用于腐蚀特性大的超高频RFID标签天线传感器小型化研究
摘要：本文提出了三种基于超高频（UHF）射频识别（RFID）天线的传感器设计，用于微型化的钢腐蚀传感设计。为了描述腐蚀的特点，一种新型天线采用基于微带线理论的带线馈电天线结构。带线馈电的阻抗变化会导致标签天线的失谐，从而可以用标签的阈值来捕捉这种变化。对三维结构的折叠天线进行了重新设计，使非折叠天线小型化，减小了天线尺寸，提高了空间分辨率，但增益减小，灵敏度也降低。为了提高小型化天线的增益和灵敏度，提出了一种T形天线。为了验证天线设计的有效性，已进行了ThingMagic开发套件对专用腐蚀样品的实验研究。研究了所研制的天线的谐振频率特性，对其进行了腐蚀特性分析，但超高频 RFID的带宽限制了测量范围。采用主成分分析法对不同腐蚀阶段进行评价， 减少环境干扰。
索引项：基于标签天线的传感器（TABS）、折测线、腐蚀特性、天线微型化、PCA
一、简介
钢材是建筑、工业和现代生活中广泛使用的材料。然而，钢构件的材料腐蚀是影响其结构的健康状况和力学性能的一个关键问题。腐蚀往往会导致结构和建筑失败。它不仅是经济问题，也是社会安全问题。监测材料腐蚀的增长对以状态为基础的维护以防止事故在早期的阶段是至关重要的。
在腐蚀的检测和表征方面，各种无损检测（NDT）或结构健康监测（SHM）方法，包括电化学阻抗谱（EIS）、磁通、光纤传感器、导波和涡流脉冲热成像（ECPT）正在被研究。EIS具有现场测试、低压无损检测和动力学信息等优点。研究表明，磁法可以准确预测隐藏腐蚀和腐蚀量的估计。光纤传感器的优点是抗电磁干扰、化学惰性、复用能力强和长期测量稳定。据报道，导波能够进行长距离测试，并且能够测试多层结构，而且相对便宜。ECPT结合了电涡流和热成像技术在腐蚀检测中的优越性。但是，上述方法需要有线连接，或者只能应用于本地区域测试。为了远程监测腐蚀状态，研究了用于监测腐蚀的无线传感器，在无线腐蚀传感平台上采用能量采集系统进行设计。从腐蚀过程中释放的微能量被同时用来传感和供电。[1]中提出了一种用于腐蚀的电极式无线传感器。这些研究已经验证了无线通信与腐蚀传感的联系, 但尚未解决自感知问题。
RFID 是一种无源无线通信技术，具有标识每个标记的唯一 ID。在以往的工作中，利用脉冲涡流无损检测技术，对低频 (LF) 射频识别技术进行了研究，并对腐蚀阶段进行了静态响应和瞬态响应。但是，LF RFID技术基于磁共振耦合法限制了通信距离。基于UHF RFID 的传感方法采用电磁耦合技术，可实现了几米无线读取范围，并能穿透介质覆盖的目标对象。基于传感器的平台可用于各种传感目的，采用嵌入式低能耗传感器，但在大规模部署和高密度传感网络建设中，具有相对较大的剖面和复杂的结构。
利用天线作为传感器 (自感知) 获得健康状态信息，具有消除外部电气布线、可切换和复用、降低标签电路能耗的独特优势。目前基于天线的传感器研究应用变形传递模型进行传感。将缺陷引起的变形转移到天线传感器上，产生阻抗变化，通过天线参数的变化来感知缺陷。Yi等人以天线为传感器，提出了基于RFID的压力和裂纹传感技术。Mohammad等人采用谐振频率偏移作为指示器，应用天线传感器进行裂纹扩展和方位检测。研究了基于天线扩展的轴向压力传感弯折天线。这些方法依赖于实际应用中表面条件下的样品和应力转移的牢固接触。过去很少有研究使用超高频RFID检测和评估腐蚀状况。这是因为与应力和裂纹相比，腐蚀的特性明显不同。随着时间的推移，腐蚀层厚度增大，面积扩大，同时也伴随着电磁特性的变化。最近的研究已经得出结论，腐蚀进展将导致腐蚀层材料和厚度的变化，这远远超过金属损耗或金属细化。
