一种基于多种群遗传算法的双频RFID标签天线设计方法_杨钊.pdf

PRINTING AND DIGITAL MEDIA TECHNOLOGY STUDY Tol.223 No.2 2023.04印刷与数字媒体技术研究 2023年第2期（总第223期）RESEARCH PAPERS研究论文一种基于多种群遗传算法的双频RFID标签天线设计方法杨 钊1，张 媛1，朱 磊1,2*，杜艳平1，高振清1（1.北京印刷学院 机电工程学院，北京 102600；2.北京印刷学院 邮政行业技术研发中心，北京 102600）摘要 高频和超高频双频RFID标签既能完成近场（13.56MHz）数据交换，又能实现远场（860960MHz）通信，具有巨大的市场潜力。本研究利用改进的惠勒公式设计了双频标签天线中的高频天线，以新型偶极子天线为原型，通过添加电感环结构来产生超高频信号，完成了双频标签天线的初始结构设计；针对传统仿真调参试验无法高效地确定双频天线的最佳尺寸参数问题，提出基于多种群遗传算法的双频标签天线优化设计方法。仿真结果表明：优化后的超高频天线在915MHz时的输入阻抗为（16.75+j349.9）较为接近理想值（22.5+j349），实现了与芯片良好的阻抗匹配；优化后的双频标签天线的尺寸为42mm42mm0.075mm，最大增益为1.4dB，与现有的双频标签天线尺寸相比，在小型化方面也有很大的提高。关键词 双频RFID标签天线；多种群遗传算法；阻抗匹配；标签天线小型化中图分类号 TN821+.4文献标识码 A文章编号 2097-2474(2023)02-98-10DOI 10.19370/10-1886/ts.2023.02.012A Design Method of Dual-Band RFID Tag Antenna Based on Multi-population Genetic AlgorithmYANG Zhao1,ZHANG Yuan1，ZHU Lei1,2*，DU Yan-ping1,GAO Zhen-qing1(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing Institution of Graphic Communication,Beijing 102600,China;2.Postal Technology Research&Development Center,Beijing Institution of Graphic Communication,Beijing 102600,China)Abstract Dual-band high frequency and ultra-high frequency RFID tag can achieve both near-field(13.56MHz)data exchange and far-field(860-960MHz)communication,which has huge market potential.In this study,the high frequency antenna in dual-band tag antenna was designed by using the improved Wheeler formula,and a new type of dipole antenna was used to generate the UHF signal by adding an inductive loop structure,the initial structure design 收稿日期：2022-04-10 修回日期：2022-06-18 *为通讯作者项目来源：北京市教委-市自然基金委联合资助项目循环包装的智能协同调度、回收选址和状态识别的研究(No.KZ202210015020)；北京印刷学院校级项目(No.Ee202204)本文引用格式：杨钊，张媛，朱磊，等.一种基于多种群遗传算法的双频RFID标签天线设计方法J.印刷与数字媒体技术研究，2023，(2)：98-107.2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 982023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 982023/3/27 16:05:492023/3/27 16:05:4999研究论文杨 钊等：一种基于多种群遗传算法的双频RFID标签天线设计方法0 引言RFID（Radio Frequency Identification）技术具有感知、识别、定位、联网等功能，是智能制造核心的信息采集技术之一，能使生产车间更加数字化、供应链更加透明化、产品更加智能化，而标签天线的设计又是RFID系统中的关键技术，目前已成为智能制造领域重要的研究方向之一。