基于相控陣天線(xiàn)的RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

吳 龍 ，毛陸虹 ，胡焙劍，李建雄,雷 波

(1.天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072；2.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300160)

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步以及生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別(RFID)產(chǎn)品的成本將不斷地降低，其應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。由于天線(xiàn)的小型化，天線(xiàn)的孔徑變小，RFID閱讀系統(tǒng)覆蓋的范圍也隨之變小。為了增大閱讀器系統(tǒng)信號(hào)的輻射范圍，可以在閱讀區(qū)域部署更多的閱讀器和標(biāo)簽，增大信號(hào)的覆蓋密度，或者使用高功率的閱讀器，使得標(biāo)簽天線(xiàn)收到的信號(hào)更強(qiáng)。但這兩種方法增加了整個(gè)系統(tǒng)的成本和功耗，而且發(fā)射功率過(guò)高對(duì)人體造成輻射傷害。

為了克服無(wú)源RFID系統(tǒng)的工作輻射范圍比較小的問(wèn)題，參考文獻(xiàn)[1]提到，通過(guò)提高閱讀器的靈敏度，使閱讀器的收發(fā)模塊能接收到更加微弱的標(biāo)簽信號(hào)，或者通過(guò)減少標(biāo)簽的功耗、減低標(biāo)簽電路的觸發(fā)電壓等措施擴(kuò)大RFID系統(tǒng)的閱讀范圍，或者增大閱讀器天線(xiàn)的增益來(lái)增加閱讀距離[2]。但是增益增大時(shí)會(huì)引起波束立體角的變小，提高閱讀器的靈敏度需要對(duì)芯片進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)[3]中采用高精度的直接數(shù)字式頻率綜合器(DDS)和可變?cè)鲆鍾F功率放大器實(shí)現(xiàn)了電子波束掃描。但是，DDS的引入增加了閱讀器系統(tǒng)的功耗。參考文獻(xiàn)[4]提出了用相控陣天線(xiàn)技術(shù)來(lái)擴(kuò)大RFID閱讀器的閱讀范圍，但只是采用了與閱讀器分離的控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行相控陣天線(xiàn)的波束形成控制，波束形成并未與閱讀器有機(jī)地配合。鑒于此，筆者對(duì)現(xiàn)有的R1000閱讀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行改造，相控陣天線(xiàn)的波束形

成控制信號(hào)取自閱讀器，這樣使控制信號(hào)與天線(xiàn)有機(jī)地結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)智能天線(xiàn)的概念，設(shè)計(jì)了讀寫(xiě)器系統(tǒng)的組成和軟件工作流程，并實(shí)際制作了相控天線(xiàn)陣列。天線(xiàn)陣列由2×2個(gè)微帶天線(xiàn)單元、3個(gè)功率分配器和1個(gè)移相器組成。實(shí)際系統(tǒng)工作可以實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)信號(hào)覆蓋范圍的增大。

1 閱讀器的改進(jìn)

本文結(jié)合相控陣天線(xiàn)能實(shí)現(xiàn)電子掃描的特點(diǎn)，提出了RFID系統(tǒng)的改進(jìn)方案，通過(guò)閱讀器信號(hào)的控制，配合移相技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)掃描的多狀態(tài)，發(fā)射信號(hào)通過(guò)移相器使得天線(xiàn)的方向角發(fā)生改變，從而產(chǎn)生多個(gè)方向的輻射波束，增大了整個(gè)系統(tǒng)的閱讀空間。圖1為本文提出的相控陣RFID系統(tǒng)示意圖。

