吳 龍 ，毛陸虹 ，胡焙劍，李建雄,雷 波

(1.天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072；2.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300160)

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步以及生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，無線射頻識別(RFID)產(chǎn)品的成本將不斷地降低，其應(yīng)用將越來越廣泛。由于天線的小型化，天線的孔徑變小，RFID閱讀系統(tǒng)覆蓋的范圍也隨之變小。為了增大閱讀器系統(tǒng)信號的輻射范圍，可以在閱讀區(qū)域部署更多的閱讀器和標(biāo)簽，增大信號的覆蓋密度，或者使用高功率的閱讀器，使得標(biāo)簽天線收到的信號更強(qiáng)。但這兩種方法增加了整個系統(tǒng)的成本和功耗，而且發(fā)射功率過高對人體造成輻射傷害。

為了克服無源RFID系統(tǒng)的工作輻射范圍比較小的問題，參考文獻(xiàn)[1]提到，通過提高閱讀器的靈敏度，使閱讀器的收發(fā)模塊能接收到更加微弱的標(biāo)簽信號，或者通過減少標(biāo)簽的功耗、減低標(biāo)簽電路的觸發(fā)電壓等措施擴(kuò)大RFID系統(tǒng)的閱讀范圍，或者增大閱讀器天線的增益來增加閱讀距離[2]。但是增益增大時會引起波束立體角的變小，提高閱讀器的靈敏度需要對芯片進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)[3]中采用高精度的直接數(shù)字式頻率綜合器(DDS)和可變增益RF功率放大器實(shí)現(xiàn)了電子波束掃描。但是，DDS的引入增加了閱讀器系統(tǒng)的功耗。參考文獻(xiàn)[4]提出了用相控陣天線技術(shù)來擴(kuò)大RFID閱讀器的閱讀范圍，但只是采用了與閱讀器分離的控制信號來進(jìn)行相控陣天線的波束形成控制，波束形成并未與閱讀器有機(jī)地配合。鑒于此，筆者對現(xiàn)有的R1000閱讀器開發(fā)平臺進(jìn)行改造，相控陣天線的波束形

成控制信號取自閱讀器，這樣使控制信號與天線有機(jī)地結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)智能天線的概念，設(shè)計(jì)了讀寫器系統(tǒng)的組成和軟件工作流程，并實(shí)際制作了相控天線陣列。天線陣列由2×2個微帶天線單元、3個功率分配器和1個移相器組成。實(shí)際系統(tǒng)工作可以實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)信號覆蓋范圍的增大。

1 閱讀器的改進(jìn)

本文結(jié)合相控陣天線能實(shí)現(xiàn)電子掃描的特點(diǎn)，提出了RFID系統(tǒng)的改進(jìn)方案，通過閱讀器信號的控制，配合移相技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線掃描的多狀態(tài)，發(fā)射信號通過移相器使得天線的方向角發(fā)生改變，從而產(chǎn)生多個方向的輻射波束，增大了整個系統(tǒng)的閱讀空間。圖1為本文提出的相控陣RFID系統(tǒng)示意圖。

本文提出的相控陣RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用了Intel?R1000超高頻閱讀器開發(fā)平臺。Intel? R1000射頻開發(fā)平臺是英特爾公司開發(fā)的一款可以演示、開發(fā)、高性能、低功耗、高數(shù)據(jù)傳輸率的集成超高頻射頻閱讀器的開發(fā)平臺環(huán)境。Intel?R1000開發(fā)平臺可以被配置成接收天線（RX）和發(fā)送天線（TX）共用或者接收天線與發(fā)射天線分開單獨(dú)使用的狀態(tài)[5]?？紤]到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性與成本，本系統(tǒng)采用接收和發(fā)送天線公用模式。天線陣列中移相器的開關(guān)控制信號可以從閱讀器開發(fā)平臺MCU芯片引出，只需對原有的閱讀器平臺稍加改造，引出控制信號即可，無需對閱讀器芯片進(jìn)行復(fù)雜的改造，容易實(shí)現(xiàn)。Intel?R1000開發(fā)平臺控制信號的部分連接電路如圖2所示。控制電路需要的信號從閱讀器平臺的微處理器AT91SAM7S256-AU-001芯片管腳PA0引出，外接反相器，通過軟件對閱讀器開發(fā)平臺的API函數(shù)的調(diào)用,實(shí)現(xiàn)對MA-COM生產(chǎn)的開關(guān)芯片MASWSS0204的控制，從而實(shí)現(xiàn)波束掃描，擴(kuò)大閱讀系統(tǒng)信號的覆蓋范圍。