RFID具有低频（125134.2kHz）、高频(13.56MHz)、超高频(433MHz、860960MHz)、微波（2.45GHz、5.8GHz）四种主要的工作频段。双频RFID标签是指可以在两个频段工作、同时兼具双频段优点的标签。目前学者研究的双频标签天线有：高频和超高频双频RFID标签天线、超高频和微波双频RFID标签天线1、2.45GHz和5.8GHz双频RFID标签天线2等其他的双频RFID标签天线3。本研究探究的是高频（13.56MHz）和超高频（915MHz）双频RFID标签天线的设计与优化。此标签天线设计的难点主要有以下两点：一是减小高频天线与超高频天线的相互耦合作用，尤其是高频天线对超高频天线输入阻抗的影响；二是实现双频标签天线的小型化。高频和超高频双频RFID标签天线现有的研究成果主要集中在双芯片双频RFID标签天线和单芯片双频RFID标签天线两个方面。在双芯片双频RFID的设计中，P.Iliev等4和Zi Long Ma等5均采用将超高频天线设置在高频线圈天线内部的设计思路，而Sakonkanapong等6却将超高频天线设置在高频线圈天线的外部，并通过特征模理论设计了级联方形回路馈电结构，实现了超高频天线的圆极化。但双芯片同时使用存在两个问题，一是不利于双频RFID标签天线结构的紧凑化设计，二是不利于降低双频RFID标签的使用成本。在单芯片双频RFID标签天线设计中，T.Deleruyelle等7所设计的高频天线使超高频天线的谐振频率下降，并降低了超高频天线的增益。Nam Ha-VanChulhun Seo等8将高频天线和超高频天线设计在同一基板的两侧，从而增加了高频天线和超高频天线的隔离度。然而上述双频RFID标签天线的研究均没有考虑标签天线的小型化。传统的RFID标签天线设计主要依靠设计者所掌握的理论和设计经验，但天线的阻抗特性与天线的结构、尺寸之间往往是复杂的非线性关系，从而导致标签天线的仿真调参工作变得耗时费力。通过智能算法自动完成天线的设计工作成为近年来天线设计的一大趋势，相比于其他智能算法，模式定理和积木块假设保证了遗传算法能够生成全局最优解9，因此众多学者将其应用到天线的优化设计领域。在优化设计RFID标签天线方面，徐龙海等10利用遗传算法对2.45GHz的RFID标签天线进行优化设计，以天线的反射系数作为算法的适应度函数指标，经优化后所设计的标签天线具有与芯片相匹配的输入阻抗。在阵列天线方面，谢少毅等11选择二维非周期阵列的阵元位置为优化对象，经遗传算法优化后降低了栅瓣效应对阵面系统的影响，从而增强了阵面的方向性。然而在实际应用of dual-band tag antenna was completed.Aiming at the problem that the optimal size parameters of dual-band antenna cannot be determined efficiently by the traditional simulation parameter tuning experiment,an optimal design method of dual-band tag antenna based on multi-population genetic algorithm was proposed.The simulation results showed that the impedance of the optimized UHF tag antenna at 915MHz was 16.75+j349.9,close to the ideal impedance of 22.5+j349,and achieved good impedance matching with the chip.The size of the optimized dual-band tag antenna was 42mm42mm0.075mm,and the maximum gain was 1.4dB.Compared with the existing dual-band tag antenna size,the antenna is also greatly improved in miniaturization.Key words Dual-band RFID tag antenna;Multi-population genetic algorithm;Impedance matching;Tag antenna miniaturization2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 992023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 992023/3/27 16:05:502023/3/27 16:05:50100印刷与数字媒体技术研究2023年第2期（总第223期）中，标准遗传算法（Standard Genetic Algorithm,SGA）可能出现过早收敛陷入局部最优的情况。