李建雄，陳明省，宋戰(zhàn)偉，閆必行，郭 陽(yáng)，韓曉迪

（天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387）

UHF RFID閱讀器中相控陣天線的設(shè)計(jì)

李建雄，陳明省，宋戰(zhàn)偉，閆必行，郭 陽(yáng)，韓曉迪

（天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387）

為使閱讀器在有限功率輸出的情況下識(shí)別距離遠(yuǎn)和覆蓋區(qū)域廣，提出了一種新的天線設(shè)計(jì)方案，即采用相控陣天線實(shí)現(xiàn)閱讀器空間區(qū)域的波束掃描，天線單元輻射貼片與地平面開(kāi)槽，陣元尺寸減小51%左右，進(jìn)而減小了天線陣列總尺寸.實(shí)際測(cè)量結(jié)果與仿真分析吻合，該相控陣天線可以工作在902～928 MHz，最大增益為16.05 dBi，主波束掃描范圍達(dá)到±50%，可以有效地?cái)U(kuò)大閱讀器的識(shí)別區(qū)域.

RFID閱讀器；陣列天線；波束切換；小型化設(shè)計(jì)

射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID）技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用市場(chǎng)隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展不斷擴(kuò)大，如應(yīng)用于物流、零售、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[1].然而閱讀器的識(shí)別距離有限、識(shí)別區(qū)域小、天線尺寸大等技術(shù)的不完善性限制了其大規(guī)模應(yīng)用[2-3].天線作為閱讀器的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵因素，直接影響閱讀器的識(shí)別距離和識(shí)別區(qū)域，天線的尺寸也決定了閱讀器的體積[4].

為使閱讀器在有限功率輸出的情況下識(shí)別距離遠(yuǎn)、覆蓋區(qū)域廣，以達(dá)到閱讀器性能最優(yōu)，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)天線進(jìn)行設(shè)計(jì)[5-12].如Ukkonen等[5]研究并比較了裝配不同天線時(shí)閱讀器的識(shí)別區(qū)域，結(jié)果顯示天線增益是影響識(shí)別區(qū)域的主要因素；鄧兵[6]采用三陣元陣列天線代替單個(gè)天線，天線增益明顯提高，識(shí)別距離遠(yuǎn)，但體積過(guò)大，識(shí)別區(qū)域有限；Dhengale等[7]設(shè)計(jì)了二陣元陣列天線，其增益為7.5 dBi，波束寬度為60°，但該陣列天線只有一個(gè)波束，掃描區(qū)域??；Abbak等[9-10]研究的陣列天線在方向上進(jìn)行波束切換，擴(kuò)大了識(shí)別區(qū)域，但只用于接收天線擴(kuò)展有效識(shí)別區(qū)域，沒(méi)有用于發(fā)射天線來(lái)增加最大識(shí)別距離.

針對(duì)UHF頻段RFID閱讀器天線存在的不足，本文設(shè)計(jì)了一種新的天線，即使用相控陣天線實(shí)現(xiàn)閱讀器對(duì)空間區(qū)域的波束掃描.陣列天線的引入使天線主波束狹窄，增益增加.改變天線陣元的激勵(lì)相位，不僅使天線形成多方向波束以擴(kuò)大閱讀器的識(shí)別區(qū)域，而且在同等功率輸出的情況下增加閱讀器的識(shí)別距離.對(duì)陣元的小型化處理也減小了天線陣列的總尺寸.該陣列天線可以工作在902～928 MHz，解決了現(xiàn)有閱讀器天線存在的難題，提高了RFID閱讀器的工作性能.

1 理論分析

1.1 波束切換型陣列天線

在無(wú)源UHF RFID系統(tǒng)中，最大識(shí)別距離可以表示為

式中：λ為工作波長(zhǎng)；Pt為閱讀器的發(fā)射功率；Gt為閱讀器天線的增益；Gr為標(biāo)簽天線的增益；τ為標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片的功率傳輸因子；Pth為標(biāo)簽芯片激活的最小接收功率.在標(biāo)簽天線接收功率不變的情況下，增加識(shí)別距離就要增加發(fā)射功率或者增加閱讀器天線增益.單天線增加天線增益以減小波束寬度為代價(jià)，識(shí)別區(qū)域減小.波束切換型陣列天線增加了天線增益，雖然波束狹窄，但波束可以在多個(gè)方向上掃描，總的識(shí)別區(qū)域得以擴(kuò)展.圖1為波束切換型陣列天線掃描示意圖，控制陣元激勵(lì)相位形成4個(gè)波束，實(shí)現(xiàn)空間區(qū)域的掃描，雖然波束狹窄，但波束總覆蓋面積大于單個(gè)低增益寬波束的覆蓋面積.

