UHF RFID閱讀器中相控陣天線的設計

李建雄，陳明省，宋戰偉，閆必行，郭 陽，韓曉迪

（天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387）

UHF RFID閱讀器中相控陣天線的設計

李建雄，陳明省，宋戰偉，閆必行，郭 陽，韓曉迪

（天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387）

為使閱讀器在有限功率輸出的情況下識別距離遠和覆蓋區域廣，提出了一種新的天線設計方案，即采用相控陣天線實現閱讀器空間區域的波束掃描，天線單元輻射貼片與地平面開槽，陣元尺寸減小51%左右，進而減小了天線陣列總尺寸.實際測量結果與仿真分析吻合，該相控陣天線可以工作在902～928 MHz，最大增益為16.05 dBi，主波束掃描范圍達到±50%，可以有效地擴大閱讀器的識別區域.

RFID閱讀器；陣列天線；波束切換；小型化設計

射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術作為物聯網發展的關鍵技術，其應用市場隨著物聯網的發展不斷擴大，如應用于物流、零售、工業生產等領域[1].然而閱讀器的識別距離有限、識別區域小、天線尺寸大等技術的不完善性限制了其大規模應用[2-3].天線作為閱讀器的重要組成部分，是實現無線數據通信的關鍵因素，直接影響閱讀器的識別距離和識別區域，天線的尺寸也決定了閱讀器的體積[4].

為使閱讀器在有限功率輸出的情況下識別距離遠、覆蓋區域廣，以達到閱讀器性能最優，許多國內外學者對天線進行設計[5-12].如Ukkonen等[5]研究并比較了裝配不同天線時閱讀器的識別區域，結果顯示天線增益是影響識別區域的主要因素；鄧兵[6]采用三陣元陣列天線代替單個天線，天線增益明顯提高，識別距離遠，但體積過大，識別區域有限；Dhengale等[7]設計了二陣元陣列天線，其增益為7.5 dBi，波束寬度為60°，但該陣列天線只有一個波束，掃描區域小；Abbak等[9-10]研究的陣列天線在方向上進行波束切換，擴大了識別區域，但只用于接收天線擴展有效識別區域，沒有用于發射天線來增加最大識別距離.

針對UHF頻段RFID閱讀器天線存在的不足，本文設計了一種新的天線，即使用相控陣天線實現閱讀器對空間區域的波束掃描.陣列天線的引入使天線主波束狹窄，增益增加.改變天線陣元的激勵相位，不僅使天線形成多方向波束以擴大閱讀器的識別區域，而且在同等功率輸出的情況下增加閱讀器的識別距離.對陣元的小型化處理也減小了天線陣列的總尺寸.該陣列天線可以工作在902～928 MHz，解決了現有閱讀器天線存在的難題，提高了RFID閱讀器的工作性能.

1 理論分析

1.1 波束切換型陣列天線

在無源UHF RFID系統中，最大識別距離可以表示為

式中：λ為工作波長；Pt為閱讀器的發射功率；Gt為閱讀器天線的增益；Gr為標簽天線的增益；τ為標簽天線和標簽芯片的功率傳輸因子；Pth為標簽芯片激活的最小接收功率.在標簽天線接收功率不變的情況下，增加識別距離就要增加發射功率或者增加閱讀器天線增益.單天線增加天線增益以減小波束寬度為代價，識別區域減小.波束切換型陣列天線增加了天線增益，雖然波束狹窄，但波束可以在多個方向上掃描，總的識別區域得以擴展.圖1為波束切換型陣列天線掃描示意圖，控制陣元激勵相位形成4個波束，實現空間區域的掃描，雖然波束狹窄，但波束總覆蓋面積大于單個低增益寬波束的覆蓋面積.

圖1 波束切換型陣列天線掃描示意圖Fig.1 Schematic of switched beam array antenna scanning

此外，波束切換型陣列天線的高定向性、較小的波束躍度和較高的角度分辨率可以提高RFID定位的精度，空分多址技術（SDMA）可以減少或避免碰撞，有效地減少多徑干擾，提高標簽識別率，從而改善RFID閱讀器的使用性能.