随着对遗传算法研究的不断深入，有学者提出多种群遗传算法12，进而将其引入到天线设计与优化领域，如胡蓉13将多种群遗传算法引入极化多重信号分类算法谱峰搜索部分实现对入射电磁波波达方向和极化信息的估计。刘士林等14采用多种群遗传算法优化透射和反射元件的分布，构造了具有高增益的透射 反射阵列天线。在优化天线应用中，相较于标准遗传算法，多种群遗传算法不仅具有更好的全局搜索能力，而且加快了算法的收敛速度。本研究首先根据改进的惠勒公式设计出双频天线的高频天线，在已有高频天线的基础上，以新型偶极子天线为原型通过添加电感环结构设计超高频天线，从而完成了双频标签天线的初始结构设计。通过编写MATLAB-HFSS-API，构建基于多种群遗传算法和HFSS自动建模并优化双频天线尺寸参数的程序，完成了高频和超高频双频RFID标签天线的优化设计任务。1 双频RFID标签天线的初始结构设计1.1 双频RFID标签芯片本研究所用RFID标签的芯片是斯沃琪集团旗下半导体公司EM微电子生产的EM4423芯片，该芯片是双频芯片，支持超高频的ISO/IEC 18000-63和EPC Gen2V2接口协议以及高频ISO/IEC 14443A-3协议和NFC Forum Type 2接口协议。该芯片典型的应用模式如图1所示，芯片的电气性能参数见表1。1.2 天线设计目标无源RFID标签的能量来源仅为RFID阅读器发射在空中的射频能量，为了提高标签的应答距离，根据最大功率传输理论15，所设计的标签天线应与标签芯片达到共轭匹配状态，即：（1）其中，Za为天线阻抗，Za=Ra+jXa，Ra为天线电阻，Xa为天线电抗，Zc为芯片阻抗，Zc=Rc-jXc，Rc为芯片电阻，Xc为芯片电抗，为芯片阻抗的共 轭值。从表1可知，EM4423芯片工作频率在13.56MHz时输入电容为50PF，相当于其容抗为234.74，所以高频RFID标签天线在13.56MHz时的感抗应为234.74，即电感为2755nH。芯片工作频率在915MHz时的输入阻抗是22.5-j349，因此超高频RFID标签天线在915MHz时应具有22.5+j349的输入阻抗来与芯片共轭匹配。本研究双频标签天线的基底为介电常数r=2.7、损耗角正切tan=0.003、厚度h=0.075mm的PET 薄膜。1.3 高频部分天线设计高频天线采用了方形线圈结构，线圈结构的内径用din表示，外径用dout表示，线宽用w表示，线间距用s表示。高频天线的初始结构根据文献16所提出的改进惠勒公式设计。（2）其中，L为高频天线的电感，为真空磁导率。K1、K2为改进的惠勒表达式的系数，分别为2.34和2.75，n为线圈的匝数，davg是线圈的平均直径，如式(3)。（3）式(4)表示线圈的填充率。（4）UHF+HF+UHF-HF-EM4423图1 EM4423芯片的典型应用模式Fig.1 Typical application mode of EM4423 chip表1 芯片的电气性能参数Tab.1 Electrical performance parameters of the chip工作频率（MHz）输入电容（PF）输入阻抗（）13.5650-915-22.5-j3492023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1002023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1002023/3/27 16:05:502023/3/27 16:05:50101研究论文杨 钊等：一种基于多种群遗传算法的双频RFID标签天线设计方法考虑到RFID标签天线在实际生产中，多采用铝蚀刻工艺，线宽要比铜丝缠绕的宽，所以将线圈天线的间距和线宽设定为0.5mm，带入公式(2)得到式(5)。（5）将L=2755nH带入公式(5)得到匝数n与线圈外径dout的对应关系，见表2。表2 线圈天线匝数n与线圈外径dout对应表Tab.2 Number of turns of the coil antenna(n)corresponds to the outer diameter(dout)of the coilndout(mm)ndout(mm)470.5931.7551.81030.5642.21129.8736.91229.5833.7需要说明的是：在标签的封装和使用过程中，会引入一些杂散电容和电感，导致天线的谐振频率下降，所以在天线的设计过程中，需将高频天线的谐振频率刻意提高23MHz17。