为了提高腐蚀特性的空间分辨力，提出了基于RFID的小型化腐蚀传感方法，来克服局部场分布的腐蚀面积扩展问题。在以往的研究中，研究了几种小型化方法，包括短路销、折叠、开槽和高介电常数衬底。在参考文献[20]中提出了一种基于电抗曲面的小型化方法。该方法利用电抗曲面设计控制基板的介电常数。该设计达到了lambda;/11 的大小和minus;5dBi的增益，但天线是孤立的金属。另一种小型化方法是在参考文献[21]中提出的使用Z平面弯折。该方法适用于Z平面的弯曲形状，在水平平面上保持相同的结构。双波段单极天线采用印刷磁性薄膜进行小型化。同样的方法也在文献[23]被研究提出。将介质或磁膜应用于天线进行传感的一个主要问题是天线被设计的天线的平面所隔离。为了平衡灵敏度和天线性能，本文提出了一种新颖的小型化天线设计方法。
本文提出了一种基于微带线模型的弯折线的贴片天线设计方法。应用3D形状的蜿蜒和折叠方法可以进一步降低位置的依赖性。本文的其余部分组织如下: 第二节介绍了腐蚀传感方法。第三节介绍了弯折线馈电 (展开式天线)、3D 天线设计、小型化和T形天线的贴片天线设计，以提高增益。第四部分介绍了原天线设计和小型化天线的实验验证结果。第五部分总结了这项研究，并提出今后的研究。
二、腐蚀传感方法
针对所提出的天线腐蚀特征，这部分首先介绍了腐蚀传感方法。然后介绍了目标样本，并给出了仿真设置。然后讨论了传感参数的选取问题。为了提高传感可靠性，采用PCA法提取腐蚀特性。
- 腐蚀传感方法
本文提出的传感机制是基于微带线模型的。在腐蚀的早期阶段，天线与金属之间发生腐蚀层，厚度增加，如图1(a)所示。这导致电导率和渗透性的减少和介电常数的增大。这也从厚度的增加反映出腐蚀层的体积增加。由于开口贴片天线阻抗匹配线的存在，很难检测到金属存在电导率的变化，但介电常数和渗透率的变化以及厚度的增加是可以测量的。阻抗匹配线的特征阻抗定义为方程(1-2)，其中是基板的有效介电常数，W为微带线的电宽度，H为基板的高度。当H 增加，会增加并导致阻抗匹配线增加。
根据图1(b)中的等效电路，通过传输线理论可知，天线的阻抗由两个分量决定，和阻抗匹配线。如果阻抗匹配线位于腐蚀区域的正上方，根据微带线理论可知，随着腐蚀层厚度增大，增大，从而导致天线的阻抗增大。当标签芯片阻抗从13 j151Omega;(866MHz)到10 j137Omega;(956MHz)时，天线阻抗的增加将导致标签天线的失谐。在本研究中这种失谐用共振频移量化。
- 腐蚀特性仿真设置
在HFSS中对天线的设计进行了建模，根据厚度增加模型，腐蚀结构仿真设置如图2所示。在仿真模型中，30mmtimes;30 mm times;H的矩形为腐蚀层, 置于钢板顶部。根据前人的研究，H代表腐蚀层厚度，并将其设置为40到120mu;m，来模拟不同阶段的腐蚀。腐蚀样品的电导率750000siemens/m和相对渗透性为4。钢板和腐蚀层涂有100mu;m漆，天线直接放在漆层上方。在腐蚀试样顶部模拟了天线的设计，并对其性能进行了不同的腐蚀厚度评估。
- 结果分析与腐蚀表征