1.2 矩形微帶天線

微帶天線以其重量輕、體積小、成本低、易于成形、易于與集成電路匹配等獨具特色的優點被廣泛應用.對于矩形微帶天線，輻射貼片寬度W、長度L分別表示為

式中：εr為介質介電常數；f為工作頻率；c為自由空間波傳播速度；εe為有效介電常數.

由式（2）和（3）可以看出，高介電常數的介質可以減小微帶天線尺寸，然而介電常數的增加容易激發較強的表面波，表面損耗較大，增益較低，并且帶寬減小.為提高增益，可以在天線表面覆蓋介質，但制作繁瑣.除采用高介電常數的介質層外，還可以采用輻射貼片或接地平面開槽、短路加載、增加有源網絡、使用超材料等方法減小天線尺寸[13-14].貼片表面開槽切斷了原電流路徑，使其發生彎曲，有效路徑變長，共振波長變大，諧振頻率降低，從而減小天線尺寸.接地平面開槽引導貼片中電流發生彎曲，增加電流有效路徑，降低諧振頻率；另外，接地平面開槽還可以降低天線Q值，增大天線帶寬.

微帶天線使用同軸饋電易調整饋電點位置，饋電點在寬度W方向的位移對輸入阻抗的影響很小，但寬度方向偏離中心位置時，會激發TM1n模式，增加天線的交叉極化輻射，因此寬度方向上饋電點一般選取中心點.

1.3 陣列天線方向圖綜合

陣列天線的方向圖通常取決于陣元的輻射特性、數目、分布和激勵.陣列天線中，空間某一主平面上的主瓣寬度與該平面上的陣元數目近似有反比關系[15]，在輻射單元與分布確定后，需要設計各單元的激勵幅度與相位.切比雪夫陣列能夠滿足閱讀器所希望的主副瓣電平特性，其方向圖在指定的副瓣電平下主瓣寬度最窄，在指定的主瓣寬度下副瓣電平最低[16].

根據方向圖乘積定理，m×n元平面陣列陣因子可由m元線陣與n元線陣陣因子乘積得到.利用切比雪夫函數構造m元陣列的陣因子（即m個各向同性點源組成的線陣）方向圖函數為

式中：ak為激勵幅度；ψ可以表示為.

式中：d為相鄰陣元間距；θ為方位角.

根據指定的副瓣電平（SLL）值可以求得對應的歸一化激勵電流幅度及m元陣列陣因子方向圖.各陣元的初始激勵相位為零，依次加上相等的相位差δ，其方向圖函數變為

則m×n元平面陣列陣因子可表示為

式中：θ為水平方位角；φ為垂直方位角；d1、δ1分別為m元線陣陣元間距與陣元相位差；d2、δ2分別為n元線陣陣元間距與陣元相位差.

因此，通過改變不同的相位差實現了波束方向的改變，且饋電相位差δ與波束的掃描角θ、φ有如下關系.

2 陣列天線設計與仿真分析

為減少噪聲信號進入閱讀器，避免其影響閱讀器接收機靈敏度與選擇性，所設計的陣列天線旁瓣電平盡可能低，這樣主波束方向增益也會增強.基于上述理論，設計了一種42微帶相控陣天線陣列，用以提高UHF RFID閱讀器的性能.

2.1 天線單元設計

圖2所示為天線單元結構圖，輻射貼片和接地平面為銅材質，介質層為厚度H的空氣層，4個尼龍柱用來支撐輻射貼片.輻射貼片的長度為L，寬度為W，厚度為h，輻射貼片上開2個“L”形槽.地平面沿寬度W方向向外延伸0.1 λ，沿長度方向向外延伸0.2 λ，地平面上開2個平行槽.同軸饋電探針穿過地平面與輻射貼片相連，同軸線直徑為D，并通過錐形結構與SMA連接頭相連，饋電點在輻射貼片中心.

圖2 天線單元結構圖Fig.2 Structure of antenna element

為了分析該天線單元特性，在HFSS軟件中建模并仿真.優化后，天線單元各參數為L=136 mm，W= 100 mm，h=1.2 mm，H=13 mm，D=3 mm.槽1的尺寸為67 mm×8 mm，槽2的尺寸為25 mm×4 mm，地槽的尺寸為30 mm×3 mm.輻射貼片較未開槽貼片尺寸減小46%，天線單元較未開槽天線單元總尺寸減小51%，有效地實現了天線陣元的小型化.

