鐘亞君，吳次南，劉澤文(.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,貴陽550025;2.清華大學(xué)微電子學(xué)研究所,北京00084)

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用于UHF頻段的RFID波束掃描陣列天線設(shè)計(jì)*

鐘亞君1，吳次南1，劉澤文**2
(1.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,貴陽550025;2.清華大學(xué)微電子學(xué)研究所,北京100084)

Foundation Item:The Innovation Fund for Postgraduate of Guizhou University(No. 2015083)

**通信作者:liuzw@ tsinghua. edu. cn Corresponding author:liuzw@ tsinghua. edu. cn

摘 要:為了擴(kuò)大射頻識(shí)別系統(tǒng)閱讀范圍和提高識(shí)別效率,設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于多標(biāo)簽高效讀取的射頻識(shí)別(RFID)波束掃描陣列天線。采用空氣層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出增益值為6 dBi的圓極化天線陣元并組成2×2平面天線陣,使用開關(guān)線型移相器與威爾金森(Wilkinson)功分器設(shè)計(jì)出天線饋電網(wǎng)絡(luò),并使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)模塊控制陣元間相位變化,實(shí)現(xiàn)波束30°偏轉(zhuǎn)。整體模型尺寸為350. 0 mm×350. 0 mm×5. 7 mm,分別使用微波暗室、射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀以及連接RFID閱讀器測(cè)試,表明天線實(shí)現(xiàn)了4個(gè)方向波束偏轉(zhuǎn)以及識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽。

關(guān)鍵詞:圓極化天線；RFID天線陣；饋電網(wǎng)絡(luò)；波束掃描

1 引 言

在大數(shù)據(jù)時(shí)代,射頻識(shí)別( Radio Frequency Identification,RFID)技術(shù)是建設(shè)智慧物流、智慧城市和物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),也屬于短程通信范疇。RFID系統(tǒng)中的天線性能關(guān)系到系統(tǒng)的整體工作效率。

在RFID系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中,圓極化讀寫器天線因能接收任意極化形式的射頻信號(hào)而被廣泛采用。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的圓極化天線性能良好,但單個(gè)天線受到增益值限制難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離工作。應(yīng)用中有時(shí)要求天線增益達(dá)到10 dBi以上以滿足遠(yuǎn)距離讀取電子標(biāo)簽,同時(shí)要求天線波束覆蓋角度足夠廣以避免漏讀情況。文獻(xiàn)[2-3]設(shè)計(jì)的RFID閱讀器天線陣列有效提高了天線增益,但其波束方向固定?，F(xiàn)行RFID系統(tǒng)中有的采用四通道天線,讀取作用范圍內(nèi)的多個(gè)標(biāo)簽,但是其體積大且易出現(xiàn)漏讀情況。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的天線陣列波束可在兩個(gè)方向偏轉(zhuǎn),但掃描范圍還可進(jìn)一步擴(kuò)展。

本文設(shè)計(jì)了高增益圓極化天線陣元并組成陣列天線,使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,PFGA)模塊控制波束方向,可使天線在三維空間中實(shí)現(xiàn)4個(gè)不同方向(上、下、左、右)的波束掃描,擴(kuò)大閱讀范圍的同時(shí)增加天線增益,有效提高系統(tǒng)讀取標(biāo)簽的成功率,可替代四通道天線設(shè)備,實(shí)用性強(qiáng),便于推廣。

2 天線陣元設(shè)計(jì)

在RFID系統(tǒng)中,為避免收發(fā)天線之間的極化損耗,閱讀器的天線采用圓極化天線,其天線陣元為圓極化微帶天線,輻射貼片的寬度可由以下關(guān)系式[5]得到:

式中:c為光速;f為工作頻率;εr為介質(zhì)介電常數(shù)。由公式計(jì)算得初始寬度值w為98. 9 mm。輻射單元的長(zhǎng)度L與頻率f的關(guān)系式為

其中:

式中:εe為有效介電常數(shù);w/ h為微帶寬高比。陣元設(shè)計(jì)為方形貼片,使w=L,用空氣作介質(zhì)層,以增加其增益。陣元結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線陣元結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the antenna elements

天線陣元共6層結(jié)構(gòu),從上至下依次為貼片層、FR4介質(zhì)層1,空氣層、地層、FR4介質(zhì)層2、饋電層,各層參數(shù)值如表1所示。

表1 天線陣元各層結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab. 1 Structure parameters of antenna array element layers

陣元結(jié)構(gòu)引入空氣層后導(dǎo)致輻射貼片尺寸改變,使用HFSS軟件進(jìn)行優(yōu)化,天線陣元增益仿真值約為6 dBi。

圓極化天線有一個(gè)重要參數(shù)是軸比,當(dāng)圓的長(zhǎng)軸與短軸相等時(shí),即軸比為0 dB時(shí),稱為圓極化波[6]。軸比小于3 dB,視為良好的圓極化天線。本天線陣元軸比仿真如圖2所示。

圖2 陣元軸比仿真圖Fig. 2 Axial ratio simulation of antenna element

3 陣列天線設(shè)計(jì)

對(duì)于同一類型天線的波束寬度與其天線增益的乘積接近一個(gè)常數(shù),在保證天線增益指標(biāo)的前提下,閱讀器天線波束寬度受到限制,可能會(huì)出現(xiàn)天線波束寬度難以覆蓋空間的所有標(biāo)簽[7]。因此,本文設(shè)計(jì)使用波束掃描陣列天線。陣列天線依據(jù)相控陣原理,陣元按照2×2形式排列組陣,通過改變陣元間的相位來控制陣列的主波束方向偏轉(zhuǎn)。天線陣列的波束方向θB與單元間的相位差ΔφB、單元間距離d的關(guān)系式以及不出現(xiàn)柵瓣的條件[8]如下:

受工作波長(zhǎng)限制,天線陣元尺寸較大,對(duì)陣元間耦合影響較大,通過多次優(yōu)化仿真,陣元間距為66 mm,陣元間相位差為90°時(shí),波束偏轉(zhuǎn)接近30°。波束掃描仿真圖如圖3所示。

圖3 波束偏轉(zhuǎn)圖Fig. 3 Beam deflection diagram

在天線陣列中,天線都會(huì)受到耦合的影響而導(dǎo)致性能降低[9]。該陣列天線仿真增益值約為10 dBi,陣列天線波束偏轉(zhuǎn)和增益值達(dá)到基本設(shè)計(jì)要求,使用Altium Designer繪制天線陣列版圖。

4 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與版圖設(shè)計(jì)

饋電網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)威爾金森(Wilkinson)功分器和4個(gè)開關(guān)線型移相器構(gòu)成,威爾金森功分器用來將功率分配給兩個(gè)分支[10]。為增加相互之間的隔離度,在兩個(gè)輸出端口之間添加一個(gè)電阻R;為等分功率,輸入輸出端口微帶線的特性阻抗選為50 Ω;而隔離電阻R值為100 Ω;功分器的雙臂為1/4工作波長(zhǎng),特性阻抗為70. 7 Ω,計(jì)算初值為寬1. 6 mm,長(zhǎng)為45. 5 mm。在HFSS中對(duì)功分器建模并優(yōu)化確定輸入輸出端口微帶寬度為3 mm,雙臂微帶寬度為1. 5 mm。

開關(guān)線型移相器利用單刀雙擲開關(guān)控制微波信號(hào)選擇通過兩條電長(zhǎng)度不同的傳輸線,以得到信號(hào)的相對(duì)相移[11]。本文使用的單刀雙擲開關(guān)為M/ A -COM公司的MASWSS0192,微帶線寬度使用Linecalc軟件計(jì)算初值為3. 0 mm,微帶長(zhǎng)度可根據(jù)相位偏移Δφ由關(guān)系式[12]得到初值:

