對數周期偶極子結構的新型近場均勻天線

傅世強，熊昂宇，房少軍

(大連海事大學 信息科學技術學院，遼寧 大連 116026)

0 引 言

近年來，超高頻(Ultra-high Frequency，UHF)射頻識別(Radio-frequency Identification，RFID)技術被廣泛應用于物品識別和目標跟蹤。就作用距離而言，RFID技術應用分為遠場和近場系統。遠場系統天線憑借其高定向增益在物流、倉儲等固定和手持式的閱讀器中進行遠距離識別[1]。而在近場系統中，標簽和讀寫器之間通過磁場或電場耦合工作。由于磁耦合在液體和金屬環境具有較高的穩定性，成為油管檢測、奢侈品管理等方面更理想的選擇[2-3]。然而，磁耦合近場UHF RFID天線設計存在許多挑戰，包括如何實現寬帶化兼容全球不同地區的工作頻段、如何根據識別區域設計合理的天線尺寸、如何保證識別區域具有均勻場分布等。

基于同向電流環和反向電流對來加強磁場技術，研究人員已經提出了多款UHF RFID近場閱讀器天線。采用環形天線形成同向電流環加強磁場是常用的方法。文獻[4]將兩個偶極子組合成環路，只能在很小的范圍內產生強而均勻的磁場分布；文獻[5-6]利用特殊的印刷周期結構實現零相移特性，保證環路變大時電流仍同向流動，但這樣的環路結構需要復雜的匹配電路；文獻[7]簡化了饋網，用漸變的雙面微帶線對四個偶極子激勵實現了寬頻帶匹配，然而尺寸變大導致中心區域磁場明顯低于區域邊緣。構造反向電流對也能有效地加強磁場[8]。文獻[9-10]對微帶線進行合理彎折構造反向電流，但帶寬非常窄，分別為15 MHz和40 MHz；文獻[11]通過加載兩個反射面改善匹配擴展了帶寬，但大量集總電容的使用帶來加工復雜性；對數周期天線陣列具有寬的工作帶寬且有多個反向電流對，基于此，文獻[12]輕松實現了UHF近區磁場的均勻分布，然而標簽百分百讀取高度僅2 cm。

本文將同向電流環和反向電流對兩種技術結合，提出了一種用于UHF RFID的寬帶中心饋電環形天線。天線由4個彎曲的四元印刷對數周期偶極子天線組成圓環陣列，每個環路上的電流同向流動，同時不同環路之間形成反向電流對，在識別區域獲得了強而均勻的磁場分布。天線工作頻段覆蓋全球通用UHF RFID頻段，顯示出比文獻[7,12]所提天線更均勻的磁場分布和更大的標簽識別距離。

1 天線設計

為節省成本，天線蝕刻在相對介電常數4.4、損耗角正切0.02、厚度1.6 mm的FR4介質基板上，天線的整體尺寸為170 mm×170 mm，如圖1所示。圖中深色區域為天線正面，淺色區域為天線背面。四個印刷對數周期天線由基板中心的同軸線饋電，通過雙面微帶線對彎曲的偶極子進行激勵，同軸線內導體與基板正面帶條相接，外導體與基板背面帶條相接。同一平面的偶極子臂交替布局，使天線工作時產生多個反向電流對，能有效保證在環形區域變大時仍能實現整個平面均勻的強磁場分布。

圖1 天線結構示意圖

傳統的平面印刷對數周期天線通過配置合理的比例因子τ、間隔因子σ、偶極子數量N能獲得較寬的工作帶寬?；谖墨I[12]中的理論，第一個偶極子臂長L1由以下公式確定：

(1)

式中：λ1為最低工作頻率的自由空間波長，εe是有效介電常數。通過計算得到L1=50 mm。

當第一個偶極子的特性阻抗取為Z1=50 Ω，其臂寬W1可由下式計算得出：

(2)

天線偶極子之間的距離、寬度由比例因子τ、間隔因子σ決定：

(3)

(4)

本文設計的彎曲對數周期天線選定τ=0.74，σ=0.08，N=4。首先固定臂長角度θ，由于臂長L1和W1已經確定，因此能確定第一個偶極子的位置。再由式(3)計算D1,在θ不變的情況下，可以進一步得到L2，再由式(4)得出第二個偶極子的寬度W2。重復以上步驟能推算出W1～W4、D1～D4，最后對雙面微帶線線寬Wf優化。該天線不需要額外的匹配結構，也能獲得覆蓋全球通用UHF RFID頻段的工作帶寬。采用三維電磁場分析軟件HFSS進行仿真優化，最終設計的天線尺寸具體參數為θ=39°，W1=3.5 mm，W2=2.6 mm，W3=1.9 mm，W4=1.4 mm，Wf=2.3 mm，D1=16 mm，D2=11.8 mm，D3=8.6 mm，D4=30 mm，W=170 mm，L=170 mm，H=1.6 mm。

