應用于感知物聯網的方向圖可重構超高頻RFID標簽天線

摘 "要： 提出了一款新穎的應用于感知物聯網的方向圖可重構的RFID超高頻電子標簽天線。該RFID超高頻電子標簽天線為應用于金屬物品的偶極子天線，創(chuàng)新地在RFID超高頻電子標簽天線中采用漢字結構;偶極子天線應用“鉸鏈型”可旋轉結構，在0～90°范圍內調控超高頻電子標簽天線的偶極子臂的夾角，進而實現電子標簽天線的阻抗實部在0～90 Ω范圍以及虛部在150～260 Ω范圍內可調，方向圖在邊射（約0°）和前向端射（約-90°）范圍內調控;在該超高頻天線偶極子臂夾角固定為某一特定角度（以60°為例）的前提下，通過在”鉸鏈型”天線的上層加一層介質和電磁帶隙柵格結構進一步調控方向圖的輻射方向（以60°夾角為例，可進一步調控30°～40°）。實際測試結果驗證了RFID超高頻電子標簽天線的可翻轉偶極子臂對方向圖的調控性，以及EBG結構對方向圖輻射方向的可調控性。在此探索了可重構天線在RFID超高頻電子標簽天線的延伸，尤其提出并驗證了可翻轉偶極子臂以及EBG對RFID超高頻電子標簽天線的方向圖及方向圖輻射方向的可調控性能。

關鍵字：方向圖輻射方向可調控; 鉸鏈型天線; 感知物聯網; 電磁帶隙; RFID; FEM

中圖分類號： TN911?34 " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）06?0078?05

A hinge?type and radiation?pattern?reconfigurable antenna for cognitive Internet of Things application

XU Shou?hui， QIU Fang， WANG Zi?xu

（Xiamen Xindeco IOT Technology Co.， Ltd.， Xiamen 361009， China）

Abstract： A hinge?type ultrahigh frequency RFID （radio frequency identification） antenna with reconfigurable radiation pattern is proposed for cognitive Internet of Things （CIOT）. The antenna is a dipole antenna applied to metal object. It was analyzed with FEM （finite element method）. The hinge?type structure enables the dipole antenna to be rotatable and by rotating the angle between the two antenna arms from 0 degree to 90 degree. Its radiation pattern can be reconfigured form 40° to -90°（assuming the axis vertical to ground is 0°）. Moreover， EBG （electromagnetic band?gap） structure is applied to realize further reconfigurable radiation patters. Specifically， taking 60° as an example， by tuning the size of rectangular hole of "EBG， its radiation patterns could be tuned ±30°. The reconfigurable radiation pattern is qualitatively verified in an experiment by performance measurement system.

Keywords： reconfigurable radiation pattern; hinge?type antenna; cognitive IOT; EBG; RFID; FEM

0 "引 "言

物聯網是通過RFID（Radio Frequency Identification）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器、氣體感應器等信息傳感設備，按約定的協議，將物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。簡而言之，物聯網就是“物物相連的互聯網”[1?2]。從拓撲結構上來看，它包含感知層網絡層和應用層。對于感知層而言，如何準確便捷智能地實現識別是物聯網最基本而最重要的研究方面之一。如圖1中所示，處于無線覆蓋區(qū)域之內的物體被識別進而進行相關數據的讀/寫，然后以無線通信的方式傳入互聯網，實現信息互聯。從圖1可以看出，作為接收和發(fā)射無線信號的天線是RFID的核心關鍵技術，天線的各項特性及形態(tài)大小，極大程度地影響了自動識別的準確度和速率。特別是對于天線的方向圖而言，具備可重構功能的天線方向圖的RFID超高頻電子標簽，可以通過天線方向圖的可重構功能使得天線始終指向最大功率接收方向，不但可以提高自動識別的準確度和速率，也同時減少了RFID電子標簽的功耗。

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圖1 認知物聯網

針對方向圖可重構的RFID超高頻電子標簽天線，許多學者做了一些有意義的研究工作，文獻[3]應用PIN二極管組成微帶陣列，通過控制PIN二極管的通斷，來改變陣列方向圖的指向。文獻[4]應用二極管連接兩個方向圖形狀不相同的部分，通過二極管的通斷合成不同的方向圖。文獻[5]通過開關實現單極子和帶反射器的偶極子兩種工作方式，進而改變天線的輻射方向圖，以實現在單極子輻射全向方向圖和帶反射器的偶極子輻射方向圖之間切換。文獻[6]通過控制開關的狀態(tài)控制中心的圓形貼片和周圍環(huán)繞的5個帶U型槽的扇環(huán)形寄生貼片的連接，以實現5種不同的定向方向圖。以上工作積極探索了方向圖可重構的天線的研究，但大多都采用開關，這樣增加了功耗和損耗，也增加了天線的復雜度。在應用于金屬物體的標簽天線的研究方面， 文獻[7] 利用PIFA天線的原理，設計了一種基于微帶天線結構的抗金屬標簽天線。 文獻[8]將標簽貼合在5 mm厚度的泡沫介質上，置于金屬表面，利用金屬表面作反射板增加了天線的讀取距離。以上工作一定程度上實現了RFID標簽天線應用于金屬環(huán)境的功能，但并不能同時實現方向圖可重構功能。