在HFSS中對(duì)移相器建模并優(yōu)化。單個(gè)移相器和功分器優(yōu)化后,構(gòu)成整體饋電網(wǎng)絡(luò)。結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果實(shí)現(xiàn)了輸出端口90°相位差,饋電網(wǎng)絡(luò)輸出端口的插入損耗關(guān)系式[12]為

式中:P2為輸出功率;Pi為輸入端口功率。通過計(jì)算仿真結(jié)果可知,線型移相器微帶線長(zhǎng)度的不同,導(dǎo)致各端口損耗有略微差異,基本實(shí)現(xiàn)了傳輸功率平均分配給4個(gè)端口,使用Altium Designer繪制饋電網(wǎng)絡(luò)版圖,如圖4所示。

圖4 饋電網(wǎng)絡(luò)版圖Fig. 4 Feed network layout

5 波束掃描控制

波束控制使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)開發(fā)板輸出控制信號(hào), 共8個(gè)輸出端口,連接饋電網(wǎng)絡(luò)中的8個(gè)開關(guān)信號(hào)控制線。PFGA模塊共控制5個(gè)輸出狀態(tài),以天線陣列水平放置為例,波束掃描狀態(tài)分別是左、上,正對(duì)、下、右偏轉(zhuǎn)5個(gè)狀態(tài),每一個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一組開關(guān)控制信號(hào),控制信號(hào)線高低電平數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 控制信號(hào)線輸出信號(hào)表Tab. 2 Output signal of control signal line

使用FPGA做程控設(shè)計(jì)時(shí),控制信號(hào)的輸出分為兩種情況:其一為5個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)5個(gè)不同的按鈕,實(shí)現(xiàn)一個(gè)按鈕控制一個(gè)狀態(tài),便于測(cè)試觀察;另一情況為5個(gè)狀態(tài)自動(dòng)循環(huán)進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)在RFID應(yīng)用系統(tǒng)中波束自動(dòng)偏轉(zhuǎn)識(shí)別電子標(biāo)簽。5個(gè)狀態(tài)自動(dòng)掃描時(shí),使用Verilog HDL在Quartus II中編寫程序?qū)崿F(xiàn)8個(gè)輸出端口的電平轉(zhuǎn)換,導(dǎo)出時(shí)序仿真圖如圖5所示。

圖5 控制信號(hào)輸出時(shí)序圖Fig. 5 Output sequence diagram of control signal

6 實(shí)物加工與測(cè)試

天線陣列由兩塊PCB板組裝而成,兩PCB板間隔1 mm空氣層,整體模型尺寸為350. 0 mm× 350. 0 mm×5. 7 mm。FPGA模塊I/ O端口連接模型中的控制信號(hào)線后,控制波束每間隔1 s切換一次狀態(tài)。樣品連接RFID閱讀器設(shè)備測(cè)試,使用多個(gè)超高頻電子標(biāo)簽作為目標(biāo),結(jié)果表明可實(shí)現(xiàn)3 m以上多標(biāo)簽識(shí)別,實(shí)際閱讀距離低于理論值。

將樣品模塊放在7. 40 m×3. 75 m×3. 75 m微波暗室中測(cè)試其方向圖,測(cè)試場(chǎng)景圖如圖6所示。

圖6 樣品模塊測(cè)試場(chǎng)景圖Fig. 6 Test scene of sample module

天線波束偏轉(zhuǎn)分上、下、左、右以及不偏轉(zhuǎn)5個(gè)狀態(tài),每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)FPGA按鍵。微波暗室中的測(cè)試數(shù)據(jù)使用MATLAB畫出方向圖,如圖7所示。

圖7 4個(gè)方向波束偏轉(zhuǎn)測(cè)試圖Fig. 7 Beam deflection test chart in four directions

測(cè)試結(jié)果表明,天線陣列波束實(shí)現(xiàn)了4個(gè)方向偏轉(zhuǎn)。使用AGILENT E5071C射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試天線陣列回波損耗參數(shù)和輸入阻抗值,其中一個(gè)狀態(tài)的回波損耗參數(shù)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果如圖8所示,天線樣品的加工以及焊接過程導(dǎo)致了誤差。頻率為915 MHz時(shí),S11測(cè)試值為-21. 2 dB,阻抗測(cè)試值為(59-0. 959j)Ω。

