祝国凯，巩玉鑫，侯岱双
（1.长春工程学院机电工程学院，吉林长春 130012；
2.长春工业大学机电工程学院，吉林长春 130012）
近年来，随着轨道交通行业的发展，智能制造逐渐引起了研究人员的重视［1-3］，结构健康监测（Structural Health Monitoring，SHM）和无损检测（Nondestructive Testing，NDT）在轨道交通、石油天然气管道、航空航天、核能和电力设备等重要领域应用较为广泛，及时有效地对金属构件（转向架、钢、铁、铝、钛合金等）进行健康检测尤为重要［4］。转向架是高铁稳定、安全运行的重要部件之一，在高速列车长期、快速的运行中，转向架会产生疲劳裂纹或是在焊缝处出现裂纹，裂纹会导致转向架整体结构的安全系数降低，产生安全隐患，若不及时发现会发生重大安全事故，造成人员伤亡事故和财产损失。因此，对转向架金属结构的裂纹进行检测就显得尤为重要。目前，结构健康监测技术分为有线和无线两种，其中有线监测技术具有高精度、高分辨率、高稳定性等优点，但存在部署复杂等问题。而无线监测技术不存在部署复杂问题。通过无线无源微带天线进行裂纹检测，有效地解决了电源供电的问题，可在自身简易的电路结构环境中获取能量，并且制备过程简单，大幅降低了制作成本［5］。因此本文选用无源有芯片射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）标签天线，能够稳定地检测金属裂纹。
目前RFID技术在国内外广泛应用于金属结构健康监测领域研究中。陈岚等［6］基于RFID分层式矩形微带天线检测机床裂纹长度、宽度、相对位置和相对角度的变化情况，通过仿真结果分析能够监测出裂纹的变化情况。文豪等［7］采用无源RFID标签天线传感器对技术裂纹深度进行检测，最终通过测试可达到毫米级精度。Caizzone 等［8］提出一种标签天线，裂缝两端贴有两个标签天线，通过相位信息观察裂缝宽度的变化。Marindra等［9-10］对金属裂纹宽度的检测进行了一系列研究，利用无芯片RFID 传感标签检测金属裂纹的相关参数，可以实现毫米级的裂纹宽度检测。
为了满足RFID 标签在金属表面工作的需求，本文设计了一种应用在超高频频段的微带贴片型RFID抗金属标签，配合RFID芯片，结构简单，制造方便，通过贴片与金属接地板对电磁波的反射来增加读取距离，并分析金属裂纹长度变化对标签天线谐振频率的影响，通过高频结构仿真（High Freqnency Structure Simulator，HFSS）软件分析仿真结果，使其更适合在金属表面工作。
阅读器与标签之间主要通过阅读天线与标签天线的信号传递进行工作。其工作原理［11-12］如图1 所示，RFID系统工作时，阅读器发射电磁波，当标签天线电感式电压达到峰值时，芯片中的集成电路开始工作，将标签中的信息以信号的形式通过标签天线发送回阅读器，阅读器接收到调制信息后，将信息传送到PC 端，通过PC端识别标签信息。
图1 RFID系统组成图
RFID标签中最重要的是标签天线与芯片的阻抗匹配，当标签天线与芯片阻抗匹配时，标签的工作效率最高；
当标签天线和芯片阻抗不匹配时，阅读器发出的电磁波的一部分能量会被反射回源，而不是继续向外辐射，标签的工作效率会降低。
RFID标签中，标签天线的性能是十分重要的，随着标签天线的尺寸发生变化，标签天线的性能参数也会发生不同形式的变化。在RFID 系统通信时，通常考虑的是阅读器与标签天线之间的阅读距离［13］。在给定的工作频率下，标签天线的性能对RFID 系统的最大读取距离起到很大的影响。其中，阻抗匹配是标签天线极其重要的参数，决定了标签芯片与标签天线之间的能量传输。标签天线的增益决定了标签的阅读距离；
标签天线的方向决定了标签的读取角度范围。因此标签天线的性能对RFID 系统能否正常运作起到至关重要的作用。
2.1 天线的设计
