徐利國, 王永明(昆明理工大學(xué) 管理與經(jīng)濟學(xué)院， 昆明 650093)

新型圓極化微帶天線在物流倉儲中的研究與設(shè)計

徐利國, 王永明
(昆明理工大學(xué) 管理與經(jīng)濟學(xué)院， 昆明 650093)

在RFID系統(tǒng)中，讀寫器天線在數(shù)據(jù)通信過程中起著至關(guān)重要的作用，天線的設(shè)計及其制造技術(shù)會直接影響整個RFID系統(tǒng)的功能。為了使RFID技術(shù)在倉儲管理的信息采集過程中更加靈活、高效、準(zhǔn)確。設(shè)計了一種新型圓極化微帶天線,采用Rogers TMM4作為介質(zhì)層，通過同軸探針對輻射貼片進行饋電，對長方形輻射貼片的兩條長邊采用等邊三角形切割，該切割使微帶天線工作方式變?yōu)閳A極化，同時增加了微帶天線的工作帶寬，降低了反射系數(shù)。該天線的仿真表明反射系數(shù)最低為-14.426 dB，中心工作頻率為915 MHz，反射系數(shù)小于-10 dB的帶寬范圍為910～923 MHz，增益高達(dá)5 dB。

物流倉儲; RFID技術(shù); 微帶天線; 反射系數(shù)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)[1]的迅速發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)與物流產(chǎn)業(yè)的深度融合，物流逐漸成為炙手可熱的行業(yè)。射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)作為一種非接觸的的行業(yè)，尤其智能物流在物流公司中興起[2]。自動識別技術(shù)，利用射頻信號和空間耦合來完成自動識別和信息交換技術(shù)在物流倉儲管理方面的應(yīng)用得到各個物流公司的重視。引入RFID技術(shù)，對倉庫貨物配送、入庫、出庫、移庫、庫存盤點等各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進行自動化的數(shù)據(jù)采集，保證了物流與供應(yīng)鏈管理各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)輸入的速度和準(zhǔn)確性，確保了企業(yè)及時準(zhǔn)確地掌握庫存和在途的真實數(shù)據(jù)，合理保持和控制庫存，極大的提高了自動化程度，大幅度降低了差錯率，顯著提高了物流倉儲的管理透明度和管理效率，使企業(yè)對倉儲物資的管理更加高效、靈敏、準(zhǔn)確，降低了企業(yè)的管理成本，增加了企業(yè)競爭優(yōu)勢。

由于物流業(yè)的不斷發(fā)展壯大，物流倉儲管理過程中對RFID技術(shù)的性能要求也越來越高，某些倉庫要求RFID系統(tǒng)能夠在更遠(yuǎn)距離更嚴(yán)峻環(huán)境的基礎(chǔ)上快速、準(zhǔn)確、靈敏的讀取和采集信息，成為各個物流公司最關(guān)注的問題,而目前使用的微帶天線普遍存在各種缺點不能滿足這些要求[3]。從RFID技術(shù)原理上看，RFID標(biāo)簽性能的關(guān)鍵在于RFID標(biāo)簽的特點和性能，在標(biāo)簽與讀寫器數(shù)據(jù)通信過程中起著關(guān)鍵作用的是天線,射頻識別讀寫器位于射頻識別系統(tǒng)的最前段,其性能對于整個系統(tǒng)來說至關(guān)重要[4]。一方面，標(biāo)簽的芯片啟動電路開始工作，需要通過天線在讀寫器產(chǎn)生的電磁中獲得足夠能量；另一方面，天線決定了標(biāo)簽與讀寫器之間的通信信道和通信方式，因此天線是RFID研究的重點。

