题的最优解;其次,在每一次迭代完成后每个粒子更新自己的位置;最后,将当前位置和群体最优位置对比,判断是否更接近最优解^[17]。

分散型RFID线圈天线的优化目标及相应的约束条件如下。

(11)

m a x (H) Q = Q 0 r i = r - (i - 1) Δ, i = 1,2, …, N 2

基于粒子群算法的线圈天线参数优化流程如图4所示,主要步骤如下。

步骤1 初始化粒子群的大小等参数,理论上粒子种群越大,所搜寻的空间越广,搜寻到最优解越容易,但是所需要的时间也越长,在这里设置粒子群的种群大小为150,最大迭代次数K为100。

步骤2 根据自适应函数H计算每一个粒子的适应度,并且计算粒子的惩罚项权重以及适应度值,惩罚函数则是Q=Q₀,更新粒子的速度和位置,计算粒子最优位置对应的值和对应惩罚项值。

步骤3 迭代次数完成之后,更新历史最优,得到最大的H,然后根据这个最大值对应的最优粒子即可确定最优的匝数N₂和匝间距Δ。

利用MATLAB软件计算得到最优的天线匝数N₂和匝间距Δ,如图5所示。可知,此时最优匝数为9匝,匝间距为8.7 mm,此时分散型线圈天线的磁场强度达到最大值,天线的性能达到最优。

对于图2(a)中的传统紧密型RFID线圈天线, 其参数同样可以采用以上方法进行优化,只需将相邻两匝的匝间距Δ设定为0即可。可以得到:在天线半径为150 mm时,最优的天线匝数为5。

2.2 天线中心磁场强度的仿真对比

为了验证天线参数的优化结果,使用ANSYS Maxwell软件建立9匝分散型RFID线圈天线和传统5匝紧密型RFID线圈天线模型进行仿真,如图6所示。天线半径为150 mm,工作频率设为地下低频RFID系统常用的134.2 kHz,将仿真求解器设为涡流场,天线激励设为0.4 A。

通过仿真计算可以得到,紧密型RFID天线的电感为20.16 μH,此时天线的品质因数为149.23,优化后的分散型RFID天线的电感量为32.28 μH,此时的品质因数为150.24,两者的品质因数值较为接近,符合保证天线品质因数恒定的设计需求。图7为两种天线在中心平面的磁场强度分布,其中颜色越深代表的磁场强度越大。可以看出,在靠近中心位置,分散型RFID天线产生的磁场强度远远大于传统的紧密型RFID线圈天线,同理论分析结果一致。

3 实验测试

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为了验证对RFID平面线圈天线结构的改进效果,制作了5匝传统紧密型RFID线圈天线和不同匝数的分散型RFID线圈天线。利用3D打印技术制作天线骨架,在骨架上进行天线绕制,设计的天线外径为15 cm,绕制的导线为800×0.1 mm的利兹线,绕制的RFID线圈天线的实物图如图8所示。

使用IM3590电化学阻抗分析仪测量两种天线的参数,设置频率为134.2 kHz,结果如表1所示。可以得到,优化后的天线的品质因数与目标品质因数的偏差控制在2%以内,对天线性能的影响可以忽略不计。

搭建如图9所示的实验测试平台,包括读写器、上位机、标签、调谐电容以及刻度尺。由于设计的分散型天线的电感L都发生了改变,因此在测试天线性能时需要对天线的匹配电容进行调整,使天线始终处于谐振状态。在测试过程中,由于距离较近时所有天线都能对标签进行正常读取,因此从30 cm处开始进行测量,距离每隔10 cm采集一次。同时利用上位机采集标签返回的返回信号强度值(received signal strength indication,RSSI)来判断标签所在位置的磁场强度大小,测试结果如图10所示。

当RSSI>90 dBm时,RFID读写器才能正确读取标签信息。从图10可以看出,传统紧密型天线在90 cm处RSSI降低至91 dBm,也就是说传统紧密型天线的最大读取距离在90 cm左右,当距离增大到100 cm时,RSSI降至80 dBm,此时只剩下环境噪声,无法正确读取标签。然而,所提出的分散型天线在120 cm处时RSSI才降低到94 dBm,实现了对标签读取距离的提升。同时,9匝分散型天线的标签读取距离最优,这与前文粒子群算法的优化结果一致。此外,在整个测试范围内,分散型线圈天线的RSSI均高于传统紧密型线圈天线,在增加其匝数后,RSSI在相同位置也会增大。从50 cm开始,RSSI的差值开始变大,增强效果明显,而从80 cm后,紧密型天线无法读取标签,分散型天线还能正常读取,此时RSSI的差值又进一步增大。

综上,传统紧密型RFID天线的标签读取距离在80 cm左右,而新设计的分散型RFID天线的标签读取距离在120 cm左右,读取距离增加了33.3%。同时在相同距离下,分散型RFID天线的RSSI明显大于传统紧密型RFID天线,说明在整个磁场空间,分散型RFID天线的磁场均强于传统紧密型RFID天线,这有助于提高基于RSSI的地下电缆RFID定位方法的精度。通过新型分散型RFID探测天线增加地下电缆的探测距离和定位精度有助于满足近年来轨道交通地下电缆埋深逐渐增大的探测定位需求。

4 结论

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以提高地下RFID线圈天线性能为目标,研究设计了一种新型高场强分散型RFID线圈天线。根据所设计的线圈天线结构,推导了线圈天线电感、内阻、磁场强度、品质因数等电气参数的理论表达式。与目前研究以传输效率、线圈品质因素、线圈的互感内阻之比等最大化为优化目标不同,现构建了适用于RFID数据传输的天线参数优化设计方法,在相同天线品质因素的约束下,以天线磁场强度最大化为优化目标,使用粒子群算法计算得到了最佳的天线匝数以及相邻两匝之间的匝间距。最后,基于Maxwell软件的仿真对比以及实验测试验证了天线的优化设计结果。与传统紧密型RFID线圈天线相比,设计的分散型RFID线圈天线将读取距离提高了33.3%,同时明显增强了相同距离下的标签返回的RSSI。研究成果可直接应用于目前的地下电缆RFID探测定位仪中,替代其传统的紧密型线圈天线,提升地下电缆的探测深度以及定位精度,在轨道交通的地下线缆信息化管理领域具有广泛的应用价值。同时,对于类似原理的磁感应通信系统的线圈优化设计有着参考价值。后续可研究非等匝间距的高场强地下RFID线圈天线及其参数优化方法,进一步提升地下电缆RFID探测定位系统的性能。

基金

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国家自然科学基金(52232013)

参考文献

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文献

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2025年第25卷第1期

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doi: 10.12404/j.issn.1671-1815.2307922

接收时间：2023-10-11
首发时间：2025-07-29
出版时间：2025-01-08

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出版历史

收稿日期：2023-10-11
修回日期：2024-07-04

基金

国家自然科学基金(52232013)

作者信息

1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 青岛 266000

2.中国地质大学(武汉)自动化学院, 武汉 430074

通讯作者:

^* 朱继轩(1988—),男,汉族,湖北荆州人,博士,副教授。研究方向:地下无源RFID感知与定位。E-mail:zhujx@cug.edu.cn。

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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