研究人员常用传输线模型、谐振器模型和全波理论来分析微带天线［14］。本文主要运用了前两种方法。微带天线设计、阻抗匹配以传输线模型为理论基础，利用谐振腔模型得到微带天线的各电磁场量在空间中的分布规律。微带天线辐射贴片的尺寸与介质基板材料的有效介电常数εeff、厚度h有关，根据传输线模型，由于微带天线贴片的长度与宽度都是有限的，贴片边缘的少量电力线会发生弯曲暴露在空气中，这被称为边缘效应［15-16］。由于此效应的存在，贴片的电尺寸会稍微大于实际几何尺寸，计算天线谐振频率时应该考虑该问题。因此有微带天线的经验公式如下。
谐振频率：
宽度：
有效介电常数：
电长度增量：
长度：
贴片有效长度：
式中：c0为自由空间的光速；
Le为面电流路径长度；
εe为基材介电常数；
εr为介质层介电常数；
h为介质层高度。
天线的复阻抗为Za＝Ra＋jXa，芯片的复阻抗为Zc＝Rc＋jXc，其中Ra、Rc为电阻，Xa、Xc为电抗。为了使标签天线在工作频率下有较大的功率传输系数，需要实现微带天线与标签天线的良好的阻抗匹配［17］。
功率传输系数：
芯片可以接收到的最大功率：
式中：Pa为标签天线接收到收发天线的最大功率。根据匹配原理Za＝，τ ＝1，当天线阻抗与芯片阻抗达到共轭匹配时，两者之间的传输功率达到最大。
反射系数Γ与τ的关系式为
其中，反射系数：
由式（10）可得τ ＝｜Γ ｜2＝1，功率传输系数与功率反射系数绝对值的平方之和为1。
回波损耗S11：
由式（11）可知天线反射系数越大，回波损耗越大，由此可知阻抗匹配影响天线的各个参数。在天线工作谐振频率处，其接收的激励信号被谐振腔吸收，S11数值最低，反射能量最小。
2.2 标签天线的最大读取距离
在超高频RFID 系统中，读写器天线与标签天线之间的最大读取距离为RFID 标签天线设计中重要的性能参数［18］。RFID标签的最大读取距离主要由两方面决定，分别是前向链路与后向链路。前向链路主要指标签芯片吸收阅读器所发射的功率，从而达到开启自身功率的最大距离Rtag；
后向链路主要指读写器能够检测到标签所反射信息的最大距离Rread。由于标签芯片的灵敏度远远大于阅读器芯片接收反向散射信号的灵敏度，故在标签理论设计与计算读取距离时，通常只考虑前向链路Rtag值。对于前向链路，Rtag可以通过Friis方程进行计算。在Friis方程中，接收天线所接收到的信号功率为
可得到传输距离：
故标签天线吸收阅读器发射功率达到开启自身功率的最大距离：
式中：Pt为读写器的发射功率；
Gt为读写器天线的增益；
R为通信的读写距离；
λ 为波长；
Gr为标签天线的增益；
Pth为标签芯片的读取灵敏度；
MEIRP＝PtGt，为有效全向辐射功率。
测试选用的RFID 读写器频率为860 ～960 MHz，取925 MHz为谐振频率，介质材料为FR4，FR4 的介电常数为εr，介质厚度h为1.6 mm。经过上述公式计算设计出一款贴片长度为84 mm×9.43 mm的T形微带天线模型，如图2 所示。
图2 T形贴片天线模型
2.3 金属裂纹检测仿真原理
金属裂纹检测原理为：以金属表面作为微带天线的接地板，当辐射贴片下方表面出现裂纹时，裂纹处的电导率突变使接地板的电流绕过裂纹尖端流动，造成电流路径改变，导致微带天线的谐振频率发生变化［19-20］。
如果产生的裂纹垂直于辐射贴片的宽度方向，将会引起此次设计天线的谐振模式的电流路径长度增加。
模拟裂纹置于介质基板的下方，如图3所示。通过HFSS软件模拟转向架金属结构裂纹长度方向的变化。
图3 裂纹仿真实验
3.1 标签设计仿真
对于RFID 标签来说，标签天线与标签芯片间的阻抗所形成的共轭匹配是实现标签芯片对标签稳定供能与实现标签最佳性能的关键。本文采用三维电磁仿真软件HFSS对标签进行设计和仿真，HFSS 软件可以精确地模拟和计算天线的各种性能参数，包括天线的谐振频率、回波损耗S11、天线阻抗、增益、电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）、辐射方向图等。