分析设计的超高频射频识别天线的一个挑战是阻抗测量。标签天线具有复杂的阻抗，与芯片IC阻抗共轭。测量需要平衡巴伦或同轴固定。这些方法是准确但是复杂的。散射参数S11是天线设计中常用的参数分析方法。虽然S11表明不同腐蚀阶段的天线特性发生变化, 但在 RFID 系统中却不是一个可测量的参数。它可以用方程(3)计算成RFID标签的阈值功率。是标签天线增益，是读取天线增益，是读取器单元的最小传输功率，用于在一定的读取距离上打开标签，例如阈值功率，R是标签和读取器之间的距离，tau;是功率传输系数。如果标签天线的实现增益是唯一变化的参数，并且其他参数保持不变，例如在原位监测中，阈值功率是标签天线增益的反比例函数。
如2.1节所述，腐蚀进展会改变谐振频率。由于RFID标签工作环境中存在着复杂的反射，从而导致噪声反射功率的产生，谐振频率作为腐蚀特性的传感参数被应用。从实现的峰值增益结果中提取谐振频率。
- 腐蚀特征提取的PCA分析
谐振频率偏移从标签的门限功率提取。由于环境干扰，功率指示器具有噪声水平的缺点。PCA是从一组多变量数据中提取显性特征的统计工具。PCA方法利用扫频测量从传感变量中提取显性特征。实施过程包括:
- 将数据集设置为Ntimes;M 矩阵，其中N是所用的腐蚀样本数，M是扫频测量的频率点个数。
- 将数据正常化为零平均值和统一方差。
- 用奇异值分解计算协方差矩阵的特征向量—特征值。
- 选取与最大特征值对应的第一个特征向量作为第一个主分量 (PC1)。
- 将原始数据转换到选定的PC1上，并获得相应的投影系数 (特征)。
采用 PCA方法从腐蚀阶段的多参数中提取显性方差，减轻多种效应，减少噪声，包括环境射频干扰。RFID标签的差分雷达截面 (Delta;RCS) 是背向散射系统中重要的直接可测量参数，但在读取器和标签天线之间有方向性。一个间接可测量的参量，模拟标识符 (AID) 为传感目的被提出并且被证明在PCA结果中贡献到95% PC1。
三、天线传感器的设计与小型化
贴片天线由于具有接地平面而具有金属的存在，但它有尺寸的缺点。在文献[32]中，提出了一种用于超高频RFID的抗金属开口贴片天线。这个天线的磁场和电流分布在贴片下几乎是均匀的。在文献[33]中，当天线的较高电流分布区域发生变化时，天线的阻抗和谐振频率会有显著的变化。这意味着该设计对腐蚀监测的灵敏度较低。
弯折线型是一种超高频射频识别天线结构，其结构紧凑。文献[34]研究了弯折线型天线的电流分布，并在弯曲区增加了表面电流。为充分利用天线结构，减小天线尺寸，集中电流分布，提高灵敏度和分辨率，设计了一种用于金属样品的弯折阻抗匹配线贴片天线。将弯折线结构作为匹配线，可提高贴片单元与匹配线之间的阻抗变化。在本研究中，设计了一种新型天线，用于腐蚀特性的表征。
- 带馈线（未折叠天线）的贴片天线设计
图3中所设计的贴片天线使用弯折线进行阻抗匹配。弯折线结构是通过和定义的多个转弯来折叠阻抗匹配线。为了匹配实验场景，地面平面设置为300mmtimes;150mmtimes;3mm，这是腐蚀样品的大小。设计的天线在 YOZ 平面上具有全方位的辐射模式，如图4所示，其表面电流沿弯折线结构分布，如图5(a)所示。目前在腐蚀样品上的分布也集中在图5(b)中所示。利用天线的蜿蜒形状，天线长度降低到48mm，与文献[32]中提出的抗金属开口贴片天线设计相比减少了64%。