本文提出的相控陣RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用了Intel?R1000超高頻閱讀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Intel? R1000射頻開(kāi)發(fā)平臺(tái)是英特爾公司開(kāi)發(fā)的一款可以演示、開(kāi)發(fā)、高性能、低功耗、高數(shù)據(jù)傳輸率的集成超高頻射頻閱讀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)環(huán)境。Intel?R1000開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以被配置成接收天線(xiàn)（RX）和發(fā)送天線(xiàn)（TX）共用或者接收天線(xiàn)與發(fā)射天線(xiàn)分開(kāi)單獨(dú)使用的狀態(tài)[5]。考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性與成本，本系統(tǒng)采用接收和發(fā)送天線(xiàn)公用模式。天線(xiàn)陣列中移相器的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)可以從閱讀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)MCU芯片引出，只需對(duì)原有的閱讀器平臺(tái)稍加改造，引出控制信號(hào)即可，無(wú)需對(duì)閱讀器芯片進(jìn)行復(fù)雜的改造，容易實(shí)現(xiàn)。Intel?R1000開(kāi)發(fā)平臺(tái)控制信號(hào)的部分連接電路如圖2所示。控制電路需要的信號(hào)從閱讀器平臺(tái)的微處理器AT91SAM7S256-AU-001芯片管腳PA0引出，外接反相器，通過(guò)軟件對(duì)閱讀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)的API函數(shù)的調(diào)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)MA-COM生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)芯片MASWSS0204的控制，從而實(shí)現(xiàn)波束掃描，擴(kuò)大閱讀系統(tǒng)信號(hào)的覆蓋范圍。

安裝閱讀器驅(qū)動(dòng)程序后，使用Intel提供的API函數(shù)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)閱讀器的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)陣列的電掃描，流程如下：

(1)初始化閱讀器，配置相關(guān)參數(shù)；

(2)設(shè)置天線(xiàn)掃描模式（兩個(gè)不同的波束方向）；

(3)打開(kāi)天線(xiàn)讀寫(xiě)端口，執(zhí)行讀標(biāo)簽操作；

(4)重復(fù)第(2)步，直到讀寫(xiě)結(jié)束。

2 相控陣天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

無(wú)源RFID系統(tǒng)的有效作用距離與標(biāo)簽天線(xiàn)接收到的功率有關(guān)，無(wú)源標(biāo)簽天線(xiàn)只有接收到足夠的電磁波能量才能啟動(dòng)標(biāo)簽電路。從弗里斯傳輸公式(1)得知，天線(xiàn)的接收功率與發(fā)射功率、兩天線(xiàn)間的距離和天線(xiàn)的有效口徑有關(guān)[6]。

其中，Pr為接收天線(xiàn)的接收功率，Pt為發(fā)射天線(xiàn)的發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線(xiàn)的增益，Gr為接收天線(xiàn)的增益，R為兩天線(xiàn)間的距離。天線(xiàn)的增益G與有效口徑面積Ae的關(guān)系為：

而天線(xiàn)口徑面積Ae與波束立體角ΩA有如下關(guān)系：

在一定的頻率下，天線(xiàn)口徑與波束范圍成反比關(guān)系。在標(biāo)簽天線(xiàn)接收到的功率不變的情況下，要增加作用距離R，必須增大發(fā)射天線(xiàn)的功率或者增大天線(xiàn)的增益。天線(xiàn)增益的增大可以增強(qiáng)天線(xiàn)的方向性，但波束范圍卻變小了，不利于RFID系統(tǒng)操作范圍的擴(kuò)大。

2.1 相控陣系統(tǒng)的波束控制原理

在相控陣系統(tǒng)中，陣列天線(xiàn)的波束指向由波束控制系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行，它主要通過(guò)對(duì)陣面各單元相位和增益的控制實(shí)現(xiàn)波束空間指向的變化。其中各單元相位變化對(duì)確定的陣列天線(xiàn)而言主要取決于天線(xiàn)波束指向角的變化。

式中：△φ為單元之間的相位差；d為單元之間的距離；λ為信號(hào)波長(zhǎng)；θ為天線(xiàn)波束指向角(如圖3所示)。

圖3 天線(xiàn)波束指向

由式(4)可知，對(duì)單元相位變化量進(jìn)行控制就相當(dāng)于對(duì)天線(xiàn)波束指向進(jìn)行了控制。如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)已有若干單元的陣列天線(xiàn)的波束指向，就需要對(duì)這若干單元進(jìn)行相位控制，保證單元之間具有圖4所示的同等相位差。也就是說(shuō)，只需通過(guò)計(jì)算△φ，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)單元相位值就波束指向的控制[7]。