图4 为T形匹配微带标签的回波损耗S11（X为中心频率，Y为回波损耗S11）。T 形匹配的微带贴片标签中心频率为915 MHz，S11值为-30.798 9 dB。从S11值可以看出其具有较好的传输性能。
图4 标签的回波损耗S11
若使标签具有较好的传输性能，则标签与芯片需具备较好的阻抗匹配。本文所选用的标签芯片型号为Alien Higgs 3，在915 MHz 下的阻抗值为Zin＝27 -j201，单位为Ω。则标签天线的共轭匹配应为Zin＝27＋j201。图5 为T 形匹配微带标签的阻抗（X 为中心频率，Y 为阻抗），图5（a）和图5（b）分别为T 形匹配微带贴片天线阻抗的实部与虚部，标签的输入阻抗为Zin＝27.1 485 ＋j203.3 329。
图5 标签的阻抗
图6 为T 形匹配微带标签的VSWR（X 为中心频率，Y为驻波比），VSWR值为1.059 4。由VSWR值可以看出这种标签具有较好的匹配性能与较好的标签入射和反射功率。
图6 标签的驻波比
综上所述，本文所设计的UHF_RFID 抗金属标签具有良好的匹配性能与较好的标签入射与反射性能。
3.2 金属裂纹检测
使用HFSS对存在的直裂纹进行仿真。首先建模，在介质层下表面随机位置开一个长10 mm、深1.5 mm的槽，模拟金属接地板出现裂纹的情况，通过仿真改变裂纹长度为2 mm、4 mm、6 mm、8 mm来发现裂纹变化对微带天线的影响，如图7 所示。
图7 不同长度的裂纹引起的S11参数图
通过仿真得出，相较于没有裂纹时（长度为0 mm时），直裂纹的中心谐振频率由915 MHz向右偏移，出现少量变化，金属裂纹引起了中心谐振频率的上升，从而在理论上使得其读取距离变大。
RFID系统的工作原理为RFID 阅读器的发射功率P1、标签天线接收信号的功率P2和RFID芯片接收天线得到的功率P3与芯片出厂设置的激活功率Px之间的关系。若设定芯片是完好的且可以正常工作，阅读器与标签天线之间无障碍阻挡，且端口与极化都匹配，由雷达散射公式，接收天线收到的最大功率为
式中：G1（θ，Φ）、G2（θ，ψ）分别为读写器发射天线与标签天线的增益；
λ0为真空中波长；
R 为读写器与标签天线的距离；
f为谐振频率。
根据第2 节的天线最大传输功率理论，天线在工作谐振频率处可以接收到的功率为
将阅读器天线的功率大小设置为在指定距离刚好可以激活RFID芯片，此功率大小可由式（11）得到：
根据以上原理和仿真，当接收天线处于正常工作的谐振频率时，从设定好的阅读器天线中所接收到的功率刚好可以在指定距离激活标签芯片，但是当辐射贴片下的金属表面出现裂纹时，标签天线的谐振频率发生偏移，使得阅读器可以激活RFID 芯片的距离发生改变，使用以上原理可实现裂纹检测。
基于RFID技术和微带天线自身对裂纹检测的原理，设计了一款中心频率为915 MHz 的抗金属标签，实现了远距离对裂纹的无损检测。当辐射贴片下方金属表面存在裂纹时会导致天线的中心谐振频率变化，从而导致识别距离偏离标定的距离，以此来实现裂纹检测。通过对标签裂纹的仿真，能够发现随着裂纹长度的微量变化，标签读取距离变大。使用HFSS 软件优化结构和尺寸，可以很好地完成RFID 芯片与微带天线的阻抗匹配，使得天线的性能得到很好的优化。通过对天线裂纹的仿真，虽然只能检测垂直裂纹，但是RFID芯片有独自的识别编码，可以通过合理的阵列进行检测，实现对面积较大的金属表面进行裂纹检测。在后续研究中还需考虑裂纹的深度和宽度对谐振频率的影响，在实际应用中某些因素需要考虑，例如气候变化和环境对读写器与标签天线的影响。
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