本文方向圖的調控基于兩方面：

（1） 漢字型偶極子天線：其一個輻射臂可轉動一定角度，同時增加天線的介質基片的厚度，以填補旋轉后的天線臂與介質的間隙，即可以實現天線的輻射方向圖的調控。

（2） 在漢字型天線的一條輻射臂在旋轉的同時，并通過控制此旋轉臂上方的周期性電磁帶隙結構，即同時旋轉該周期性電磁帶隙結構即可進一步調節(jié)天線的輻射方向圖。本文所使用的電磁帶隙結構為周期性分布的矩形孔。

以上兩種方法簡單、實用，且制作成本低。

本文的創(chuàng)新點在于：

（1） 為了與現有市場上具有較大的容性的RFID芯片的阻抗匹配，采用彎折較多的漢子型結構，并且使用公司漢字名稱中的：“信達物聯”，將天線隱藏于公司名稱的商標中，簡單、方便、美觀，在具有創(chuàng)新性的同時也具有較強的實用性;

（2） 利用RFID電子標簽天線基材PET（Polyethylene Terephthalate）材料的柔軟可彎折性，實現天線臂的彎折旋轉，達到方向圖輻射方向的可調控性目的;

（3） 使用電磁帶隙結構調控天線輻射方向圖。

1 "鉸鏈型偶極子天線

該“鉸鏈型”天線為兩層結構，如圖2（a）所示。第一層為介質基板，基板的上側的天線為第二層，天線類似為偶極子天線。天線一般是蝕刻金屬層或金屬漿形成的，蝕刻的的電子標簽天線的形狀為“廈門信達物聯網科技有限公司”的中文簡稱：“信達物聯”。其中，“信達物聯”四字中，“信達”二字為電子標簽天線的一個輻射臂，“信”字旋轉90°，與“達”字垂直;“物聯”二字為電子標簽天線的另一個輻射臂，“聯”字旋轉90°，與“物”字垂直。“信達物聯”四字為漢字的行書格式，相鄰漢字之間彼此相連，連接線上設計有弧形以調節(jié)容感性，連線上設有斷開間隙，斷開間隙的兩側設有天線饋電點。因該天線為二維結構，電子標簽天線的兩輻射臂相互垂直，分別位于兩個垂直的平面上。在實際應用中將該二維天線貼于物流應用的金屬箱體表面（見圖2（b）。

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圖2 “鉸鏈型”天線圖示

2 "可重構方向圖

鉸鏈型可旋轉偶極子天線的方向圖指向隨著其旋轉角度的增加而變化，其原理如圖3所示。圖3（a），（b）為帶有地板的半波長偶極子天線的電流分布和輻射方向圖。其中，電流分布為;

[Iz=I0sinkL2-z， " " "0≤z≤L2]

[Iz=I0sinkL2+z， " " "-L2≤z≤0]

相應地其方向圖電場分量為;

[Eθ=jηI0e-jkrcosπcosθ22πrsinθ]

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圖3 半波偶極子可旋轉鉸鏈型天線

如圖3（c）、（d）所示，鉸鏈型可旋轉偶極子天線的電流可分解為水平電流[I1]，對應著垂直為最大指向的方向圖;垂直方向的電流[I2]，對應著水平位最大指向的方向圖，于是綜合水平與垂直方向的綜合方向圖為：

[Eθ=Eθ1+Eθ2]

[Eθ=jηI1e-jkrcosπcosθ22πrsinθ+jηI2e-jkrcosπcosθ+9022πrsinθ+90]

于是鉸鏈型偶極子天線通過旋轉不同角度，可獲得不同的水平（I1）和垂直方向的電流（I2），以及不同的角度，由此可組合成不同指向的方向圖。

方向圖的可重構基于以下兩點：

（1） 該鉸鏈型天線的基板為柔軟折疊的PET基板;

（2） 天線由蝕刻金屬層或金屬漿形成，可與PET基板一起折疊翻轉。實際操作中，物流應用環(huán)境中（如圖2（b）所示），天線貼于長方體的兩個垂直側面上，置于其中一個側面的天線部分翻轉一定角度，翻起后天線與側面的空間填充介質，另一個側面上的天線部分保持不變，從而實現天線旋轉（如圖4所示）。

隨著天線一個臂旋轉一定角度，應用有限元法（FEM）進行分析其輻射方向圖輻射指向不同方向（如圖4所示）。

圖5顯示了隨著天線臂0°，20°，40°，60°等不同角度的翻轉，輻射方向圖的指向分別為大約35°，-40°（320°），-60°（300°），-90°（270°）。圖5充分說明了方向圖的可調特性。lt;E：＼王芳＼現代電子技術201506＼現代電子技術15年38卷第6期＼Image＼12t4.tifgt;