2.2 相控陣天線(xiàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

波束電掃描狀態(tài)如圖4所示，通過(guò)對(duì)移相器SPDT開(kāi)關(guān)的控制產(chǎn)生不同的相位差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同的波束掃描狀態(tài)。上文提到增大天線(xiàn)增益會(huì)使天線(xiàn)波束立體角變小，為了在增大天線(xiàn)增益的同時(shí)，增大閱讀器的信號(hào)波束范圍，通過(guò)移相器實(shí)現(xiàn)波束的電掃描，增大了波束的覆蓋范圍。

本設(shè)計(jì)的天線(xiàn)陣列如圖5所示，設(shè)置x方向天線(xiàn)單元之間的距離為 0.45 λ，y方向?yàn)?0.3 λ。移相器在距離為 0.45 λ 的天線(xiàn)單元（1,2）與（3,4）之間產(chǎn)生 90°的相位差，則主波束在天線(xiàn)的H平面產(chǎn)生30°偏移方向角。天線(xiàn)1與2、3與4之間沒(méi)有相位偏移。

使用ADS2008分別設(shè)計(jì)了微帶線(xiàn)結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)單元、功分器和移相器，并制作成PCB板。PCB制作使用FR4材質(zhì)，介電常數(shù)εr為4.5，介質(zhì)板厚度為1.6mm。天線(xiàn)單元使用的是微帶線(xiàn)側(cè)饋方式。為了提高整個(gè)天線(xiàn)陣列各個(gè)模塊之間的匹配性，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)每個(gè)天線(xiàn)單元進(jìn)行了輸入阻抗匹配[8],用安捷倫的E5062A網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。圖6是天線(xiàn)單元的回波損耗測(cè)試曲線(xiàn)，可以看出在915 MHz的頻率下，回波損耗值為22dB，能很好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。天線(xiàn)的方向圖如圖7所示。

威爾金森功分器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗低和隔離良好等優(yōu)點(diǎn)[9-10]，所以本設(shè)計(jì)在天線(xiàn)陣列中選用這種功分器結(jié)構(gòu)。圖8、圖9為功分器的實(shí)物圖和不同頻率下的s參數(shù)值。從測(cè)試結(jié)果可以看出，在915 MHz的頻率下，功分器的回波損耗值為26 dB，隔離度為35 dB。本設(shè)計(jì)使用的移相器為開(kāi)關(guān)線(xiàn)型移相器，如圖10所示。其基本原理是利用PIN二極管的兩個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，使微波信號(hào)從兩條電長(zhǎng)度不同的傳輸線(xiàn)通過(guò)后，得到兩個(gè)不同的相移量，達(dá)到移相的目的[11-13]。而設(shè)計(jì)中使用MA-COM生產(chǎn)的高功率單刀雙擲開(kāi)關(guān)芯片MASW0204，通過(guò)閱讀器對(duì)該芯片的控制，達(dá)到移相的目的。移相器的相位差設(shè)計(jì)為 90°，根據(jù)公式(2)，可以獲得 30°的波束掃描角度。圖11所示為移相器的回波損耗測(cè)試曲線(xiàn)。從圖9、圖11可以看出，移相器在915 MHz時(shí)的回波損耗值為25 dB，有很好的阻抗匹配。

實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真設(shè)計(jì)值有一定的差別，這種偏差主要來(lái)源于加工的不準(zhǔn)確和介質(zhì)板介電常數(shù)的不一致，特別是基板材質(zhì)的損耗角正切(TanD)對(duì)插入損耗的影響特別大，在條件允許的情況下應(yīng)盡量選用損耗角正切比較小的材料。

