用于UHF频段的RFID波束扫描阵列天线设计*

钟亚君，吴次南，刘泽文(.贵州大学大数据与信息工程学院,贵阳550025;2.清华大学微电子学研究所,北京00084)



用于UHF频段的RFID波束扫描阵列天线设计*

钟亚君1，吴次南1，刘泽文**2
(1.贵州大学大数据与信息工程学院,贵阳550025;2.清华大学微电子学研究所,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:为了扩大射频识别系统阅读范围和提高识别效率,设计了一款应用于多标签高效读取的射频识别(RFID)波束扫描阵列天线。采用空气层结构设计出增益值为6 dBi的圆极化天线阵元并组成2×2平面天线阵,使用开关线型移相器与威尔金森(Wilkinson)功分器设计出天线馈电网络,并使用现场可编程门阵列(FPGA)模块控制阵元间相位变化,实现波束30°偏转。整体模型尺寸为350. 0 mm×350. 0 mm×5. 7 mm,分别使用微波暗室、射频网络分析仪以及连接RFID阅读器测试,表明天线实现了4个方向波束偏转以及识别多个标签。

关键词:圆极化天线；RFID天线阵；馈电网络；波束扫描

1 引 言

在大数据时代,射频识别( Radio Frequency Identification,RFID)技术是建设智慧物流、智慧城市和物联网的关键技术,是一种非接触式的自动识别技术,也属于短程通信范畴。RFID系统中的天线性能关系到系统的整体工作效率。

在RFID系统实际应用中,圆极化读写器天线因能接收任意极化形式的射频信号而被广泛采用。文献[1]设计的圆极化天线性能良好,但单个天线受到增益值限制难以实现远距离工作。应用中有时要求天线增益达到10 dBi以上以满足远距离读取电子标签,同时要求天线波束覆盖角度足够广以避免漏读情况。文献[2-3]设计的RFID阅读器天线阵列有效提高了天线增益,但其波束方向固定。现行RFID系统中有的采用四通道天线,读取作用范围内的多个标签,但是其体积大且易出现漏读情况。文献[4]设计的天线阵列波束可在两个方向偏转,但扫描范围还可进一步扩展。

本文设计了高增益圆极化天线阵元并组成阵列天线,使用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,PFGA)模块控制波束方向,可使天线在三维空间中实现4个不同方向(上、下、左、右)的波束扫描,扩大阅读范围的同时增加天线增益,有效提高系统读取标签的成功率,可替代四通道天线设备,实用性强,便于推广。

2 天线阵元设计

在RFID系统中,为避免收发天线之间的极化损耗,阅读器的天线采用圆极化天线,其天线阵元为圆极化微带天线,辐射贴片的宽度可由以下关系式[5]得到:

式中:c为光速;f为工作频率;εr为介质介电常数。由公式计算得初始宽度值w为98. 9 mm。辐射单元的长度L与频率f的关系式为

其中:

式中:εe为有效介电常数;w/ h为微带宽高比。阵元设计为方形贴片,使w=L,用空气作介质层,以增加其增益。阵元结构如图1所示。

图1 天线阵元结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of the antenna elements

天线阵元共6层结构,从上至下依次为贴片层、FR4介质层1,空气层、地层、FR4介质层2、馈电层,各层参数值如表1所示。

表1 天线阵元各层结构参数表Tab. 1 Structure parameters of antenna array element layers

阵元结构引入空气层后导致辐射贴片尺寸改变,使用HFSS软件进行优化,天线阵元增益仿真值约为6 dBi。

圆极化天线有一个重要参数是轴比,当圆的长轴与短轴相等时,即轴比为0 dB时,称为圆极化波[6]。轴比小于3 dB,视为良好的圆极化天线。本天线阵元轴比仿真如图2所示。

图2 阵元轴比仿真图Fig. 2 Axial ratio simulation of antenna element

3 阵列天线设计

对于同一类型天线的波束宽度与其天线增益的乘积接近一个常数,在保证天线增益指标的前提下,阅读器天线波束宽度受到限制,可能会出现天线波束宽度难以覆盖空间的所有标签[7]。因此,本文设计使用波束扫描阵列天线。阵列天线依据相控阵原理,阵元按照2×2形式排列组阵,通过改变阵元间的相位来控制阵列的主波束方向偏转。天线阵列的波束方向θB与单元间的相位差ΔφB、单元间距离d的关系式以及不出现栅瓣的条件[8]如下:

受工作波长限制,天线阵元尺寸较大,对阵元间耦合影响较大,通过多次优化仿真,阵元间距为66 mm,阵元间相位差为90°时,波束偏转接近30°。波束扫描仿真图如图3所示。

图3 波束偏转图Fig. 3 Beam deflection diagram

在天线阵列中,天线都会受到耦合的影响而导致性能降低[9]。该阵列天线仿真增益值约为10 dBi,阵列天线波束偏转和增益值达到基本设计要求,使用Altium Designer绘制天线阵列版图。

4 馈电网络设计与版图设计

馈电网络由3个威尔金森(Wilkinson)功分器和4个开关线型移相器构成,威尔金森功分器用来将功率分配给两个分支[10]。为增加相互之间的隔离度,在两个输出端口之间添加一个电阻R;为等分功率,输入输出端口微带线的特性阻抗选为50 Ω;而隔离电阻R值为100 Ω;功分器的双臂为1/4工作波长,特性阻抗为70. 7 Ω,计算初值为宽1. 6 mm,长为45. 5 mm。在HFSS中对功分器建模并优化确定输入输出端口微带宽度为3 mm,双臂微带宽度为1. 5 mm。

开关线型移相器利用单刀双掷开关控制微波信号选择通过两条电长度不同的传输线,以得到信号的相对相移[11]。本文使用的单刀双掷开关为M/ A -COM公司的MASWSS0192,微带线宽度使用Linecalc软件计算初值为3. 0 mm,微带长度可根据相位偏移Δφ由关系式[12]得到初值:

在HFSS中对移相器建模并优化。单个移相器和功分器优化后,构成整体馈电网络。结构仿真结果实现了输出端口90°相位差,馈电网络输出端口的插入损耗关系式[12]为

式中:P2为输出功率;Pi为输入端口功率。通过计算仿真结果可知,线型移相器微带线长度的不同,导致各端口损耗有略微差异,基本实现了传输功率平均分配给4个端口,使用Altium Designer绘制馈电网络版图,如图4所示。

图4 馈电网络版图Fig. 4 Feed network layout

5 波束扫描控制

波束控制使用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)开发板输出控制信号, 共8个输出端口,连接馈电网络中的8个开关信号控制线。PFGA模块共控制5个输出状态,以天线阵列水平放置为例,波束扫描状态分别是左、上,正对、下、右偏转5个状态,每一个状态对应一组开关控制信号,控制信号线高低电平数据如表2所示。

表2 控制信号线输出信号表Tab. 2 Output signal of control signal line

使用FPGA做程控设计时,控制信号的输出分为两种情况:其一为5个状态对应5个不同的按钮,实现一个按钮控制一个状态,便于测试观察;另一情况为5个状态自动循环进行,实现在RFID应用系统中波束自动偏转识别电子标签。5个状态自动扫描时,使用Verilog HDL在Quartus II中编写程序实现8个输出端口的电平转换,导出时序仿真图如图5所示。

图5 控制信号输出时序图Fig. 5 Output sequence diagram of control signal

6 实物加工与测试

天线阵列由两块PCB板组装而成,两PCB板间隔1 mm空气层,整体模型尺寸为350. 0 mm× 350. 0 mm×5. 7 mm。FPGA模块I/ O端口连接模型中的控制信号线后,控制波束每间隔1 s切换一次状态。样品连接RFID阅读器设备测试,使用多个超高频电子标签作为目标,结果表明可实现3 m以上多标签识别,实际阅读距离低于理论值。

将样品模块放在7. 40 m×3. 75 m×3. 75 m微波暗室中测试其方向图,测试场景图如图6所示。

图6 样品模块测试场景图Fig. 6 Test scene of sample module

天线波束偏转分上、下、左、右以及不偏转5个状态,每个状态对应一个FPGA按键。微波暗室中的测试数据使用MATLAB画出方向图,如图7所示。

图7 4个方向波束偏转测试图Fig. 7 Beam deflection test chart in four directions

测试结果表明,天线阵列波束实现了4个方向偏转。使用AGILENT E5071C射频网络分析仪测试天线阵列回波损耗参数和输入阻抗值,其中一个状态的回波损耗参数测试结果与仿真结果如图8所示,天线样品的加工以及焊接过程导致了误差。频率为915 MHz时,S11测试值为-21. 2 dB,阻抗测试值为(59-0. 959j)Ω。

