基于基片集成波导(SIW)技术的射频识别近场电磁场约束新器件

《IEEE Journal of Radio Frequency Identification》：Novel Electromagnetic Field Confinement Device Based on SIW Technology for RFID Near-Field Applications

本刊推荐：为解决近场RFID应用中电磁场泄漏和检测范围控制难题，研究团队基于SIW技术开发了一种新型电磁场约束器件。该器件通过纵向开槽波导结构实现可控的场衰减(867 MHz时达1 dB/cm)，实验验证其具备优异的阻抗匹配特性和14 cm检测距离，为零售、智能仓储等近场应用提供了低损耗、可扩展的解决方案。

　　

在物流管理和智能零售领域，超高频射频识别(UHF RFID)技术虽已实现数米范围的远距离读取，但其在近场应用场景中却面临显著挑战。当需要将读取范围控制在几十厘米内时（如零售柜台、智能货架、桌面读写器等），传统天线会产生严重的电磁泄漏，导致读取区域模糊和误读风险。更棘手的是，现有近场解决方案如环形天线虽能通过电感耦合产生局部强磁场，但其检测范围通常仅限于几厘米，且易受环境介质干扰，难以满足实际应用需求。

针对这一技术瓶颈，西班牙巴塞罗那自治大学的Alvaro Jaque、Gerard Zamora和Jordi Bonache团队在《IEEE Journal of Radio Frequency Identification》上发表了一项创新研究，提出了一种基于基片集成波导(SIW)技术的电磁场约束装置。该装置通过精确控制电磁波在横向方向的衰减，实现了对近场区域的精准限定，为解决近场RFID应用的可靠性问题提供了新思路。

研究团队采用的核心技术方法包括：基于SIW的槽线波导结构设计，通过理论计算确定波导宽度与衰减常数的数学关系（公式α_t=√(β²-k_{0²)）；采用Rogers RO3010基板（εr=11.2）的加工工艺，结合银浆边缘金属化技术；通过同轴-SIW转换匹配网络实现阻抗匹配；利用电场探头扫描和Motorola FX7500读写器实测验证性能指标。}

工作原理设计

该装置的创新之处在于利用SIW结构支持表面波模式的特性，通过调整波矢量β的大小，使电磁波在横向（y方向）呈现指数衰减（e^-α_ty）。当|β|>|k₀|条件满足时，波在介质中的相速度低于真空光速，从而形成非辐射性的场约束。针对TE₁₀模式，团队推导出波导宽度与衰减常数的解析关系（公式a=π/√[(ε_r-1)·(2πf/c)²-α_t²]），为精确控制衰减梯度提供了理论依据。

结构设计与实现

为满足欧洲EPC Gen2标准（865.6-867.6 MHz）下1 dB/cm的衰减要求，团队计算出最优波导宽度为55.84 mm。槽线宽度设置为1 mm，既保证足够场强泄露又最小化对TE₁₀模式的干扰。采用指数渐变同轴转换器（L_t=64 mm）实现50Ω阻抗匹配，整体结构长度达596 mm。仿真显示该设计在槽线上方形成均匀电场区域，且电流分布沿z方向对称，确保横向场强一致性。

实验验证与性能

实测结果与理论预测高度吻合：S参数显示在867 MHz处回波损耗优于-20 dB，传输损耗仅0.05 dB/cm，证明银浆金属化工艺的有效性。电场衰减测量表明，在欧洲频段实际衰减达1 dB/cm，美国频段（915 MHz）达2 dB/cm。当输入功率为1 W时，装置可在y方向实现13 cm的可靠读取距离（标签沿z方向放置），且场强在14 cm处衰减至标签激活阈值（2 V/m）以下。

实际应用测试

通过连接商用RFID读写器与SMARTRAC标签的实测表明，该装置在不同标签取向下呈现显著的方向特性：当标签沿z方向放置时读取距离最大，而沿传播方向放置时性能急剧下降。在z方向边缘区域，由于场强呈柱对称分布衰减更快，最大读取距离降至5 cm以下。这种方向敏感性反而有利于精确限定检测区域，避免意外读取。

这项研究的重要意义在于首次将SIW技术成功应用于电磁场约束领域，通过可理论预测的衰减特性实现了近场区域的精准界定。与先前基于超材料的方案相比，该装置将传播损耗从0.15 dB/cm降至0.05 dB/cm，显著提升了系统实用性。其模块化设计允许通过延长结构扩大覆盖面积，而输入功率调节功能更可灵活适配不同应用场景的需求。这种创新设计为智能零售、库存管理和工业自动化中的近场RFID应用提供了可靠的技术基础，展现了SIW技术在微波器件集成化与性能优化方面的巨大潜力。