一種低旁瓣雙圓極化RFID陣列天線的設計

董 進，于正永*，姜 嚴

(1. 江蘇電子信息職業(yè)學院 計算機與通信學院，江蘇 淮安 223003；2.南京師范大學 物理科學與技術(shù)學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

近年來，射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)已經(jīng)被應用于工業(yè)制造、庫存控制、商品追蹤、防盜門禁和貨物盤點等諸多領域。無源超高頻(Ultra High Frequency，UHF)頻段 RFID技術(shù)[1-6]具有讀取距離遠、傳輸速率快等優(yōu)點，被認為是最具應用前景的RFID技術(shù)。閱讀器天線作為RFID系統(tǒng)的重要組成部分，其性能往往決定了整個系統(tǒng)的性能。

在RFID的實際應用中，不同的應用場景對天線的極化性能和輻射特性的要求不同。許多文獻對如何實現(xiàn)RFID閱讀器天線的圓極化特性做了分析。閆耀峰等[7]提出了一款小型化UHF圓極化RFID微帶天線，通過貼片的2個矩形槽很好地實現(xiàn)了天線的圓極化特性。文獻[8]通過縫隙加載技術(shù)展寬天線的阻抗帶寬和軸比帶寬。文獻[9]使用2個諧振路徑幅度相等、相位相差90°的單極子天線來實現(xiàn)圓極化。文獻[10]在單饋電微帶天線的基礎上，采用探針饋電曲線貼片的方式，在圓形鐵片上開了對稱的方形縫隙來改善天線的帶寬和圓極化特性。文獻[11-12]分別使用威爾金森功分器和3 dB分支線定向耦合器來產(chǎn)生幅度相等、相位差為90°的激勵源給貼片天線饋電，實現(xiàn)了良好的圓極化性能。文獻[13-17]將四臂螺旋天線平面化，實現(xiàn)了小型化和集成化，并運用到RFID系統(tǒng)中。然而，大部分關(guān)于RFID圓極化天線以單元天線的形式來實現(xiàn)，鮮有對RFID圓極化陣列天線的報道。鐘亞君等[18]設計了一款應用于多標簽高效讀取的RFID波束掃描陣列天線，有效擴大了RFID系統(tǒng)的閱讀范圍和識別效率。文獻[19]提出了一種低旁瓣圓極化微帶天線陣，通過調(diào)節(jié)饋電網(wǎng)絡中的電流分布比來實現(xiàn)切比雪夫分布激勵源給單元天線饋電，最終實現(xiàn)了低旁瓣特性，天線陣列的相對旁瓣電平和駐波比帶寬較好地滿足了RFID系統(tǒng)應用要求。文獻[20]基于降低副瓣電平的方向圖綜合算法提出了低副瓣和圓極化陣列天線的設計方案。

本文研究的RFID系統(tǒng)要求能在規(guī)定識別區(qū)域內(nèi)準確識別目標。為了達到規(guī)定識別區(qū)域外目標的無誤讀和保證識別區(qū)域內(nèi)無漏讀的目標，要求天線陣具有窄波束、低旁瓣并兼具雙圓極化特性。本文中天線單元選擇印刷電路板(PCB)形式的四臂螺旋天線以減小天線陣的尺寸，通過控制螺旋天線的4個螺旋臂端口的相位來實現(xiàn)單元天線的左旋或者右旋輻射。使用T形功分器和不等分功分器的級聯(lián)來產(chǎn)生二項式分布的激勵幅度比(激勵幅度按序號的比例為 1∶3∶3∶1 )，并對天線單元進行饋電，以實現(xiàn)低旁瓣電平的目的。仿真和實驗結(jié)果均表明，所提出的天線陣具有相對旁瓣電平低和雙圓極化特性，滿足了RFID系統(tǒng)的應用要求。

1 天線設計

1.1 單元天線的設計

四臂螺旋天線的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

(a) 四臂螺旋天線總體結(jié)構(gòu)