近年來，國內(nèi)才開始對RFID的天線進行研究，而對專用的RFID天線的研究更為不足。國內(nèi)的低頻射頻讀寫器天線和高頻射頻讀寫器天線設(shè)計技術(shù)比較成熟，但在超高頻頻段以及微波頻段上，與國外相比，存在一定差距。超高頻射頻讀寫器 (UHF RFID)具有傳輸速度快、識別距離遠(yuǎn)、靈活方便、安全可靠[5]等諸多優(yōu)點，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的UHF RFID讀寫器的天線，接收器從遙遠(yuǎn)的距離接收采集信息時，接收器的靈敏度也是一個重要的性能指標(biāo)，所以天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計也要簡單方便，適應(yīng)各種環(huán)境[6]針對目前市場的需要，研發(fā)滿足特定需求的電子標(biāo)簽天線是一個熱點與難點，其具有廣闊的商業(yè)價值和應(yīng)用前景。

因此針對上述要求，在傳統(tǒng)的A型簡并模微帶天線的基礎(chǔ)上設(shè)計一種新型的天線來滿足目前市場的需求。本文設(shè)計了一種新型圓極化微帶天線,通過在長方形輻射貼片的一條對角線上被等腰直角三角形切割，同時采用等邊三角形在輻射貼片的長度方向上進行切割。上述兩次切割使微帶天線工作方式變?yōu)閳A極化，并利用HFSS軟件對其進行了建模和仿真優(yōu)化[7]。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)A型簡并模天線進行相比，新型微帶天線具有更好的反射系數(shù)。同時，新型微帶天線具有較好的天線帶寬和增益，優(yōu)良的性能提高了倉儲管理水平，大幅度降低了差錯率和管理成本，增加了企業(yè)競爭優(yōu)勢。

1 新型微帶天線的結(jié)構(gòu)

為了使該天線的頻帶展寬，并考慮天線的體積和重量等因素，所以采用Rogers TMM4作為介質(zhì)層，且介質(zhì)層的厚度h=6 mm。同時，為了使該天線工作在圓極化方式下、擁有較低的反射系數(shù)和相對較寬的帶寬，因此在輻射貼片的一個對角線方向上有等腰直角三角形切口、長度方向上有較多的等邊三角形切口，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 新型圓極化微帶天線俯視圖

圖2 新型圓極化微帶天線三維圖

參考圖1，接地板的長度為LGND，寬度為WGND，介質(zhì)的厚度為h，輻射貼片的長度為有等邊三角形切口的方向且長度為L，寬度為W，等腰直角三角形的直角邊長為c，兩等腰直角三角形的面積之和為Δs，等邊三角形的間距DL，邊長為2*TL。

2 天線的設(shè)計步驟

這種新型圓極化微帶天線的結(jié)構(gòu)是基于A型簡并模微帶天線基礎(chǔ)之上的，在A型簡并模天線的輻射貼片的長度方向上用一定尺寸和間距的等邊三角形來切割形成的，故先從基本的A型簡并模天線的尺寸開始分析和設(shè)計。

2.1 A型簡并模天線的設(shè)計

在設(shè)計中，天線中心工作頻率為915 MHz，選用的介質(zhì)基板材料為Rogers TMM4，其相對磁導(dǎo)率μr=1，相對介電常數(shù)εr=4.5，正切損耗tanδ=2×103。微帶天線的介質(zhì)基板厚度h=6 mm[8]。

當(dāng)基板的厚度及材料屬性確定以后，根據(jù)天線工作的中心頻率fr利用公式(1)即可求得輻射貼片的寬度W，如式(1)。

(1)

其中：c為光速。

長度確定公式如式(2)。

(2)

式中，εe是有效介電常數(shù)，ΔL是指等效輻射縫隙的長度。它們可以分別用下式計算，即為式(3)、(4)。

(3)

(4)

接地板尺寸的確定。在實際應(yīng)用設(shè)計中，接地板的寬度和長度應(yīng)盡可能的小，以便降低天線的體積。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，長度和寬度，確定為式(5)、(6)。

(5)

(6)

依據(jù)式(1)、(3)、(4)、(5)和(6)可得微帶貼片長度L=75.2 mm，寬度W≈L=75.2 mm。接地板長度LGND=106.1 mm,寬度WGND=106.1 mm。采用背面方式進行饋電，通過文獻[9]中的公式可以計算出天線的饋電位置d=10.8 mm。