如图2所示，通过HFSS计算，当匝数为11、线圈外径为29.8mm时，高频天线的反射系数S11在13.84MHz处达到最低，即为天线的谐振频率。12.512-80-70-60-50-40-30-2013.51314.51415.51516频率(MHz)S11(dB)X：13.56Y：-45.66X：13.84Y：-77.57图2 初始高频天线的S11Fig.2 S11 of the initial HF antenna就高频天线的谐振频率和实现高频RFID标签天线小型化而言，匝数为11、线圈外径为29.8mm的天线结构和尺寸更符合设计要求，图3是所设计的高频天线的初始结构，a表示天线过桥部分三角形的边长，b表示天线中连接垂直边和水平边的斜边的长度，c表示高频天线为与芯片连接延伸的长度，e表示过桥的长度，R表示过桥两端的半径。其初始结构尺寸见表3。表3 高频天线的初始参数Tab.3 Initial parameters of HF antenna尺寸参数尺寸（mm）dout29.8din8.8w0.5s0.5a6b8.94c3e15R1.51.4 超高频部分天线设计如图4所示，超高频天线为左右对称的弯折偶极子天线。针对EM4423芯片容抗较大的特点，本研究在偶极子天线的基础上增加了电感环结构用ceRsabdindout高频天线上层高频天线下层w图3 高频天线的初始结构Fig.3 Initial structure diagram of HF antennaL4W4W5L1L3L2W2W3电感环矩形贴片W1图4 超高频天线的初始结构Fig.4 Initial structure of UHF antenna2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1012023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1012023/3/27 16:05:502023/3/27 16:05:50102印刷与数字媒体技术研究2023年第2期（总第223期）子和人工选择算子，以实现种群之间的个体交流与竞争，有利于多种群协同进化，从而有效避免了算法陷入局部最优的情况，如图7所示，其中，SGA表示进行选择、交叉、变异、重插入等标准的遗传算法操作。人工选择种群1SGA移民算子人工选择种群2精华种群最优个体结束是否满足收敛条件？SGA移民算子展开多种群人工选择种群NSGA移民算子初始化种群是否图7 多种群遗传算法流程图Fig.7 Flow chart of multi-population genetic algorithm来调节天线的输入阻抗。天线的输入阻抗随电感环长度L4和宽度W2变化的曲线如图5所示，从中可以看出在一定范围内随着L4、W2的增大，天线阻抗的实部和虚部都呈上升趋势，且天线阻抗的变化范围包含其输入阻抗的目标值（22.5+j349），从而有望实现天线与芯片的阻抗匹配。根据波长与频率的关系，偶极子天线的谐振频率与天线臂长度密切相关，本研究在设计超高频天线时考虑到天线小型化的设计目标，限制了天线臂的长度，但如图6所示天线臂的长度L1和宽度W1会对天线的输入阻抗产生较大的影响，所以天线臂的长度和宽度同样是本研究优化天线结构尺寸的两个重要考量因素。此外为改善超高频天线在H面的辐射方向，本研究在偶极子天线的基础上还设计了长为L3和宽度W3的矩形贴片，用来改变天线表面的电流分布，从而使其能够沿着期望方向辐射。20030040050060040363228242016128401000阻抗()22202426283032L4(mm)a.随L4变化实部虚部20030040028242016128401000阻抗()23.5232424.52525.526W2(mm)b.随W2变化实部虚部图5 超高频天线阻抗随L4、W2变化的曲线Fig.5 Curves of UHF antenna changed with L4 and W22 多种群遗传算法多种群遗传算法不同于标准遗传算法单种群进化的方式，其实行多种群同时进化，增加了移民算200300242016128401000阻抗()39384041424344L1(mm)a.随L1变化实部虚部20030040028242016128401000阻抗()10.51.522.53.534W1(mm)b.