2 天線仿真

仿真得到的天線輸入阻抗如圖2所示，在840～960 MHz內阻抗虛部幾乎為0，阻抗實部接近50 Ω，在全球通用UHF RFID頻段能夠很好地與同軸饋線匹配。本文提出的天線同時利用同向電流環和反向電流對來改善目標區域磁場分布。圖3顯示了中心頻率天線外表面的電流分布，可以看到，每一個環路上的電流都是同向流動的。最內圈小環的同相電流保證了天線中心有較強的磁場，從外到內四個環路上的電流又相互構成反向電流對，這樣的布局能夠有效地改善整個平面的磁場分布，獲得強而均勻的磁場分布。

圖2 天線輸入阻抗曲線

圖3 中心頻率處天線表面電流分布

為了更好地分析天線近場區的磁場強度，設定端口輸入功率為30 dBm，饋電位置定義在坐標軸原點。圖4給出了y=0時距天線正上方z=10 mm處沿x軸方向不同頻點磁場強度分布曲線，中心區域-80 mm

圖4 z=10 mm時不同頻率磁場強度分布

3 天線實驗

根據最終優化結果尺寸加工了天線實物，如圖5所示。使用Agilent N5230A 矢量網絡分析儀測試了天線的S參數。圖6給出了測量結果與仿真結果的S參數對比，|S11|<-10 dB帶寬仿真和測量結果分別為803～985 MHz和799～971 MHz。由于采用了低成本的FR4介質基板，導致實測頻率有所降低，但在可接受的范圍內，仿真結果與實測結果總體具有較好的一致性。

圖5 天線加工實物圖

圖6 天線S11仿真與實測對比

在固定高度下標簽的讀取能力以及最大的識別距離是評價近場RFID天線的重要指標。采用文獻[7]的測量方法搭建了如圖7所示測試環境。天線上方被劃分為20×20個單元，每個單元大小為1 cm×1 cm。將天線與UHF四通道讀寫器DC-7634E連接，英頻杰J41環形標簽平行放置在標尺的滑塊上，通過移動滑塊和標尺可以得到不同高度目標區域標簽的讀取情況。

圖7 標簽讀取測試實驗搭建

圖8給出了距離天線15 cm、16 cm、17 cm、21 cm高度標簽可讀區域，淺色表示讀取成功，黑色表示讀取失敗。設定輸入功率30 dBm，在15 cm能實現100%的標簽識別，隨著高度的增加，區域邊緣盲區變大，識別到的標簽變少。

圖8 不同高度標簽識別范圍

圖9給出了目標區域隨不同高度的標簽識別率α。α由下式定義：

(5)

式中：Aa為整個目標區域總的單元數，Ar為固定高度下能夠識別到的單元數。由圖9可知，在0

圖9 不同高度標簽識別率

本文提出的天線尺寸與文獻[7]和[12]中的天線尺寸均為170 mm×170 mm，且均能覆蓋全球通用UHF RFID的工作頻帶。與文獻[7]相比，本文天線由于引入了多個環路，中心區域的磁場得到增強，有更均勻的場分布特性。文獻[12]僅在2 cm內能達到百分百的讀取率，本文采用4個彎曲的對數周期天線組成環路，消除了上方讀取盲區，目標區域標簽百分百讀取距離提高到15 cm。

4 結 論

本文提出了一款應用于UHF RFID近場系統的中心饋電寬帶磁場均勻天線。該天線利用4個彎曲的對數周期偶極子天線合成圓環陣列，實現了全球通用UHF RFID頻段內磁場的均勻分布。實測結果與仿真結果有較高的一致性，最終天線在799～971 MHz頻帶范圍內獲得了良好匹配，在15 cm以內實現了對標簽的百分百讀取性能，最大讀取距離達到22 cm。該天線結構簡單，設計靈活，可通過增加對數周期天線個數來設計更大的圓環，從而獲得更大的識別區域，通過調整彎曲的偶極子單元個數改善識別區域的均勻磁場分布，具有廣闊的應用前景。