為了求解簡并分離單元Δs，我們首先需要求解微帶天線的品質(zhì)因數(shù)QT。根據(jù)輻射電阻、Q值和天線效率的計算[10]中的Q值計算公式和A型簡并分離單元的微帶天線分析[11-12]中的簡并分離單元Δs計算，如式(7)、(8)。

(7)

|Δs/s|QT=1/2

(8)

我們可以求得微帶天線的品質(zhì)因數(shù)QT=27.764 5，Δs=101.79 mm2，因而矩形切角邊長c=10.1 mm。

通過上面計算得到的微帶天線的參數(shù)，借助HFSS仿真軟件建立微帶天線的模型，經(jīng)過不斷的優(yōu)化，最終將接地板的尺寸設(shè)置為130 mm×130 mm，同軸饋線的內(nèi)徑設(shè)為r1=1 mm，外徑設(shè)為r2=4.8 mm，距離輻射貼片邊沿距離為d=10.4 mm，輻射貼片長度為L=74.6 mm，寬度為W=74.6 mm,接地板的長度為LGND=106.1 mm,寬度為WGND=106.1 mm。微帶天線的HFSS模型，如圖3所示。

圖3 A型簡并模天線HFSS模型

其反射系數(shù)，如圖4所示。

圖4 A型簡并模天線反射系數(shù)仿真圖

由圖4可看出，曲線在中心工作頻率點915 MHz處，反射系數(shù)達(dá)到最小為-13.06 dB，而在907 MHz到921 MHz的頻帶范圍內(nèi)，天線的反射系數(shù)都小于-10 dB。

3 新型圓極化微帶天線的設(shè)計

保持以上微帶天線的參數(shù)不變，對輻射貼片加以處理，如圖1所示。在輻射貼片的長度方向上用等邊三角形來進行切割，等邊三角形的間距DL，邊長為2*TL，個數(shù)為n。這種結(jié)構(gòu)有利于天線的反射系數(shù)降低，天線的工作帶寬提高，而增益卻基本保持不變。

利用HFSS進行不斷優(yōu)化，最后確定DL=0.6 mm，TL=0.6 mm，n=20。其俯視結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

其反射系數(shù)S11和頻率的關(guān)系，如圖6所示。

由圖6可知，天線的中心工作頻率接近915 MHz，天線的反射系數(shù)S11在910～923 MHz的頻帶范圍內(nèi)小于-10 dB，在此頻帶范圍內(nèi)該天線的仿真反射系數(shù)最低約為-14.426 dB，明顯低于采用傳統(tǒng)方法設(shè)計的A型簡并模天線的反射系數(shù)，如圖7、圖8所示。

圖5 新型圓極化微帶天線俯視圖

圖6 新型圓極化微帶天線S11

圖7 新型圓極化微帶天線E面和H面增益圖

圖8 新型圓極化微帶天線3D增益圖

4 兩種天線的對比

由上述仿真圖和描述可知，A型簡并模天線的工作帶寬是907 MHz到921 MHz，在此帶寬范圍內(nèi)的反射系數(shù)最小為-13.06 dB，由此參數(shù)加上現(xiàn)如今的物流發(fā)展趨勢可知，目前的天線性能參數(shù)已經(jīng)不太能滿足當(dāng)今物流倉儲[13]的發(fā)展需要，在更遠(yuǎn)距離更嚴(yán)峻的環(huán)境下，由于天線性能的問題，可能無法確保系統(tǒng)能準(zhǔn)確的掌握庫存和在途的真實數(shù)據(jù)，進而無法合理保持和控制庫存，從而增加了倉儲管理的難度，也提高了管理成本。而新型的圓極化微帶天線在傳統(tǒng)天線參數(shù)不變的情況下，對輻射貼片加以處理，在長方形輻射貼片的一條對角線上被等腰直角三角形切割，同時采用等邊三角形在輻射貼片的長度方向上進行切割。上述兩次切割使微帶天線工作方式變?yōu)閳A極化，同時增加了微帶天線的工作帶寬，降低了反射系數(shù)。新型的圓極化微帶天線的工作帶寬增加到910～923 MHz，反射系數(shù)也降低到-14.426 dB，增益基本上維持在5 dB左右。優(yōu)良的性能參數(shù)確保了企業(yè)及時準(zhǔn)確地掌握庫存和在途的真實數(shù)據(jù)，合理保持和控制庫存，極大的提高了自動化程度，大幅度降低了差錯率，顯著提高了物流倉儲的管理透明度和管理效率，使企業(yè)對倉儲物資的管理更加高效、準(zhǔn)確、科學(xué)[14]，降低了企業(yè)的管理成本，增加了企業(yè)競爭優(yōu)勢。