图8 天线回波损耗测试与仿真结果图Fig. 8 Measured and simulated return loss of the antenna

7 结 论

本文主要针对高效识别电子标签的实际应用需求,设计了应用于UHF频段的RFID波束扫描阵列天线。首先数值计算了各个部分的初始值,再利用电磁仿真软件对模型进行优化建模,最后绘制版图并加工组装样品进行测试。测试结果表明:通过FPGA模块控制天线阵元间相位变化,阵列天线实现了4个不同方向的波束偏转,天线连接阅读器设备测试实现了多标签识别;天线识别距离低于仿真结果,主要是含有外加单刀双掷开关的馈电网络损耗较大。下一步工作需要进一步减小整体损耗,增加成品天线增益,提高识别距离。

参考文献:

[1] JUNG Y K,LEE B. Dual-band circularly polarized microstrip RFID reader antenna using metamaterial branchline coupler [ J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2012,60(2):786-791.

[2] OULD-ELHASSEN M,MABROUK M,GHAZEL A,et al. Improved coverage of phased array antennas used for RFID applications[C] / / Proceeding of 2013 IEEE International Symposium on Phased Array System and Technology. Waltham,MA:IEEE,2013:553-558.

[3] 杨兵. RFID阅读器天线设计与分析[D].成都:西南交通大学,2009.

YANG Bing. Analysis and design of microstrip antenna for RFID reader[D]. Chengdu:Southwest Jiaotong University,2009. (in Chinese)

[4] ABBAK M,TEKIN I. RFID coverage extension using microstrip- patch antenna array [ J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine,2009,51(1):185-191.

[5] 李明洋,刘敏,杨放. HFSS天线设计[M].北京:电子工业出版社,2013.

LI Mingyang,LIU Min,YANG Fang. HFSS antenna design [M]. Beijing:Publishing House of Electronics Industry, 2013. (in Chinese)

[6] 姚凌岳.圆极化天线及天线小型化研究[D].西安:西安电子科技大学,2010.

YAO Lingyue. Circular polarization and miniature antenna design[D]. Xi'an:Xidian University,2010. (in Chinese)

[7] LEE S J,LEE D J,LEE W S,et al. Electronically controlled 2 by 1 arrayed beam forming antenna for UHF RFID reader[C] / / Proceedings of 2013 Asia-Pacific Microwave Conference. Seoul:IEEE,2013:248-250.

[8] 束咸荣,何炳发,高铁.相控阵雷达天线[M].北京:国防工业出版社,2007. SHU Xianrong,HE Bingfa,GAO Tie. Phased array radar antennas[M]. Beijing:National Defend Industry Press, 2007. (in Chinese)

[9] 邢自健. RFID系统中的读写器天线及关键技术研究[D].西安:西北工业大学,2014.

XING Zijian. The study of reader antennas and key technology for RFID system[D]. Xi'an:Northwestern Polytechnical University,2014. (in Chinese)

[10] KULKARNI M G,SARWADE N. Design analysis and testing of Wilkinson power divider with harmonics suppression using defected ground structures[C] / / Proceedings of 2011 International Conference on Signal Processing,Communication, Computing and Networking Technologies. Thuckafay:IEEE,2011:50-55.

[11] 李玲.基于RF MEMS开关及新型LC延迟线的移相器研究[D].北京:清华大学,2013.

LI Ling. Study on phase shifter based on RF MEMS switch and novel LC delay line[D]. Beijing:Tsinghua University,2013. (in Chinese)

[12] 徐兴福. ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京:电子工业出版社,2011.

XU Xingfu. ADS2008 RF circuit design and simulation examples[M]. Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2011. (in Chinese)

钟亚君(1990—),男,四川人,硕士研究生,主要研究方向为天线设计;

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

Email:zhongyajun1200@163. com

吴次南(1962—),男,江西人,博士,教授,主要研究工作涉及光学、光谱学、理论物理、物理学史;

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.

刘泽文(1960—),男,安徽人,博士,研究员,主要研究方向为微电子和微系统工艺技术、RF MEMS器件、集成传感器以及相控阵天线等。

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:刘晓,王红星,刘传辉,等.基于椭圆球面波函数的数字带通滤波器设计[J].电讯技术,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. ]

作者简介:

中图分类号:TN820. 2

文献标志码:A

文章编号:1001-893X(2016)02-0171-05

基金项目:贵州大学研究生创新基金项目(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