(b) 輻射螺旋臂示意

(c) 功分移相饋電網(wǎng)絡

(d) 饋電連接電路板

4 個輻射螺旋臂印制在厚度為0.6 mm的FR4(介電常數(shù)εr為4.4)介質(zhì)板上，如圖1(b)所示。功分移相饋電網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示，其印刷在厚度為1 mm的FR4板材上，整個功分移相網(wǎng)絡由威爾金森功分器和T形功分器級聯(lián)而成，可以產(chǎn)生等幅、相位依次滯后90°(通過相位延長線實現(xiàn))的4個激勵源。4個螺旋臂與功分移相饋電網(wǎng)絡之間通過饋電連接電路板(圖1(d))連接，饋電連接電路板印刷在厚度為0.6 mm的FR4介質(zhì)板上。

優(yōu)化后的四臂螺旋天線的具體參數(shù)如表1所示。

表1 優(yōu)化后的四臂螺旋天線的具體參數(shù)

根據(jù)天線端口的相位關(guān)系和天線輻射螺旋臂的旋向，可以確定四臂螺旋天線的輻射方向和極化旋向(左旋圓極化或右旋圓極化)。圖2(a)和圖2(b)分別給出了輻射方向朝上的右旋圓極化天線和左旋圓極化天線的輻射螺旋臂的旋向以及相位分配。可以看出，右旋圓極化天線輻射螺旋臂的旋向呈順時針旋轉(zhuǎn)，相位依次順時針增加90°，左旋圓極化天線則相反。

(a) 右旋圓極化天線

(b) 左旋圓極化天線

1.2 單元天線的仿真結(jié)果

單元天線的仿真優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。圖3(a)為單元天線的VSWR，可以看出，在RFID國標頻段(920～925 MHz)，天線的VSWR小于1.35,符合RFID系統(tǒng)對天線VSWR的要求。圖3(b)為單元天線的軸比和增益隨頻率變化的曲線，可以看出，在所需頻段范圍內(nèi)單元天線的增益大于2 dB，軸比小于1 dB，天線的圓極化特性較好。

(a) 單元天線的VSWR

(b) 單元天線軸比和增益曲線圖3 單元天線的仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of antenna element

2 低旁瓣雙圓極化RFID陣列天線的設計與分析

以四臂螺旋天線作為陣元進行組陣，各陣元間距設計為170 mm(約0.52λ)。為了較好地實現(xiàn)低旁瓣特性，需要產(chǎn)生幅度呈二項式分布的激勵源。本文設計的饋電網(wǎng)絡及其等效電路如圖4所示。由圖4分析可知，阻抗Ra:Rb為3∶1時，②端口的輸出幅度與①端口的輸出幅度比為3∶1。Rb的阻抗為50 Ω，Ra的阻抗為150 Ω，根據(jù)1/4阻抗變換器可以求出Z1的特征阻抗約為86.6 Ω。Rc的阻抗約為37.3 Ω(Ra與Rb并聯(lián))。要使整個網(wǎng)絡匹配，需Rd和Re的阻抗均為100 Ω，根據(jù)1/4阻抗變換器可分別求出Z2和Z3的特征阻抗為43.18 Ω和70.7 Ω。

2種不同饋電網(wǎng)絡(等幅激勵的饋電網(wǎng)絡和幅度呈二項式分布的饋電網(wǎng)絡)激勵的陣列天線的輻射方向圖如圖5所示?？梢钥闯?，在2種不同激勵方式的情況下，天線陣在E面(Phi=0°)的輻射方向圖幾乎一樣。而選取本文的饋電網(wǎng)絡，天線陣在H面(Phi=90°)的輻射方向圖的旁瓣得到了明顯的抑制，可以確保識別目標只在規(guī)定識別區(qū)域內(nèi)被讀取，避免誤讀。

(a) 2種不同饋電網(wǎng)絡

(b) 2種不同饋電網(wǎng)絡下陣列天線輻射方向圖圖5 不同饋電網(wǎng)絡激勵的陣列天線的輻射方向圖Fig.5 Radiation patterns of array antenna excited by different feed networks