圖1 波束切換型陣列天線掃描示意圖Fig.1 Schematic of switched beam array antenna scanning

此外，波束切換型陣列天線的高定向性、較小的波束躍度和較高的角度分辨率可以提高RFID定位的精度，空分多址技術(shù)（SDMA）可以減少或避免碰撞，有效地減少多徑干擾，提高標(biāo)簽識(shí)別率，從而改善RFID閱讀器的使用性能.

1.2 矩形微帶天線

微帶天線以其重量輕、體積小、成本低、易于成形、易于與集成電路匹配等獨(dú)具特色的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用.對(duì)于矩形微帶天線，輻射貼片寬度W、長(zhǎng)度L分別表示為

式中：εr為介質(zhì)介電常數(shù)；f為工作頻率；c為自由空間波傳播速度；εe為有效介電常數(shù).

由式（2）和（3）可以看出，高介電常數(shù)的介質(zhì)可以減小微帶天線尺寸，然而介電常數(shù)的增加容易激發(fā)較強(qiáng)的表面波，表面損耗較大，增益較低，并且?guī)挏p小.為提高增益，可以在天線表面覆蓋介質(zhì)，但制作繁瑣.除采用高介電常數(shù)的介質(zhì)層外，還可以采用輻射貼片或接地平面開(kāi)槽、短路加載、增加有源網(wǎng)絡(luò)、使用超材料等方法減小天線尺寸[13-14].貼片表面開(kāi)槽切斷了原電流路徑，使其發(fā)生彎曲，有效路徑變長(zhǎng)，共振波長(zhǎng)變大，諧振頻率降低，從而減小天線尺寸.接地平面開(kāi)槽引導(dǎo)貼片中電流發(fā)生彎曲，增加電流有效路徑，降低諧振頻率；另外，接地平面開(kāi)槽還可以降低天線Q值，增大天線帶寬.

微帶天線使用同軸饋電易調(diào)整饋電點(diǎn)位置，饋電點(diǎn)在寬度W方向的位移對(duì)輸入阻抗的影響很小，但寬度方向偏離中心位置時(shí)，會(huì)激發(fā)TM1n模式，增加天線的交叉極化輻射，因此寬度方向上饋電點(diǎn)一般選取中心點(diǎn).

1.3 陣列天線方向圖綜合

陣列天線的方向圖通常取決于陣元的輻射特性、數(shù)目、分布和激勵(lì).陣列天線中，空間某一主平面上的主瓣寬度與該平面上的陣元數(shù)目近似有反比關(guān)系[15]，在輻射單元與分布確定后，需要設(shè)計(jì)各單元的激勵(lì)幅度與相位.切比雪夫陣列能夠滿足閱讀器所希望的主副瓣電平特性，其方向圖在指定的副瓣電平下主瓣寬度最窄，在指定的主瓣寬度下副瓣電平最低[16].

根據(jù)方向圖乘積定理，m×n元平面陣列陣因子可由m元線陣與n元線陣陣因子乘積得到.利用切比雪夫函數(shù)構(gòu)造m元陣列的陣因子（即m個(gè)各向同性點(diǎn)源組成的線陣）方向圖函數(shù)為

式中：ak為激勵(lì)幅度；ψ可以表示為.

式中：d為相鄰陣元間距；θ為方位角.

根據(jù)指定的副瓣電平（SLL）值可以求得對(duì)應(yīng)的歸一化激勵(lì)電流幅度及m元陣列陣因子方向圖.各陣元的初始激勵(lì)相位為零，依次加上相等的相位差δ，其方向圖函數(shù)變?yōu)?/p>

則m×n元平面陣列陣因子可表示為

式中：θ為水平方位角；φ為垂直方位角；d1、δ1分別為m元線陣陣元間距與陣元相位差；d2、δ2分別為n元線陣陣元間距與陣元相位差.

