對數(shù)周期偶極子結(jié)構(gòu)的新型近場均勻天線

傅世強(qiáng)，熊昂宇，房少軍

(大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)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(shù)被廣泛應(yīng)用于物品識別和目標(biāo)跟蹤。就作用距離而言，RFID技術(shù)應(yīng)用分為遠(yuǎn)場和近場系統(tǒng)。遠(yuǎn)場系統(tǒng)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(jìn)行遠(yuǎn)距離識別[1]。而在近場系統(tǒng)中，標(biāo)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(huán)境具有較高的穩(wěn)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(shè)計存在許多挑戰(zhàn)，包括如何實(shí)現(xiàn)寬帶化兼容全球不同地區(qū)的工作頻段、如何根據(jù)識別區(qū)域設(shè)計合理的天線尺寸、如何保證識別區(qū)域具有均勻場分布等。

基于同向電流環(huán)和反向電流對來加強(qiáng)磁場技術(shù)，研究人員已經(jīng)提出了多款UHF RFID近場閱讀器天線。采用環(huán)形天線形成同向電流環(huán)加強(qiáng)磁場是常用的方法。文獻(xiàn)[4]將兩個偶極子組合成環(huán)路，只能在很小的范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)而均勻的磁場分布；文獻(xiàn)[5-6]利用特殊的印刷周期結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)零相移特性，保證環(huán)路變大時電流仍同向流動，但這樣的環(huán)路結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的匹配電路；文獻(xiàn)[7]簡化了饋網(wǎng)，用漸變的雙面微帶線對四個偶極子激勵實(shí)現(xiàn)了寬頻帶匹配，然而尺寸變大導(dǎo)致中心區(qū)域磁場明顯低于區(qū)域邊緣。構(gòu)造反向電流對也能有效地加強(qiáng)磁場[8]。文獻(xiàn)[9-10]對微帶線進(jìn)行合理彎折構(gòu)造反向電流，但帶寬非常窄，分別為15 MHz和40 MHz；文獻(xiàn)[11]通過加載兩個反射面改善匹配擴(kuò)展了帶寬，但大量集總電容的使用帶來加工復(fù)雜性；對數(shù)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(xiàn)[12]輕松實(shí)現(xiàn)了UHF近區(qū)磁場的均勻分布，然而標(biāo)簽百分百讀取高度僅2 cm。

本文將同向電流環(huán)和反向電流對兩種技術(shù)結(jié)合，提出了一種用于UHF RFID的寬帶中心饋電環(huán)形天線。天線由4個彎曲的四元印刷對數(shù)周期偶極子天線組成圓環(huán)陣列，每個環(huán)路上的電流同向流動，同時不同環(huán)路之間形成反向電流對，在識別區(qū)域獲得了強(qiáng)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(xiàn)[7,12]所提天線更均勻的磁場分布和更大的標(biāo)簽識別距離。

1 天線設(shè)計

為節(jié)省成本，天線蝕刻在相對介電常數(shù)4.4、損耗角正切0.02、厚度1.6 mm的FR4介質(zhì)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(qū)域?yàn)樘炀€正面，淺色區(qū)域?yàn)樘炀€背面。四個印刷對數(shù)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(jìn)行激勵，同軸線內(nèi)導(dǎo)體與基板正面帶條相接，外導(dǎo)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(chǎn)生多個反向電流對，能有效保證在環(huán)形區(qū)域變大時仍能實(shí)現(xiàn)整個平面均勻的強(qiáng)磁場分布。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)的平面印刷對數(shù)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(shù)量N能獲得較寬的工作帶寬。基于文獻(xiàn)[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(shù)。通過計算得到L1=50 mm。

當(dāng)?shù)谝粋€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(shè)計的彎曲對數(shù)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(jīng)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(jìn)一步得到L2，再由式(4)得出第二個偶極子的寬度W2。重復(fù)以上步驟能推算出W1～W4、D1～D4，最后對雙面微帶線線寬Wf優(yōu)化。該天線不需要額外的匹配結(jié)構(gòu)，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(jìn)行仿真優(yōu)化，最終設(shè)計的天線尺寸具體參數(shù)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(nèi)阻抗虛部幾乎為0，阻抗實(shí)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(huán)和反向電流對來改善目標(biāo)區(qū)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(huán)路上的電流都是同向流動的。最內(nèi)圈小環(huán)的同相電流保證了天線中心有較強(qiáng)的磁場，從外到內(nèi)四個環(huán)路上的電流又相互構(gòu)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(qiáng)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(qū)的磁場強(qiáng)度，設(shè)定端口輸入功率為30 dBm，饋電位置定義在坐標(biāo)軸原點(diǎn)。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(diǎn)磁場強(qiáng)度分布曲線，中心區(qū)域-80 mm

圖4 z=10 mm時不同頻率磁場強(qiáng)度分布

3 天線實(shí)驗(yàn)

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

圖5 天線加工實(shí)物圖

圖6 天線S11仿真與實(shí)測對比

在固定高度下標(biāo)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(biāo)。采用文獻(xiàn)[7]的測量方法搭建了如圖7所示測試環(huán)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(huán)形標(biāo)簽平行放置在標(biāo)尺的滑塊上，通過移動滑塊和標(biāo)尺可以得到不同高度目標(biāo)區(qū)域標(biāo)簽的讀取情況。

圖7 標(biāo)簽讀取測試實(shí)驗(yàn)搭建

圖8給出了距離天線15 cm、16 cm、17 cm、21 cm高度標(biāo)簽可讀區(qū)域，淺色表示讀取成功，黑色表示讀取失敗。設(shè)定輸入功率30 dBm，在15 cm能實(shí)現(xiàn)100%的標(biāo)簽識別，隨著高度的增加，區(qū)域邊緣盲區(qū)變大，識別到的標(biāo)簽變少。

圖8 不同高度標(biāo)簽識別范圍

圖9給出了目標(biāo)區(qū)域隨不同高度的標(biāo)簽識別率α。α由下式定義：

(5)

式中：Aa為整個目標(biāo)區(qū)域總的單元數(shù)，Ar為固定高度下能夠識別到的單元數(shù)。由圖9可知，在0

圖9 不同高度標(biāo)簽識別率

本文提出的天線尺寸與文獻(xiàn)[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(xiàn)[7]相比，本文天線由于引入了多個環(huán)路，中心區(qū)域的磁場得到增強(qiáng)，有更均勻的場分布特性。文獻(xiàn)[12]僅在2 cm內(nèi)能達(dá)到百分百的讀取率，本文采用4個彎曲的對數(shù)周期天線組成環(huán)路，消除了上方讀取盲區(qū)，目標(biāo)區(qū)域標(biāo)簽百分百讀取距離提高到15 cm。

4 結(jié) 論

本文提出了一款應(yīng)用于UHF RFID近場系統(tǒng)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(shù)周期偶極子天線合成圓環(huán)陣列，實(shí)現(xiàn)了全球通用UHF RFID頻段內(nèi)磁場的均勻分布。實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果有較高的一致性，最終天線在799～971 MHz頻帶范圍內(nèi)獲得了良好匹配，在15 cm以內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對標(biāo)簽的百分百讀取性能，最大讀取距離達(dá)到22 cm。該天線結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計靈活，可通過增加對數(shù)周期天線個數(shù)來設(shè)計更大的圓環(huán)，從而獲得更大的識別區(qū)域，通過調(diào)整彎曲的偶極子單元個數(shù)改善識別區(qū)域的均勻磁場分布，具有廣闊的應(yīng)用前景。