安裝閱讀器驅(qū)動程序后，使用Intel提供的API函數(shù)就能實(shí)現(xiàn)對閱讀器的自動控制，實(shí)現(xiàn)天線陣列的電掃描，流程如下：

(1)初始化閱讀器，配置相關(guān)參數(shù)；

(2)設(shè)置天線掃描模式（兩個不同的波束方向）；

(3)打開天線讀寫端口，執(zhí)行讀標(biāo)簽操作；

(4)重復(fù)第(2)步，直到讀寫結(jié)束。

2 相控陣天線的設(shè)計(jì)

無源RFID系統(tǒng)的有效作用距離與標(biāo)簽天線接收到的功率有關(guān)，無源標(biāo)簽天線只有接收到足夠的電磁波能量才能啟動標(biāo)簽電路。從弗里斯傳輸公式(1)得知，天線的接收功率與發(fā)射功率、兩天線間的距離和天線的有效口徑有關(guān)[6]。

其中，Pr為接收天線的接收功率，Pt為發(fā)射天線的發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線的增益，Gr為接收天線的增益，R為兩天線間的距離。天線的增益G與有效口徑面積Ae的關(guān)系為：

而天線口徑面積Ae與波束立體角ΩA有如下關(guān)系：

在一定的頻率下，天線口徑與波束范圍成反比關(guān)系。在標(biāo)簽天線接收到的功率不變的情況下，要增加作用距離R，必須增大發(fā)射天線的功率或者增大天線的增益。天線增益的增大可以增強(qiáng)天線的方向性，但波束范圍卻變小了，不利于RFID系統(tǒng)操作范圍的擴(kuò)大。

2.1 相控陣系統(tǒng)的波束控制原理

在相控陣系統(tǒng)中，陣列天線的波束指向由波束控制系統(tǒng)來執(zhí)行，它主要通過對陣面各單元相位和增益的控制實(shí)現(xiàn)波束空間指向的變化。其中各單元相位變化對確定的陣列天線而言主要取決于天線波束指向角的變化。

式中：△φ為單元之間的相位差；d為單元之間的距離；λ為信號波長；θ為天線波束指向角(如圖3所示)。

圖3 天線波束指向

由式(4)可知，對單元相位變化量進(jìn)行控制就相當(dāng)于對天線波束指向進(jìn)行了控制。如果要實(shí)現(xiàn)對已有若干單元的陣列天線的波束指向，就需要對這若干單元進(jìn)行相位控制，保證單元之間具有圖4所示的同等相位差。也就是說，只需通過計(jì)算△φ，就可以實(shí)現(xiàn)對每個單元相位值就波束指向的控制[7]。

2.2 相控陣天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

波束電掃描狀態(tài)如圖4所示，通過對移相器SPDT開關(guān)的控制產(chǎn)生不同的相位差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩個不同的波束掃描狀態(tài)。上文提到增大天線增益會使天線波束立體角變小，為了在增大天線增益的同時，增大閱讀器的信號波束范圍，通過移相器實(shí)現(xiàn)波束的電掃描，增大了波束的覆蓋范圍。

本設(shè)計(jì)的天線陣列如圖5所示，設(shè)置x方向天線單元之間的距離為 0.45 λ，y方向?yàn)?0.3 λ。移相器在距離為 0.45 λ 的天線單元（1,2）與（3,4）之間產(chǎn)生 90°的相位差，則主波束在天線的H平面產(chǎn)生30°偏移方向角。天線1與2、3與4之間沒有相位偏移。