天線單元通過仿真分析，在中心頻率915 MHz時，反射系數為-30.4 dB，性能比較理想，其回波損耗（S11）參數如圖3所示，-10 dB回波損耗帶寬50 MHz，相對帶寬5.5%，回波損耗帶寬滿足設計要求.

2.2 陣列天線設計及仿真分析

為使陣列天線具有較大水平方位角，以擴大水平方向的識別區域，考慮到天線陣元特性，陣列天線陣元間距d1定為λ/2，激勵電流為切比雪夫函數分布，比值為，陣元間距d2為3λ/4，激勵電流相等，并在HFSS中建模，示意圖如圖4所示.假設坐標原點陣元為陣元1，優化陣列天線各參數，使各陣元滿足-10 dB回波損耗，槽1的尺寸變為66.8 mm×8 mm.槽1在長度方向減小0.2 mm，這主要是因為陣元之間的耦合作用影響了陣元的回波損耗，減小尺寸可以補償參數偏移，仿真分析后得到陣列天線各電參數.

圖4 陣列天線仿真模型示意圖Fig.4 Simulated model of array antenna

圖5為陣列天線S參數圖，中心頻率915 MHz時，天線1回波損耗參數為-24 dB，天線2回波損耗參數為-18 dB，天線1與天線2之間的耦合參數為-15 dB，天線1與天線5之間的耦合參數S15為-24 dB.天線間的耦合作用降低了天線單元的輻射效率、有效增益及平均功率，過高的耦合也會影響輻射方向圖，對于可移動裝置的分集天線，天線間的耦合參數S12、S15不高于-15 dB就可以接受[17].

圖5 陣列天線S參數圖Fig.5 Array antenna S parameters

陣元激勵同相位時，陣列天線xoz面與yoz面輻射方向圖如圖6所示，中心頻率915 MHz時，陣列天線增益為16.24 dBi，xoz面半功率波束寬度為34°，yoz面半功率波束寬度為26°.在yoz平面，第一副瓣電平0 dB，后瓣電平-6 dB.

圖6 陣列天線xoz面與yoz面輻射方向圖Fig.6 Array antenna radiation pattern in xoz-and yoz-plane

從式（7）可以得出，不同的相位差可以改變陣列天線主波束指向，圖1中，A為波束1與波束2的交點，B為波束2與波束3的交點，C為波束3與波束4的交點.為使閱讀器識別區域最大，本文取A、B、C為波束的半功率點，即13.24 dBi.由式（8）求得θd=13°時δ1=40.5°，θd=39°時δ1=13°，考慮到耦合與方向圖畸變，通過優化分析，確定θd與δ1的值.表1為θd不同時對應的δ1取值.

表1 不同指向θd所對應的相位差δ1Tab.1 Values of different θdversus δ1

圖7為相位差δ1=120°、δ2=0°時陣列天線對應的yoz面輻射方向圖.主波束隨相位差的變化發生偏移，同時由于耦合的存在，后瓣電平較同相位激勵時發生變化，若相位差再增加，將會影響閱讀器的性能.

圖7 δ1=120°、δ2=0°時陣列天線yoz面輻射方向圖Fig.7 Antenna array radiation pattern at δ1=120°，δ2=0°

3 實物測試

基于理論與仿真分析，制作陣列天線樣品，使用安捷倫E5070B矢量網絡分析儀測試參數.圖8所示為測試陣列天線S參數圖，中心頻率915 MHz時，S11為-20.9 dB，S22為-22 dB，工作頻段880～936 MHz，-10 dB回波損耗帶寬56 MHz，滿足工作頻段需求；S12為-18.2 dB，S15為-25 dB，實驗結果與仿真結果一致性良好，滿足通信系統要求.

圖8 實測陣列天線S參數圖Fig.8 Array antenna measured results of S parameters

在微波暗室遠區條件下，對陣列天線陣元的方向圖進行實測，中心頻率915 MHz時，陣元xoz面與yoz面的仿真和實測方向圖如圖9所示.實測結果與仿真結果吻合，陣元實測增益8.05 dBi，xoz面與yoz面半功率波束寬度分別為60°和86°.