由于样品上的腐蚀面积为30mmtimes;30mm，比天线小，仿真是用不同的d值进行的，设置为图6 (a)所示。d定义为从贴片边缘到腐蚀边缘的距离。为了研究灵敏度与随着d的增加的变化，确定了六个位置，从位置1 (P1)到位置6 (P6)。P1是d=0mm，P2是d=5mm；并在同一距离变化的不同位置；然后P6是d = 25mm。传感仿真结果表明，在 P1和P2中，天线与腐蚀厚度增加成单调关系，如图6(b) 所示。在P2中天线在超高频波段具有最高的灵敏度，获得最大谐振频率偏移22MHz和最大灵敏度为275kHz/mu;m。当d增大时，灵敏度减小，非线性特征明显。这可以用它目前的分布来解释，如图 5 (a) 所示。在d = 5mm的P2位置，腐蚀区域在具有最高的表面电流区域的正下方。随着d的进一步增大，最敏感的区域从腐蚀区移出，导致低灵敏度和非线性数据。如图6(b)所示，是在不同位置，P3，P5和P6随着腐蚀过程损失的单调变化的仿真结果。这意味着天线的传感区域处于弯折线形状的第一周期结构，该天线对腐蚀扩展很敏感。当腐蚀在传感区下方时，腐蚀厚度的增加可以由谐振频移线性反映。
- 折叠天线设计
这部分介绍了一种用于天线小型化的双折叠方法。在文献[36]中，采用改进的辐射模式，提出了一种基于3D 结构的天线。3D 结构用于传感分辨率的改进，如图7所示。
在天线的一侧选择馈点以进行阻抗匹配。对弯折线的尾部长度进行了优化，以获得915 MHz的谐振频率。保持集中电流分布，如图 8 (a) 所示。在腐蚀表面上产生的电流分布如图8(b)所示，其重点是与如图5 (b)所示展开天线相比较小的区域。
该微型天线在H平面上具有全方位的辐射模式，如图9所示。然而，随着小型化，天线的增益明显降低到-27.3 dBi。当弯折线结构被折叠在贴片之下，辐射减少。这将导致通信范围的减小。
这种小型化天线的尺寸只有20mmtimes;20mmtimes;4.8mm，减小了61%。在图10中显示了具有展开和折叠结构的预制天线。左边一个是展开天线，右上角是折叠天线，右下角是T形天线。对这些天线进行了仿真，并对下一节的腐蚀特性进行了实验验证。
折叠天线的仿真使用与贴片天线相同的设置。由于该天线直径比腐蚀面积小， 所以可以放置在腐蚀样品的中心，以提高鲁棒性。仿真结果如图14所示。该结果显示谐振频率与腐蚀厚度之间的线性关系是可识别的，但与展开天线的结果相比要小得多。这个结果表明，折叠方法成功地减小了天线的尺寸，但失去了灵敏度。
折叠天线成功地将天线尺寸降低到20mmtimes;20mmtimes;4.8mm，但增益和灵敏度降低。为了保持传感特性和改善通信效果，设计了T形天线。
- T型天线的设计
折叠天线因其紧凑的尺寸和有损的基板而增益很低。当弯折线结构被放置到贴片的背面，辐射功率从弯折线结构和贴片被阻拦。由于天线增益低，天线参数难以检测并且导致灵敏度低。为了提高天线的增益和灵敏度，本文介绍了可从底层增加辐射的T形结构，如图11所示。
T形天线获得-25.7dBi的增益，比折叠天线高1.6dB。辐射模式转移到两个侧面，而不是折叠天线的一圈，如图12所示。在图13中绘制了T形天线和腐蚀的电流分布，其颜色条与图8相对应。由这个结果可得出，电流分布在天线和腐蚀贴片上。显然，辐射和灵敏度是随着贴片面积减小而增大的。
随着辐射模式的增加，T形天线的灵敏度也随之增加，如图14所示。相比于折叠天线的32KHz/mu;m，T形天线的灵敏度为45KHz
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