應(yīng)用于感知物聯(lián)網(wǎng)的方向圖可重構(gòu)超高頻RFID標(biāo)簽天線

摘 "要： 提出了一款新穎的應(yīng)用于感知物聯(lián)網(wǎng)的方向圖可重構(gòu)的RFID超高頻電子標(biāo)簽天線。該RFID超高頻電子標(biāo)簽天線為應(yīng)用于金屬物品的偶極子天線，創(chuàng)新地在RFID超高頻電子標(biāo)簽天線中采用漢字結(jié)構(gòu);偶極子天線應(yīng)用“鉸鏈型”可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，在0～90°范圍內(nèi)調(diào)控超高頻電子標(biāo)簽天線的偶極子臂的夾角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽天線的阻抗實(shí)部在0～90 Ω范圍以及虛部在150～260 Ω范圍內(nèi)可調(diào)，方向圖在邊射（約0°）和前向端射（約-90°）范圍內(nèi)調(diào)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(zhì)和電磁帶隙柵格結(jié)構(gòu)進(jìn)一步調(diào)控方向圖的輻射方向（以60°夾角為例，可進(jìn)一步調(diào)控30°～40°）。實(shí)際測試結(jié)果驗(yàn)證了RFID超高頻電子標(biāo)簽天線的可翻轉(zhuǎn)偶極子臂對方向圖的調(diào)控性，以及EBG結(jié)構(gòu)對方向圖輻射方向的可調(diào)控性。在此探索了可重構(gòu)天線在RFID超高頻電子標(biāo)簽天線的延伸，尤其提出并驗(yàn)證了可翻轉(zhuǎn)偶極子臂以及EBG對RFID超高頻電子標(biāo)簽天線的方向圖及方向圖輻射方向的可調(diào)控性能。

關(guān)鍵字：方向圖輻射方向可調(diào)控; 鉸鏈型天線; 感知物聯(lián)網(wǎng); 電磁帶隙; RFID; FEM

中圖分類號： TN911?34 " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(lián)網(wǎng)是通過RFID（Radio Frequency Identification）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。簡而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”[1?2]。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上來看，它包含感知層網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。對于感知層而言，如何準(zhǔn)確便捷智能地實(shí)現(xiàn)識別是物聯(lián)網(wǎng)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(nèi)的物體被識別進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的讀/寫，然后以無線通信的方式傳入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)。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(guān)鍵技術(shù)，天線的各項(xiàng)特性及形態(tài)大小，極大程度地影響了自動識別的準(zhǔn)確度和速率。特別是對于天線的方向圖而言，具備可重構(gòu)功能的天線方向圖的RFID超高頻電子標(biāo)簽，可以通過天線方向圖的可重構(gòu)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(zhǔn)確度和速率，也同時減少了RFID電子標(biāo)簽的功耗。

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圖1 認(rèn)知物聯(lián)網(wǎng)

針對方向圖可重構(gòu)的RFID超高頻電子標(biāo)簽天線，許多學(xué)者做了一些有意義的研究工作，文獻(xiàn)[3]應(yīng)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(xiàn)[4]應(yīng)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(xiàn)[5]通過開關(guān)實(shí)現(xiàn)單極子和帶反射器的偶極子兩種工作方式，進(jìn)而改變天線的輻射方向圖，以實(shí)現(xiàn)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(xiàn)[6]通過控制開關(guān)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(shí)現(xiàn)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(gòu)的天線的研究，但大多都采用開關(guān)，這樣增加了功耗和損耗，也增加了天線的復(fù)雜度。在應(yīng)用于金屬物體的標(biāo)簽天線的研究方面， 文獻(xiàn)[7] 利用PIFA天線的原理，設(shè)計(jì)了一種基于微帶天線結(jié)構(gòu)的抗金屬標(biāo)簽天線。 文獻(xiàn)[8]將標(biāo)簽貼合在5 mm厚度的泡沫介質(zhì)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(shí)現(xiàn)了RFID標(biāo)簽天線應(yīng)用于金屬環(huán)境的功能，但并不能同時實(shí)現(xiàn)方向圖可重構(gòu)功能。

本文方向圖的調(diào)控基于兩方面：

（1） 漢字型偶極子天線：其一個輻射臂可轉(zhuǎn)動一定角度，同時增加天線的介質(zhì)基片的厚度，以填補(bǔ)旋轉(zhuǎn)后的天線臂與介質(zhì)的間隙，即可以實(shí)現(xiàn)天線的輻射方向圖的調(diào)控。

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

以上兩種方法簡單、實(shí)用，且制作成本低。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：

（1） 為了與現(xiàn)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(jié)構(gòu)，并且使用公司漢字名稱中的：“信達(dá)物聯(lián)”，將天線隱藏于公司名稱的商標(biāo)中，簡單、方便、美觀，在具有創(chuàng)新性的同時也具有較強(qiáng)的實(shí)用性;

（2） 利用RFID電子標(biāo)簽天線基材PET（Polyethylene Terephthalate）材料的柔軟可彎折性，實(shí)現(xiàn)天線臂的彎折旋轉(zhuǎn)，達(dá)到方向圖輻射方向的可調(diào)控性目的;