随W1变化实部虚部图6 超高频天线阻抗随L1、W1变化的曲线Fig.6 Curves of UHF antenna changed with L1 and W12023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1022023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1022023/3/27 16:05:502023/3/27 16:05:50103研究论文杨 钊等：一种基于多种群遗传算法的双频RFID标签天线设计方法3 双频RFID标签天线的优化3.1 双频RFID标签天线的优化参数针对本研究所设计的双频RFID标签天线的初始结构，根据上述设计思路，本研究将高频天线的外径dout、超高频天线臂的长L1和宽W1、电感环的长L4和宽W2和矩形贴片的长L3和宽W3作为待优化的变量，各变量的取值范围见表4。表4 优化变量的取值范围Tab.4 Scope of optimization variables参数长度取值范围（mm）dout2830L13843W10.53.2L42333W22326L30.510W3133.2 双频RFID标签天线的优化方案本研究采用多种群遗传算法优化双频RFID标签天线，主要的关键步骤如下。1）创建初始化种群将待优化的天线尺寸参数以二进制形式进行编码，编码位数为4。共生成Mp个种群，种群规模为N，代沟为Ggap。为平衡双频RFID标签天线优化时间与优化结果，最终将Mp设置为2，N设置为5，Ggap设置为0.9。2）计算个体的适应度计算个体的适应度的目的是控制种群的进化方向并更新最优个体。本研究的优化目标是使双频RFID标签天线的输入阻抗与EM4423芯片的输入阻抗相匹配，天线的反射系数S11可以反映天线与芯片的阻抗匹配程度，如果超高频天线在谐振频率（915MHz）处的S11能够满足工程要求（S11-10dB），说明天线与芯片具有良好的阻抗匹配。下面对RFID天线的S11进行分析。RFID标签的等效电路图如图8所示。标签天线标签芯片ZaZcVa图8 RFID标签的等效电路Fig.8 Equivalent circuit of RFID tag根据复功率波S1118的计算公式得到标签天线的S11，如式(6)。(6)本研究利用电磁仿真软件HFSS计算了超高频天线在915MHz及其附近的910MHz、920MHz和928MHz处的S11，并赋予不同权值进行求和运算作为个体的适应度函数，即 （7）其中，不同频率处S11的权重W见表5。表5 不同频率处S11的权重Tab.5 Weight of S11 at different frequencies频率（MHz）权重W9100.29150.59200.29280.13）选择、交叉和变异操作多种群遗传算法的选择策略采用遗传算法常用的轮盘赌策略，交叉操作采用单点交叉策略，交叉概率是根据众多学者研究的经验在0.7,0.9范围内随机取值，变异操作采用位点变异策略，变异概率同样根据先前的研究经验在0.005,0.09范围内随机取值。4）移民操作和人工选择操作在完成相隔固定的进化代数后，通过移民操作，目标种群最劣个体被替换为源种群的最优个体，通过人工选择操作找出各个种群中的最优个体，并保存在精华种群中。5）种群迭代更新与终止本研究设置了3种种群进化终止的条件：最优个体的适应值达到目标值：-15dB；种群迭代2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1032023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1032023/3/27 16:05:502023/3/27 16:05:50104印刷与数字媒体技术研究2023年第2期（总第223期）达到最大遗传代数：150代；最优个体最少保持的代数达到设定值：100代。满足上述任一条件，多种群遗传算法将终止优化程序，否则转步骤3和步骤4产生新的种群，计算个体的适应度，更新最优个体，同时记录最优个体保持的代数以及种群的总遗传代数，直到算法满足终止条件为止。3.3 双频RFID标签天线的优化结果图9为多种群遗传算法的优化过程。从图9可以看出，多种群遗传算法的最优解即个体的适应度从-5dB降到-12dB，达到了工程要求，说明多种群遗传算法有效地优化了双频RFID标签天线的初始结构，达到了本研究的设计目标。经优化后双频天线的结构如图10所示，天线的结构尺寸参数见表6。120 140 160100806020400-12-11-10-9-8-7-6-5进化代数最优解(dB)图9 多种群遗传算法解的优化过程Fig.9 Optimization process of the multi-population genetic algorithm 芯片图10 双频标签天线结构图Fig.10 Structure diagram of dual-band tag antenna经优化超高频天线的阻抗如图11所示，天线在915MHz时阻抗为16.75+j349.9较为接近目标值22.5+j349。