為測量陣列天線方向圖，仿真制作饋電網絡，包括不等分功率分配器、3位數字移相器和2等分功率分配器.含有缺陷地的功率分配器實現陣元的饋電，數字移相器通過二進制代碼控制射頻開關實現相位差的改變.圖10為陣列天線yoz面仿真與實測輻射方向圖，實測結果與仿真結果一致性良好，然而，測試的方向圖仍然有一定的偏差，主要是功率分配器饋電與移相器精度的影響.如圖10所示，仿真的最大增益為16.05 dBi，增益大于13.05 dBi時陣列天線可掃描角度為±50°.微波暗室遠區條件下，當δ1=45°時，陣列天線實測最大增益15.65 dBi，選取12.65 dBi為半功率點，接近于仿真結果.當δ1=-120°時，半功率波束寬度為23°；當δ1=-45°時，半功率波束寬度為27°；當δ1=45°時，半功率波束寬度為26°；當δ1=120°時，半功率波束寬度為22°；掃描區域為-48°～47°.

圖9 陣元仿真與實測輻射方向圖Fig.9 Measured and simulated antenna element radiation patterns

圖10 陣列天線不同相位差仿真與實測輻射方向圖Fig.10 Measured and simulated array antenna radiation patterns with phase difference

為驗證該相控陣天線對閱讀器性能的提升，搭建實測平臺，將陣列天線放置于實驗室角落，標簽放置于實驗室不同位置，通過控制陣列天線饋電相位差，標簽可以在不同的方向被識別.考慮到室內空間大小和多徑效應的影響，搭建室外測試平臺，示意圖如圖11所示.將天線放置于-50°到50°扇形區域的頂點處，一個為設計的陣列天線，另一個為工作頻率902～928 MHz、增益7.15 dBi、半功率波束寬度的“XCAF-12D”天線.測試時天線的中心距離地面1 m，10個“Impinj E44”標簽與天線相同高度，標簽的間隔為1 cm.在θ方向上每1°移動一次標簽，在ρ方向上每5 cm移動一次標簽，觀察閱讀器的識別情況.當使用陣列天線時，讀寫器的穩定識別區域如圖11中實線圍成的區域，當使用“XCAF-12D”天線時，穩定識別區域為虛線圍成的區域.測試結果表明，與7.15 dBi的單天線相比，所設計的陣列天線可以在閱讀器有限功率輸出的情況下增加識別距離和擴大識別區域.

圖11 陣列天線測試示意圖Fig.11 Array antenna test schematic diagram

4 結束語

本文針對閱讀器天線尺寸大、識別區域小等缺點，設計了一種工作頻段為902～928 MHz的42平面相控陣天線，仿真并制作實物.輻射貼片開槽減小了天線單元的尺寸，在相同諧振頻率下較未開槽天線尺寸減小51%.該陣列天線有很好的輻射方向性能，最大增益超過15 dBi，掃描角度超過90°，測試結果與仿真結果吻合.實測結果表明，與傳統單天線相比，該天線陣有較強的方向性，通過控制激勵的相位差實現波束掃描，擴大了閱讀器的覆蓋區域，大幅度地提高了RFID系統的識別范圍.

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Design of phased array antenna of UHF RFID reader

LI Jian-xiong，CHEN Ming-sheng，SONG Zhan-wei，YAN Bi-xing，GUO Yang，HAN Xiao-di
（School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

In order to have a far identification distance and a wide working range under the limited power output of RFID reader，a novel design scheme of antenna is presented.It utilizes phased-array antenna to achieve the beam scanning.By means of cutting narrow slots at the radiation patch and the ground plane，around 51%reduction of area is obtained.The design of miniaturization of antenna element reduces array total size.The measured results fit the simulation analysis.The presented antenna operates at 902-928 MHz，the peak gain is 16.05 dBi and the main beam direction can be switched between the angles of±50%，the identification area is expanded effectively.

RFID reader；array antenna；beam switch；miniaturization design

TN92

A

1671-024X（2016）06-0078-06

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.06.014

2016-04-05

國家自然科學基金資助項目（61372011，11447196）；天津市應用基礎與先進技術研究計劃項目（15JCYBJC16300）

李建雄（1969—），男，博士，教授，主要研究方向為天線與微波技術、計算電磁學.E-mail：lijianxiong@tjpu.edu.cn