圖4 可旋轉天線偶極子臂

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圖5 可重構方向圖

3 "可調阻抗

另一方面，隨著天線臂的翻轉，天線阻抗的特性如圖6，圖7所示。從圖6可以看出，隨著天線臂0°，20°，40°，60°的翻轉，天線阻抗的實部的變化范圍為5～90 Ω。該變化范圍涵蓋了RFID常用芯片的的實部阻抗。同樣的在天線臂翻轉0°～60°的范圍內，從圖7中可以看出RFID天線的虛部的變化范圍為150～260 Ω。該變化范圍，符合匹配RFID電子標簽天線常用的芯片阻抗的虛部的范圍。

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圖6 阻抗實部隨天線翻轉角度的變化

4 "EBG對方向圖的調控

為了進一步調控方向圖，EBG被引入天線設計以進一步探索對方向圖輻射的調控的方法。EBG被常用于優(yōu)化天線的增益[9?10]。本文中EBG結構被應用以調控方向圖。EBG結構的研究基于該RFID天線臂轉動60°后。如圖8所示，在緊貼天線上層添加一個基板，基板材料可為PET材料、Fr4、或陶瓷等。此基板與天線第一層基板相互平行。在天線之上的基板上為金屬電磁帶隙矩形周期性結構。EBG結構為在尺寸為72.5 mm×67 mm 的金屬板上挖去7×6陣列的矩形小孔而形成的的網狀結構。

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圖7 阻抗虛部隨天線翻轉角度的變化

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圖8 PBG方向圖可重構天線

圖9為當標簽天線臂轉動60°后電磁帶隙矩形周期性結構中矩形小孔面積變化對電子標簽方向圖輻射的調控。從圖9中可以看出在電磁帶隙矩形周期性結構中矩形形狀大小從3 mm×3 mm，3 mm×5 mm，3 mm×7 mm變化的過程中，方向圖指向從-50°（310°）變化到-90°（270°）～-115°（245°）。

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圖9 方向圖隨EBG網狀小孔的面積變化

5 "實驗測試

應用廈門信達物聯公司的制造測試系統，制造的樣品如圖10所示。兩塊尺寸為80 mm×79 mm×1.6 mm的普通FR4板材，并將之拼成一定角度（旋轉0°，20°，40°，60°），如圖10所示。金屬線型層天線為鋁蝕刻天線，該天線為“信達物聯”字樣（圖10（a）），尺寸為80 mm×26 mm，且與IMPINJ MONZA5芯片匹配，如圖10（b）、（c）所示。由于實驗設備局限，天線的阻抗以及方向圖無法直接測量;本次驗證測量，采用公司RIFD電子標簽專業(yè)儀器Tagformance測試系統，對RFID電子標簽的靈敏度進行測試，進而來判斷RFID電子標簽天線方向圖的不同指向。具體測試了4種情況（旋轉0°，20°，40°，60°），通過接受的靈敏度的大小可判斷該方向方向圖的增益大小，進而可以定性的描述出方向圖的指向。

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圖10 制造樣品圖示

測試的設置如下：

（1） RFID電子標簽天線距離Tagformance儀器接 " 收天線3 m左右;

（2） Tagformance儀器接收天線置于電子標簽天 " 線-90°（270°方向）輻射方向，即“鉸鏈型”天線旋轉60°后輻射方向圖應指向的方向。

（3） 保持Tagformance儀器接收天線不動，以此翻 " 轉RFID標簽天線一臂0°，20°，40°，60°測試其接收電平。從圖11可以看出，隨著電子標簽天線臂從0°翻轉到60°，其接收電平依次升高，從符合圖5所示方向圖的指向變化，進而定性的驗證了方向圖的指向可重構性。同樣的位置和同樣的測試方法，不同EBG孔徑大小對于方向圖輻射方向的影響如圖12所示。從圖12可以看出，當測試方向是-90°方向時，孔徑大小為3 mm×5 mm時，接受電平為最高，說明其最大輻射方向靠近-90°方向，孔徑大小為3 mm×7 mm，3 mm×3 mm的接受電平依次減小，定性地驗證了圖8的仿真結果。

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圖11 不同翻轉角度的靈敏度測試值

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圖12 EBG不同孔徑大小的靈敏度測試值

6 "結 "語

本文提出一款基于漢字型的RFID超高頻電子標簽天線，通過翻轉天線的一臂實現方向圖指向的可重構，更進一步地通過EBG矩形孔網狀的引入，翻轉60°后的標簽天線的方向圖可從-50°（310°）調控到-90°～-115°（245°）。通過Tagformance儀器對RFID標簽天線的接受電平隨RFID電子標簽天線臂翻轉而變化，定性的驗證了方向圖的可調控性。

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