（3） 使用電磁帶隙結(jié)構(gòu)調(diào)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(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示。第一層為介質(zhì)基板，基板的上側(cè)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(biāo)簽天線的形狀為“廈門信達(dá)物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司”的中文簡稱：“信達(dá)物聯(lián)”。其中，“信達(dá)物聯(lián)”四字中，“信達(dá)”二字為電子標(biāo)簽天線的一個輻射臂，“信”字旋轉(zhuǎn)90°，與“達(dá)”字垂直;“物聯(lián)”二字為電子標(biāo)簽天線的另一個輻射臂，“聯(lián)”字旋轉(zhuǎn)90°，與“物”字垂直。“信達(dá)物聯(lián)”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(shè)計(jì)有弧形以調(diào)節(jié)容感性，連線上設(shè)有斷開間隙，斷開間隙的兩側(cè)設(shè)有天線饋電點(diǎn)。因該天線為二維結(jié)構(gòu)，電子標(biāo)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(shí)際應(yīng)用中將該二維天線貼于物流應(yīng)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(gòu)方向圖

鉸鏈型可旋轉(zhuǎn)偶極子天線的方向圖指向隨著其旋轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)鉸鏈型天線

如圖3（c）、（d）所示，鉸鏈型可旋轉(zhuǎn)偶極子天線的電流可分解為水平電流[I1]，對應(yīng)著垂直為最大指向的方向圖;垂直方向的電流[I2]，對應(yīng)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(zhuǎn)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(gòu)基于以下兩點(diǎn)：

（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(zhuǎn)。實(shí)際操作中，物流應(yīng)用環(huán)境中（如圖2（b）所示），天線貼于長方體的兩個垂直側(cè)面上，置于其中一個側(cè)面的天線部分翻轉(zhuǎn)一定角度，翻起后天線與側(cè)面的空間填充介質(zhì)，另一個側(cè)面上的天線部分保持不變，從而實(shí)現(xiàn)天線旋轉(zhuǎn)（如圖4所示）。

隨著天線一個臂旋轉(zhuǎn)一定角度，應(yīng)用有限元法（FEM）進(jìn)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(zhuǎn)，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(diào)特性。lt;E：＼王芳＼現(xiàn)代電子技術(shù)201506＼現(xiàn)代電子技術(shù)15年38卷第6期＼Image＼12t4.tifgt;

圖4 可旋轉(zhuǎn)天線偶極子臂

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圖5 可重構(gòu)方向圖

3 "可調(diào)阻抗

另一方面，隨著天線臂的翻轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)，天線阻抗的實(shí)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(shí)部阻抗。同樣的在天線臂翻轉(zhuǎn)0°～60°的范圍內(nèi)，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(biāo)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(shí)部隨天線翻轉(zhuǎn)角度的變化

4 "EBG對方向圖的調(diào)控

為了進(jìn)一步調(diào)控方向圖，EBG被引入天線設(shè)計(jì)以進(jìn)一步探索對方向圖輻射的調(diào)控的方法。EBG被常用于優(yōu)化天線的增益[9?10]。本文中EBG結(jié)構(gòu)被應(yīng)用以調(diào)控方向圖。EBG結(jié)構(gòu)的研究基于該RFID天線臂轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。EBG結(jié)構(gòu)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

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圖7 阻抗虛部隨天線翻轉(zhuǎn)角度的變化

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圖8 PBG方向圖可重構(gòu)天線

圖9為當(dāng)標(biāo)簽天線臂轉(zhuǎn)動60°后電磁帶隙矩形周期性結(jié)構(gòu)中矩形小孔面積變化對電子標(biāo)簽方向圖輻射的調(diào)控。從圖9中可以看出在電磁帶隙矩形周期性結(jié)構(gòu)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(wǎng)狀小孔的面積變化

5 "實(shí)驗(yàn)測試

應(yīng)用廈門信達(dá)物聯(lián)公司的制造測試系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(dá)物聯(lián)”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(shí)驗(yàn)設(shè)備局限，天線的阻抗以及方向圖無法直接測量;本次驗(yàn)證測量，采用公司RIFD電子標(biāo)簽專業(yè)儀器Tagformance測試系統(tǒng)，對RFID電子標(biāo)簽的靈敏度進(jìn)行測試，進(jìn)而來判斷RFID電子標(biāo)簽天線方向圖的不同指向。具體測試了4種情況（旋轉(zhuǎn)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(jìn)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(shè)置如下：

（1） RFID電子標(biāo)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(biāo)簽天 " 線-90°（270°方向）輻射方向，即“鉸鏈型”天線旋轉(zhuǎn)60°后輻射方向圖應(yīng)指向的方向。

（3） 保持Tagformance儀器接收天線不動，以此翻 " 轉(zhuǎn)RFID標(biāo)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(biāo)簽天線臂從0°翻轉(zhuǎn)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(jìn)而定性的驗(yàn)證了方向圖的指向可重構(gòu)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(dāng)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(yàn)證了圖8的仿真結(jié)果。

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圖11 不同翻轉(zhuǎn)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(jié) "語

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

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