因此，通過(guò)改變不同的相位差實(shí)現(xiàn)了波束方向的改變，且饋電相位差δ與波束的掃描角θ、φ有如下關(guān)系.

2 陣列天線設(shè)計(jì)與仿真分析

為減少噪聲信號(hào)進(jìn)入閱讀器，避免其影響閱讀器接收機(jī)靈敏度與選擇性，所設(shè)計(jì)的陣列天線旁瓣電平盡可能低，這樣主波束方向增益也會(huì)增強(qiáng).基于上述理論，設(shè)計(jì)了一種42微帶相控陣天線陣列，用以提高UHF RFID閱讀器的性能.

2.1 天線單元設(shè)計(jì)

圖2所示為天線單元結(jié)構(gòu)圖，輻射貼片和接地平面為銅材質(zhì)，介質(zhì)層為厚度H的空氣層，4個(gè)尼龍柱用來(lái)支撐輻射貼片.輻射貼片的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為W，厚度為h，輻射貼片上開(kāi)2個(gè)“L”形槽.地平面沿寬度W方向向外延伸0.1 λ，沿長(zhǎng)度方向向外延伸0.2 λ，地平面上開(kāi)2個(gè)平行槽.同軸饋電探針穿過(guò)地平面與輻射貼片相連，同軸線直徑為D，并通過(guò)錐形結(jié)構(gòu)與SMA連接頭相連，饋電點(diǎn)在輻射貼片中心.

圖2 天線單元結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of antenna element

為了分析該天線單元特性，在HFSS軟件中建模并仿真.優(yōu)化后，天線單元各參數(shù)為L(zhǎng)=136 mm，W= 100 mm，h=1.2 mm，H=13 mm，D=3 mm.槽1的尺寸為67 mm×8 mm，槽2的尺寸為25 mm×4 mm，地槽的尺寸為30 mm×3 mm.輻射貼片較未開(kāi)槽貼片尺寸減小46%，天線單元較未開(kāi)槽天線單元總尺寸減小51%，有效地實(shí)現(xiàn)了天線陣元的小型化.

天線單元通過(guò)仿真分析，在中心頻率915 MHz時(shí)，反射系數(shù)為-30.4 dB，性能比較理想，其回波損耗（S11）參數(shù)如圖3所示，-10 dB回波損耗帶寬50 MHz，相對(duì)帶寬5.5%，回波損耗帶寬滿足設(shè)計(jì)要求.

2.2 陣列天線設(shè)計(jì)及仿真分析

為使陣列天線具有較大水平方位角，以擴(kuò)大水平方向的識(shí)別區(qū)域，考慮到天線陣元特性，陣列天線陣元間距d1定為λ/2，激勵(lì)電流為切比雪夫函數(shù)分布，比值為，陣元間距d2為3λ/4，激勵(lì)電流相等，并在HFSS中建模，示意圖如圖4所示.假設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)陣元為陣元1，優(yōu)化陣列天線各參數(shù)，使各陣元滿足-10 dB回波損耗，槽1的尺寸變?yōu)?6.8 mm×8 mm.槽1在長(zhǎng)度方向減小0.2 mm，這主要是因?yàn)殛囋g的耦合作用影響了陣元的回波損耗，減小尺寸可以補(bǔ)償參數(shù)偏移，仿真分析后得到陣列天線各電參數(shù).

圖4 陣列天線仿真模型示意圖Fig.4 Simulated model of array antenna

圖5為陣列天線S參數(shù)圖，中心頻率915 MHz時(shí)，天線1回波損耗參數(shù)為-24 dB，天線2回波損耗參數(shù)為-18 dB，天線1與天線2之間的耦合參數(shù)為-15 dB，天線1與天線5之間的耦合參數(shù)S15為-24 dB.天線間的耦合作用降低了天線單元的輻射效率、有效增益及平均功率，過(guò)高的耦合也會(huì)影響輻射方向圖，對(duì)于可移動(dòng)裝置的分集天線，天線間的耦合參數(shù)S12、S15不高于-15 dB就可以接受[17].