為了在規(guī)定識別區(qū)域內(nèi)識別目標的無漏讀，本文采用了雙圓極化陣列天線，通過增加一種極化方式，來提高整個RFID系統(tǒng)的讀取穩(wěn)定性。雙圓極化陣列天線的結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。整個陣列天線的布局采用共軸的方式以減小天線的尺寸。當給天線的端口1激勵時，陣列天線輻射的是右旋圓極化波，當給天線的端口2激勵時，陣列天線輻射的是左旋圓極化波，RFID系統(tǒng)分時地給端口1和端口2激勵信號。

圖6 雙圓極化陣列天線Fig.6 Dual circular polarization RFID array antenna

雙圓極化陣列天線的仿真結(jié)果如圖7所示。

(a) 左旋圓極化和右旋圓極化VSWR

(b) 陣列天線的軸比和增益

(c) 陣列天線的輻射方向圖圖7 雙圓極化陣列天線的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of dual circular polarization RFID array antenna

可以看出，在RFID國標頻段，左旋圓極化和右旋圓極化的VSWR小于1.35(如圖7(a)所示)，天線和饋電網(wǎng)絡之間的匹配很好；在RFID國標頻段，天線的軸比小于2 dB，增益大于5 dB，天線圓極化特性較優(yōu)，符合系統(tǒng)的要求；輻射方向圖的旁瓣抑制大于18.5 dB。

3 實驗測試分析

具體測試步驟如下：

① 選擇一個增益已知的標準增益天線(G0)作為基準進行增益比較；

② 將接收機和饋電線路接到標準增益天線，并與源天線對準，讀取并記錄下接收機的讀數(shù)，即為標準天線的相對功率電平P0；

③ 將接收機和饋電線路接到被測天線，并與源天線對準，讀取并記錄下接收機的讀數(shù)，即為標準天線的相對功率電平P1；

④ 比較接收機的讀數(shù)便可求出待測天線的絕對增益，即被測天線的絕對增益G需滿足如下關(guān)系式：

G0-G=P0-P1。

(1)

測試過程中需注意：

① 被測天線和源天線之間測量距離滿足：R≥2D2/λ(D為被測天線的最大口徑尺寸)；

② 被測天線與源天線具有相同的極化，且指向一致；

③ 測量用信號發(fā)生器、接收機等測量設備和儀表應具有良好的穩(wěn)定性、可靠性、動態(tài)范圍和測量精度。

本文提出的雙圓極化陣列天線測試結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯赗FID國標頻段，左旋圓極化和右旋圓極化的VSWR小于1.37，天線的軸比小于2 dB，增益大于5 dB，輻射方向圖的旁瓣抑制大于16 dB，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，驗證本文天線設計的可行性和正確性。

(a) 左旋圓極化和右旋圓極化VSWR

(b) 陣列天線的軸比

(c) 陣列天線的增益

(d) 陣列天線的輻射方向圖

4 結(jié)束語

以四臂螺旋天線作為陣元天線，設計和實現(xiàn)了一種低旁瓣雙圓極化RFID陣列天線，并運用PCB工藝進行加工制作。通過設計輻射螺旋臂的旋向和控制激勵的幅度和相位來實現(xiàn)左右旋圓極化天線。為了達到抑制旁瓣的目的，使用T形功分器和不等分功分器的級聯(lián)來產(chǎn)生二項式分布的激勵幅度比，并對天線單元進行饋電。通過增加一種極化方式來提高RFID系統(tǒng)的讀取穩(wěn)定性和識別率，所設計的陣列天線的布局采用共軸的方式有效減小了天線的電尺寸。此外，簡要介紹了實驗測試的步驟及注意事項。實驗測試結(jié)果表明，在RFID系統(tǒng)所需頻段內(nèi)，左旋圓極化和右旋圓極化天線的VSWR均小于1.37，軸比小于2 dB，增益大于5 dB，旁瓣抑制大于16 dB，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。因此，所提出的低旁瓣雙圓極化RFID天線陣列具有尺寸小、雙圓極化、低旁瓣等優(yōu)勢，可以很好地應用于UHF RFID系統(tǒng)。目前多數(shù)RFID天線的識別標簽僅限平行于天線表面，對識別標簽垂直于天線表面擺放的場景研究不多，將在后期工作中加以深入研究。