通過對比可得出，新型圓極化微帶天線比傳統(tǒng)的A型簡并模天線設(shè)計更加完善，結(jié)構(gòu)更加簡單，性能更加良好。新型的圓極化微帶天線更加適用現(xiàn)在的大型物流倉儲管理，更符合物流快速發(fā)展的趨勢。

5 總結(jié)

本文根據(jù)現(xiàn)型物流倉儲管理的需要，設(shè)計出的新型微帶天線，確保了RFID技術(shù)在物流倉儲管理過程中信息的采集更加快速、準(zhǔn)確、靈活、提高物流倉儲管理的透明度和效率，合理保持和控制庫存，降低因系統(tǒng)性能缺點而導(dǎo)致的庫存差錯、企業(yè)管理成本提高和企業(yè)競爭力降低，使得企業(yè)的倉儲管理更加高效、科學(xué)。通過敘述微帶天線的結(jié)構(gòu)，設(shè)計新型微帶天線，進行HFSS仿真、優(yōu)化等，在已有的三角形對稱切角天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計出的新型的微帶天線仿真了其反射系數(shù)曲線圖和增益圖。其結(jié)果表明：與已有的三角形對稱切角天線相比，新型的微帶天線具有更好的反射系數(shù)，同時新型的微帶天線具有較好的相對帶寬和增益，能滿足高頻天線設(shè)計的所需，此天線能夠在更遠(yuǎn)距離和更嚴(yán)峻的環(huán)境下更加靈活、快速、準(zhǔn)確、安全的讀取和采集信息。確保了企業(yè)及時準(zhǔn)確地掌握庫存和在途的真實數(shù)據(jù)，合理保持和控制庫存，極大的提高了自動化程度，大幅度降低了差錯率，顯著提高了物流倉儲的管理透明度和管理效率，降低了企業(yè)的管理成本，增加了企業(yè)競爭優(yōu)勢。該新型微帶天線結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，具有一定的設(shè)計參考價值。

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ResearchandDesignofNewCircularlyPolarizedMicrostripAntennaforLogisticsWarehousing

Xu Liguo, Wang Yongming
(Faculty of Management and Economics, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093)

The reader antenna plays a vital role in the communication of RFID system, antenna design and manufacturing technology directly affect the function of the RFID system. In order to achieve flexibility, efficiency and accuracy of information gathering process in RFID system, this paper presents a new type of circular polarization microstrip antenna using Rogers TMM4 as the dielectric layer. A coaxial probe radiation patch is used to feed the rectangular radiating patches in the two long sides which are cut by two equilateral triangles. The cut microstrip antenna works in a circular polarization, and can increase the operating bandwidth of microstrip antenna, reduce the reflection coefficient. Simulation shows that the lowest reflection coefficient of the antenna is -14.426 dB, center frequency is 915 MHz, the reflection coefficient is less than -10 dB, and bandwidth range is 910～ 923 MHz. Its gain is up to 5 dB.

Logistics warehouse; RFID technology; Microstrip antenna; Reflection coefficient

TG4

A

2016.10.25)

國家目然科學(xué)基金項目(71362030)；國家目然科學(xué)基金項目(71262029);云南省自然科學(xué)基金(2013FB029)。

徐利國(1989-),男,碩士研究生.研究方向:物流供應(yīng)鏈,RFID射頻識別技術(shù)。

王永明(1976-),男,博士,教授/碩士生導(dǎo)師,運營管理，物流與供應(yīng)鏈管理。

1007-757X(2017)10-0007-04