圖5 陣列天線S參數(shù)圖Fig.5 Array antenna S parameters

陣元激勵(lì)同相位時(shí)，陣列天線xoz面與yoz面輻射方向圖如圖6所示，中心頻率915 MHz時(shí)，陣列天線增益為16.24 dBi，xoz面半功率波束寬度為34°，yoz面半功率波束寬度為26°.在yoz平面，第一副瓣電平0 dB，后瓣電平-6 dB.

圖6 陣列天線xoz面與yoz面輻射方向圖Fig.6 Array antenna radiation pattern in xoz-and yoz-plane

從式（7）可以得出，不同的相位差可以改變陣列天線主波束指向，圖1中，A為波束1與波束2的交點(diǎn)，B為波束2與波束3的交點(diǎn)，C為波束3與波束4的交點(diǎn).為使閱讀器識(shí)別區(qū)域最大，本文取A、B、C為波束的半功率點(diǎn)，即13.24 dBi.由式（8）求得θd=13°時(shí)δ1=40.5°，θd=39°時(shí)δ1=13°，考慮到耦合與方向圖畸變，通過(guò)優(yōu)化分析，確定θd與δ1的值.表1為θd不同時(shí)對(duì)應(yīng)的δ1取值.

表1 不同指向θd所對(duì)應(yīng)的相位差δ1Tab.1 Values of different θdversus δ1

圖7為相位差δ1=120°、δ2=0°時(shí)陣列天線對(duì)應(yīng)的yoz面輻射方向圖.主波束隨相位差的變化發(fā)生偏移，同時(shí)由于耦合的存在，后瓣電平較同相位激勵(lì)時(shí)發(fā)生變化，若相位差再增加，將會(huì)影響閱讀器的性能.

圖7 δ1=120°、δ2=0°時(shí)陣列天線yoz面輻射方向圖Fig.7 Antenna array radiation pattern at δ1=120°，δ2=0°

3 實(shí)物測(cè)試

基于理論與仿真分析，制作陣列天線樣品，使用安捷倫E5070B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試參數(shù).圖8所示為測(cè)試陣列天線S參數(shù)圖，中心頻率915 MHz時(shí)，S11為-20.9 dB，S22為-22 dB，工作頻段880～936 MHz，-10 dB回波損耗帶寬56 MHz，滿足工作頻段需求；S12為-18.2 dB，S15為-25 dB，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致性良好，滿足通信系統(tǒng)要求.

圖8 實(shí)測(cè)陣列天線S參數(shù)圖Fig.8 Array antenna measured results of S parameters

在微波暗室遠(yuǎn)區(qū)條件下，對(duì)陣列天線陣元的方向圖進(jìn)行實(shí)測(cè)，中心頻率915 MHz時(shí)，陣元xoz面與yoz面的仿真和實(shí)測(cè)方向圖如圖9所示.實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，陣元實(shí)測(cè)增益8.05 dBi，xoz面與yoz面半功率波束寬度分別為60°和86°.

為測(cè)量陣列天線方向圖，仿真制作饋電網(wǎng)絡(luò)，包括不等分功率分配器、3位數(shù)字移相器和2等分功率分配器.含有缺陷地的功率分配器實(shí)現(xiàn)陣元的饋電，數(shù)字移相器通過(guò)二進(jìn)制代碼控制射頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)相位差的改變.圖10為陣列天線yoz面仿真與實(shí)測(cè)輻射方向圖，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果一致性良好，然而，測(cè)試的方向圖仍然有一定的偏差，主要是功率分配器饋電與移相器精度的影響.如圖10所示，仿真的最大增益為16.05 dBi，增益大于13.05 dBi時(shí)陣列天線可掃描角度為±50°.微波暗室遠(yuǎn)區(qū)條件下，當(dāng)δ1=45°時(shí)，陣列天線實(shí)測(cè)最大增益15.65 dBi，選取12.65 dBi為半功率點(diǎn)，接近于仿真結(jié)果.當(dāng)δ1=-120°時(shí)，半功率波束寬度為23°；當(dāng)δ1=-45°時(shí)，半功率波束寬度為27°；當(dāng)δ1=45°時(shí)，半功率波束寬度為26°；當(dāng)δ1=120°時(shí)，半功率波束寬度為22°；掃描區(qū)域?yàn)?48°～47°.