从图12可以发现天线在915MHz时S11达到最低且为-16.6dB，符合双频标签天线中超高频天线的工程要求，从图13可以看出高频天线的谐振频率为14.63MHz此时的S11为-78.04dB，满足双频标签天线中高频天线的设计目标。表6 优化后的天线尺寸参数Tab.6 Optimized antenna size parameters参数尺寸（mm）参数尺寸（mm）dout29L142din8L217.9w0.5L38.7s0.5L424.1a6W13b8.94W25.85c3W31.4e15W41.1R1.5W51160240320400800阻抗()0.9100.9140.9180.9220.9260.930频率(GHz)X:0.915Y:16.75X:0.915Y:349.9虚部实部图11 超高频天线的阻抗Fig.11 Impedance of UHF antenna-13-11-9-7-15-17S11(dB)0.9100.9120.9140.9160.9180.920频率(GHz)X:0.915Y:-16.6图12 超高频天线的S11Fig.12 S11 of UHF antenna-70-60-50-40-30-80S11(dB)1313.51414.515.51516频率(GHz)X:14.63Y:-78.04图13 高频天线的S11Fig.13 S11 of HF antenna2023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1042023年2期印刷与数字媒体技术研究（正文拼版）2023-3-22.indd 1042023/3/27 16:05:512023/3/27 16:05:51105研究论文杨 钊等：一种基于多种群遗传算法的双频RFID标签天线设计方法此外如图14所示，所优化的超高频天线的增益也有较好的表现，最大增益为1.4dB，在H面=0和=180方向有较大的增益，保证了双频RFID标签天线拥有较好辐射方向和应答距离。双频标签天线的最终尺寸为42mm42mm 0.075mm，从表7可以发现与其他双频标签天线的尺寸相比，标签天线的小型化程度有了显著的提高。4 结论本研究通过改进的惠勒公式和在偶极子天线加入环形结构的方法设计了一款单芯片双频RFID标签天线的初始结构，并分析了影响标签天线输入阻抗的关键结构，为下一步天线结构尺寸的优化奠定了基础。通过编程实现了MATLAB和HFSS联合仿真，完成了基于多种群遗传算法的双频RFID标签天线尺寸自动优化的任务，优化后的超高频天线的输入阻抗为16.75+j349.9，较为接近理想阻抗值（22.5+j349），在谐振频率（915MHz）处天线的S11为-16.6dB，达到了工程要求（S11-10dB）。双频RFID标签天线1.001.101.201.3060-6090-90120-120150-150-18030-300a.H面增益(dB)b.E面增益(dB)-6.00-4.00-2.000.0060-6090-90120-120150-150-18030-30090-150-18060-12030-90150-60-30120150-1200-15030-1806015090120-90-30-60z2.004.006.001.001.101.201.300.00c.H面和E面增益(dB)图14 天线增益图Fig.14 Antenna gain pattern表7 天线尺寸与最大增益Tab.7 Antenna size and maximum gain方法文献5文献6文献7文献8本研究尺寸（mmmmmm）52830.895950.884540.880400.842420.075最大增益（dB）-1.892.080.511.4的尺寸为42mm42mm0.075mm，最大增益为1.4dB，与现有的双频RFID标签天线的尺寸相比，所设计的标签天线具有小型化的优势。本研究利用多种群遗传算法完成了双频RFID标签天线与所用芯片阻抗匹配的任务，并且实现了标签天线的小型化，但RFID标签的应用环境是复杂多样的，因此在未来的研究中，将探索新的方法来加速完成特种RFID标签天线的设计与优化的工作。参考文献1 CHA J H,KIM Y J,CHO Y C,et al.A Dual-Band Low-Power-Consumption Active RFID Tag Based on a Meander FPCB Antenna for Subway Vehicle Management 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