圖8 天線回波損耗測(cè)試與仿真結(jié)果圖Fig. 8 Measured and simulated return loss of the antenna

7 結(jié) 論

本文主要針對(duì)高效識(shí)別電子標(biāo)簽的實(shí)際應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)了應(yīng)用于UHF頻段的RFID波束掃描陣列天線。首先數(shù)值計(jì)算了各個(gè)部分的初始值,再利用電磁仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化建模,最后繪制版圖并加工組裝樣品進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:通過FPGA模塊控制天線陣元間相位變化,陣列天線實(shí)現(xiàn)了4個(gè)不同方向的波束偏轉(zhuǎn),天線連接閱讀器設(shè)備測(cè)試實(shí)現(xiàn)了多標(biāo)簽識(shí)別;天線識(shí)別距離低于仿真結(jié)果,主要是含有外加單刀雙擲開關(guān)的饋電網(wǎng)絡(luò)損耗較大。下一步工作需要進(jìn)一步減小整體損耗,增加成品天線增益,提高識(shí)別距離。

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鐘亞君(1990—),男,四川人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樘炀€設(shè)計(jì);

ZHONG Yajun was born in Sichuan Province,in 1990. He is now a graduate student. His research concerns antenna design.

Email:zhongyajun1200@163. com

吳次南(1962—),男,江西人,博士,教授,主要研究工作涉及光學(xué)、光譜學(xué)、理論物理、物理學(xué)史;

WU Cinan was born in Jiangxi Province,in 1962. He is now a professor with the Ph. D. degree. His research concerns optics,spectroscopy,theoretical physics and history of physics.

劉澤文(1960—),男,安徽人,博士,研究員,主要研究方向?yàn)槲㈦娮雍臀⑾到y(tǒng)工藝技術(shù)、RF MEMS器件、集成傳感器以及相控陣天線等。

LIU Zewen was born in Anhui Province,in 1960. He is now a senior engineer of professor with the Ph. D. degree. His research concerns microelectronic and micro systems technology,RF MEMS devices,integrated sensors and phased array antenna.

Email:liuzw@ tsinghua. edu. cn

Design of an RFID Beam Scanning Array Antenna for UHF Band

ZHONG Yajun1,WU Cinan1,LIU Zewen2
(1. College of Big Data and Information Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China; 2. Institute of Microelectronics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Abstract:In order to expand the Radio Frequency Identification(RFID) system reading range and improve recognition efficiency,an RFID beam scanning array antenna is designed for RFID system to identify many tags efficiently. Circularly polarized antenna elements with 6 dBi gain are designed by using air layer structure,and four elements constitute a 2×2 planar antenna array. Feed network is made up of Wilkinson power dividers and switched-line phase shifters,and the Field Programmable Gate Array(FPGA) module changes the phase values of antenna elements regularly for achieving beam deflection of 30°. The size of the sample is 350. 0 mm×350. 0 mm×5. 7 mm. The microwave anechoic chamber,RF network analyzer,and the RFID reader are used to test the performance of the sample. Test results show that the beam deflection in four directions is realized and many tags can be identified.

Key words:circular polarized antenna;RFID antenna array;feed network;beam scanning

doi:10. 3969/ j. issn. 1001-893x. 2016. 02. 012引用格式:劉曉,王紅星,劉傳輝,等.基于橢圓球面波函數(shù)的數(shù)字帶通濾波器設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù),2016,56(2):176-182. [LIU Xiao,WANG Hongxing,LIU Chuanhui,et al. Design of digital bandpass filters based on prolate spheroidal wave function[J]. Telecommunication Engineering,2016,56(2):176-182. ]

作者簡(jiǎn)介:

中圖分類號(hào):TN820. 2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-893X(2016)02-0171-05

基金項(xiàng)目:貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2015083)

*收稿日期:2015-09-30;修回日期:2015-12-18 Received date:2015-09-30;Revised date:2015-12-18