圖9 陣元仿真與實(shí)測(cè)輻射方向圖Fig.9 Measured and simulated antenna element radiation patterns

圖10 陣列天線不同相位差仿真與實(shí)測(cè)輻射方向圖Fig.10 Measured and simulated array antenna radiation patterns with phase difference

為驗(yàn)證該相控陣天線對(duì)閱讀器性能的提升，搭建實(shí)測(cè)平臺(tái)，將陣列天線放置于實(shí)驗(yàn)室角落，標(biāo)簽放置于實(shí)驗(yàn)室不同位置，通過(guò)控制陣列天線饋電相位差，標(biāo)簽可以在不同的方向被識(shí)別.考慮到室內(nèi)空間大小和多徑效應(yīng)的影響，搭建室外測(cè)試平臺(tái)，示意圖如圖11所示.將天線放置于-50°到50°扇形區(qū)域的頂點(diǎn)處，一個(gè)為設(shè)計(jì)的陣列天線，另一個(gè)為工作頻率902～928 MHz、增益7.15 dBi、半功率波束寬度的“XCAF-12D”天線.測(cè)試時(shí)天線的中心距離地面1 m，10個(gè)“Impinj E44”標(biāo)簽與天線相同高度，標(biāo)簽的間隔為1 cm.在θ方向上每1°移動(dòng)一次標(biāo)簽，在ρ方向上每5 cm移動(dòng)一次標(biāo)簽，觀察閱讀器的識(shí)別情況.當(dāng)使用陣列天線時(shí)，讀寫(xiě)器的穩(wěn)定識(shí)別區(qū)域如圖11中實(shí)線圍成的區(qū)域，當(dāng)使用“XCAF-12D”天線時(shí)，穩(wěn)定識(shí)別區(qū)域?yàn)樘摼€圍成的區(qū)域.測(cè)試結(jié)果表明，與7.15 dBi的單天線相比，所設(shè)計(jì)的陣列天線可以在閱讀器有限功率輸出的情況下增加識(shí)別距離和擴(kuò)大識(shí)別區(qū)域.

圖11 陣列天線測(cè)試示意圖Fig.11 Array antenna test schematic diagram

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)閱讀器天線尺寸大、識(shí)別區(qū)域小等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種工作頻段為902～928 MHz的42平面相控陣天線，仿真并制作實(shí)物.輻射貼片開(kāi)槽減小了天線單元的尺寸，在相同諧振頻率下較未開(kāi)槽天線尺寸減小51%.該陣列天線有很好的輻射方向性能，最大增益超過(guò)15 dBi，掃描角度超過(guò)90°，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合.實(shí)測(cè)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)單天線相比，該天線陣有較強(qiáng)的方向性，通過(guò)控制激勵(lì)的相位差實(shí)現(xiàn)波束掃描，擴(kuò)大了閱讀器的覆蓋區(qū)域，大幅度地提高了RFID系統(tǒng)的識(shí)別范圍.

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Design of phased array antenna of UHF RFID reader

LI Jian-xiong，CHEN Ming-sheng，SONG Zhan-wei，YAN Bi-xing，GUO Yang，HAN Xiao-di
（School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

In order to have a far identification distance and a wide working range under the limited power output of RFID reader，a novel design scheme of antenna is presented.It utilizes phased-array antenna to achieve the beam scanning.By means of cutting narrow slots at the radiation patch and the ground plane，around 51%reduction of area is obtained.The design of miniaturization of antenna element reduces array total size.The measured results fit the simulation analysis.The presented antenna operates at 902-928 MHz，the peak gain is 16.05 dBi and the main beam direction can be switched between the angles of±50%，the identification area is expanded effectively.

RFID reader；array antenna；beam switch；miniaturization design

TN92

A

1671-024X（2016）06-0078-06

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.06.014

2016-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61372011，11447196）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與先進(jìn)技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（15JCYBJC16300）

李建雄（1969—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)樘炀€與微波技術(shù)、計(jì)算電磁學(xué).E-mail：lijianxiong@tjpu.edu.cn