使用ADS2008分別設(shè)計(jì)了微帶線結(jié)構(gòu)的天線單元、功分器和移相器，并制作成PCB板。PCB制作使用FR4材質(zhì)，介電常數(shù)εr為4.5，介質(zhì)板厚度為1.6mm。天線單元使用的是微帶線側(cè)饋方式。為了提高整個天線陣列各個模塊之間的匹配性，在設(shè)計(jì)時對每個天線單元進(jìn)行了輸入阻抗匹配[8],用安捷倫的E5062A網(wǎng)絡(luò)分析儀對各個模塊進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。圖6是天線單元的回波損耗測試曲線，可以看出在915 MHz的頻率下，回波損耗值為22dB，能很好地滿足設(shè)計(jì)要求。天線的方向圖如圖7所示。

威爾金森功分器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、損耗低和隔離良好等優(yōu)點(diǎn)[9-10]，所以本設(shè)計(jì)在天線陣列中選用這種功分器結(jié)構(gòu)。圖8、圖9為功分器的實(shí)物圖和不同頻率下的s參數(shù)值。從測試結(jié)果可以看出，在915 MHz的頻率下，功分器的回波損耗值為26 dB，隔離度為35 dB。本設(shè)計(jì)使用的移相器為開關(guān)線型移相器，如圖10所示。其基本原理是利用PIN二極管的兩個單刀雙擲開關(guān)，使微波信號從兩條電長度不同的傳輸線通過后，得到兩個不同的相移量，達(dá)到移相的目的[11-13]。而設(shè)計(jì)中使用MA-COM生產(chǎn)的高功率單刀雙擲開關(guān)芯片MASW0204，通過閱讀器對該芯片的控制，達(dá)到移相的目的。移相器的相位差設(shè)計(jì)為 90°，根據(jù)公式(2)，可以獲得 30°的波束掃描角度。圖11所示為移相器的回波損耗測試曲線。從圖9、圖11可以看出，移相器在915 MHz時的回波損耗值為25 dB，有很好的阻抗匹配。

實(shí)際測試結(jié)果與仿真設(shè)計(jì)值有一定的差別，這種偏差主要來源于加工的不準(zhǔn)確和介質(zhì)板介電常數(shù)的不一致，特別是基板材質(zhì)的損耗角正切(TanD)對插入損耗的影響特別大，在條件允許的情況下應(yīng)盡量選用損耗角正切比較小的材料。

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的天線陣列的可行性，搭建了整個RFID系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖12所示。在與天線陣列的中心法線方向大約相差60°左右兩個對稱位置上放置兩個無源標(biāo)簽，對天線系統(tǒng)的兩個掃描狀態(tài)進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在閱讀器的控制下能在預(yù)設(shè)的兩個狀態(tài)中掃描讀取標(biāo)簽的EPC值，證實(shí)了設(shè)計(jì)的可行性，增大了閱讀區(qū)域。圖13為天線陣列的方向圖。

本文設(shè)計(jì)了一種可增大閱讀范圍的相控陣RFID系統(tǒng)，它由改造的 Intel?R1000閱讀器、1個移相器、3個功分器和2×2個微帶天線陣列組成。天線陣列波束在改造的閱讀器控制下能實(shí)現(xiàn)兩個方向的電掃描。在每個天線單元設(shè)計(jì)時分別進(jìn)行了輸入阻抗的匹配，使得整個天線陣列能有很好的阻抗匹配,反射系數(shù)小。在915 MHz的頻率下對整個系統(tǒng)進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能增大閱讀器輻射范圍。本方案是基于現(xiàn)有的閱讀器平臺，引入相控陣天線陣列，使控制信號與天線有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了增大RFID系統(tǒng)輻射范圍的設(shè)想和智能天線的概念，并且易于實(shí)現(xiàn)。

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