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的天線(xiàn)陣列的可行性，搭建了整個(gè)RFID系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖12所示。在與天線(xiàn)陣列的中心法線(xiàn)方向大約相差60°左右兩個(gè)對(duì)稱(chēng)位置上放置兩個(gè)無(wú)源標(biāo)簽，對(duì)天線(xiàn)系統(tǒng)的兩個(gè)掃描狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在閱讀器的控制下能在預(yù)設(shè)的兩個(gè)狀態(tài)中掃描讀取標(biāo)簽的EPC值，證實(shí)了設(shè)計(jì)的可行性，增大了閱讀區(qū)域。圖13為天線(xiàn)陣列的方向圖。

本文設(shè)計(jì)了一種可增大閱讀范圍的相控陣RFID系統(tǒng)，它由改造的 Intel?R1000閱讀器、1個(gè)移相器、3個(gè)功分器和2×2個(gè)微帶天線(xiàn)陣列組成。天線(xiàn)陣列波束在改造的閱讀器控制下能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的電掃描。在每個(gè)天線(xiàn)單元設(shè)計(jì)時(shí)分別進(jìn)行了輸入阻抗的匹配，使得整個(gè)天線(xiàn)陣列能有很好的阻抗匹配,反射系數(shù)小。在915 MHz的頻率下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能增大閱讀器輻射范圍。本方案是基于現(xiàn)有的閱讀器平臺(tái)，引入相控陣天線(xiàn)陣列，使控制信號(hào)與天線(xiàn)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了增大RFID系統(tǒng)輻射范圍的設(shè)想和智能天線(xiàn)的概念，并且易于實(shí)現(xiàn)。

[1]DEVITA G,LANNACCONE G.Design criteria for the RF section of long range passive RFID systems[C].Norchip Conference,2004,Proceedings.2004：107-110。

[2]UKKONEN L,SYDANHEIMOL,KIVIKOSKI M.Read range performance comparison of compact reader antennas for a handheld UHF RFID reader[C].RFID,2007.IEEE International Conference on.Grapevine,TX.2007:63-70.

[3]CHIA M,ANG K,CHEE K,et al.A smart beam steering RFID interrogator for passive tags in item level tagging applications[C].Microwave Symposium Digest,2008 IEEE MTT-S International.Atlanta,GA.2008:575-578.

[4]ABBAK M,TEKIN I.RFID Coverage extension using microstrip Patch Antenna Array[J].Antennas and Propagation Magazine,IEEE.2009,51(1):185-191.

[5]INTEL CORPORATION.Intel R1000 Development Platform Application Note[M].USA.2007.

[6]STUTZMAN W,THIELE G.Antenna theory and design[M].2nd ed.USA.1998:78-80.

[7]KRNAC B,HARING J.Improving of UHF RFID pattern steering by phased antenna array[C].Radioelektronika,2008 18th International Conference.Prague.2008:1-4.

[8]CAMINITA F,COSTANZO S,DI MASSA G,et al.Reduction of patch antenna coupling by using a compact EBG formed by shorted strips with interlocked branch-stubs[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE.2009(8):811-814.

[9]WU L，SUN Z.Yilmaz H,et al.A Dual-frequency wilkinson power divider[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.2006,54(1)：278-284.

[10]ZHU Y,ZHU W,ZHANG X,et al.Shunt-stub wilkinson power divider for unequal distribution ratio[J].Microwaves,Antennas&Propagation,IET.2010,4(3):334-341.

[11]CHOI J,JUNG C.Compact digital phase shifter utilising negative phase velocity[J].Electronics Letters,2008,44(16):975-977.

[12]GUO Y,ZHANG Z,ONG L.Improved wide-band schiffman phase shifter[J].Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions on.2006,54(3):1196-1200.

[13]BUCK T,KASPER,E.RF MEMS phase shifters for 24 and 77 GHz on high resistivity silicon[C].Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems(SiRF),2010 Topical Meeting on.New Orleans,LA.2010:224-227.