UHF RFID阅读器中相控阵天线的设计

李建雄，陈明省，宋战伟，闫必行，郭 阳，韩晓迪

（天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387）

UHF RFID阅读器中相控阵天线的设计

李建雄，陈明省，宋战伟，闫必行，郭 阳，韩晓迪

（天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387）

为使阅读器在有限功率输出的情况下识别距离远和覆盖区域广，提出了一种新的天线设计方案，即采用相控阵天线实现阅读器空间区域的波束扫描，天线单元辐射贴片与地平面开槽，阵元尺寸减小51%左右，进而减小了天线阵列总尺寸.实际测量结果与仿真分析吻合，该相控阵天线可以工作在902～928 MHz，最大增益为16.05 dBi，主波束扫描范围达到±50%，可以有效地扩大阅读器的识别区域.

RFID阅读器；阵列天线；波束切换；小型化设计

射频识别（radio frequency identification，RFID）技术作为物联网发展的关键技术，其应用市场随着物联网的发展不断扩大，如应用于物流、零售、工业生产等领域[1].然而阅读器的识别距离有限、识别区域小、天线尺寸大等技术的不完善性限制了其大规模应用[2-3].天线作为阅读器的重要组成部分，是实现无线数据通信的关键因素，直接影响阅读器的识别距离和识别区域，天线的尺寸也决定了阅读器的体积[4].

为使阅读器在有限功率输出的情况下识别距离远、覆盖区域广，以达到阅读器性能最优，许多国内外学者对天线进行设计[5-12].如Ukkonen等[5]研究并比较了装配不同天线时阅读器的识别区域，结果显示天线增益是影响识别区域的主要因素；邓兵[6]采用三阵元阵列天线代替单个天线，天线增益明显提高，识别距离远，但体积过大，识别区域有限；Dhengale等[7]设计了二阵元阵列天线，其增益为7.5 dBi，波束宽度为60°，但该阵列天线只有一个波束，扫描区域小；Abbak等[9-10]研究的阵列天线在方向上进行波束切换，扩大了识别区域，但只用于接收天线扩展有效识别区域，没有用于发射天线来增加最大识别距离.

针对UHF频段RFID阅读器天线存在的不足，本文设计了一种新的天线，即使用相控阵天线实现阅读器对空间区域的波束扫描.阵列天线的引入使天线主波束狭窄，增益增加.改变天线阵元的激励相位，不仅使天线形成多方向波束以扩大阅读器的识别区域，而且在同等功率输出的情况下增加阅读器的识别距离.对阵元的小型化处理也减小了天线阵列的总尺寸.该阵列天线可以工作在902～928 MHz，解决了现有阅读器天线存在的难题，提高了RFID阅读器的工作性能.

1 理论分析

1.1 波束切换型阵列天线

在无源UHF RFID系统中，最大识别距离可以表示为

式中：λ为工作波长；Pt为阅读器的发射功率；Gt为阅读器天线的增益；Gr为标签天线的增益；τ为标签天线和标签芯片的功率传输因子；Pth为标签芯片激活的最小接收功率.在标签天线接收功率不变的情况下，增加识别距离就要增加发射功率或者增加阅读器天线增益.单天线增加天线增益以减小波束宽度为代价，识别区域减小.波束切换型阵列天线增加了天线增益，虽然波束狭窄，但波束可以在多个方向上扫描，总的识别区域得以扩展.图1为波束切换型阵列天线扫描示意图，控制阵元激励相位形成4个波束，实现空间区域的扫描，虽然波束狭窄，但波束总覆盖面积大于单个低增益宽波束的覆盖面积.

图1 波束切换型阵列天线扫描示意图Fig.1 Schematic of switched beam array antenna scanning

此外，波束切换型阵列天线的高定向性、较小的波束跃度和较高的角度分辨率可以提高RFID定位的精度，空分多址技术（SDMA）可以减少或避免碰撞，有效地减少多径干扰，提高标签识别率，从而改善RFID阅读器的使用性能.

1.2 矩形微带天线

微带天线以其重量轻、体积小、成本低、易于成形、易于与集成电路匹配等独具特色的优点被广泛应用.对于矩形微带天线，辐射贴片宽度W、长度L分别表示为

式中：εr为介质介电常数；f为工作频率；c为自由空间波传播速度；εe为有效介电常数.

由式（2）和（3）可以看出，高介电常数的介质可以减小微带天线尺寸，然而介电常数的增加容易激发较强的表面波，表面损耗较大，增益较低，并且带宽减小.为提高增益，可以在天线表面覆盖介质，但制作繁琐.除采用高介电常数的介质层外，还可以采用辐射贴片或接地平面开槽、短路加载、增加有源网络、使用超材料等方法减小天线尺寸[13-14].贴片表面开槽切断了原电流路径，使其发生弯曲，有效路径变长，共振波长变大，谐振频率降低，从而减小天线尺寸.接地平面开槽引导贴片中电流发生弯曲，增加电流有效路径，降低谐振频率；另外，接地平面开槽还可以降低天线Q值，增大天线带宽.

微带天线使用同轴馈电易调整馈电点位置，馈电点在宽度W方向的位移对输入阻抗的影响很小，但宽度方向偏离中心位置时，会激发TM1n模式，增加天线的交叉极化辐射，因此宽度方向上馈电点一般选取中心点.

1.3 阵列天线方向图综合

阵列天线的方向图通常取决于阵元的辐射特性、数目、分布和激励.阵列天线中，空间某一主平面上的主瓣宽度与该平面上的阵元数目近似有反比关系[15]，在辐射单元与分布确定后，需要设计各单元的激励幅度与相位.切比雪夫阵列能够满足阅读器所希望的主副瓣电平特性，其方向图在指定的副瓣电平下主瓣宽度最窄，在指定的主瓣宽度下副瓣电平最低[16].

根据方向图乘积定理，m×n元平面阵列阵因子可由m元线阵与n元线阵阵因子乘积得到.利用切比雪夫函数构造m元阵列的阵因子（即m个各向同性点源组成的线阵）方向图函数为

式中：ak为激励幅度；ψ可以表示为.

式中：d为相邻阵元间距；θ为方位角.

根据指定的副瓣电平（SLL）值可以求得对应的归一化激励电流幅度及m元阵列阵因子方向图.各阵元的初始激励相位为零，依次加上相等的相位差δ，其方向图函数变为

则m×n元平面阵列阵因子可表示为

式中：θ为水平方位角；φ为垂直方位角；d1、δ1分别为m元线阵阵元间距与阵元相位差；d2、δ2分别为n元线阵阵元间距与阵元相位差.

因此，通过改变不同的相位差实现了波束方向的改变，且馈电相位差δ与波束的扫描角θ、φ有如下关系.

2 阵列天线设计与仿真分析

为减少噪声信号进入阅读器，避免其影响阅读器接收机灵敏度与选择性，所设计的阵列天线旁瓣电平尽可能低，这样主波束方向增益也会增强.基于上述理论，设计了一种42微带相控阵天线阵列，用以提高UHF RFID阅读器的性能.

2.1 天线单元设计

图2所示为天线单元结构图，辐射贴片和接地平面为铜材质，介质层为厚度H的空气层，4个尼龙柱用来支撑辐射贴片.辐射贴片的长度为L，宽度为W，厚度为h，辐射贴片上开2个“L”形槽.地平面沿宽度W方向向外延伸0.1 λ，沿长度方向向外延伸0.2 λ，地平面上开2个平行槽.同轴馈电探针穿过地平面与辐射贴片相连，同轴线直径为D，并通过锥形结构与SMA连接头相连，馈电点在辐射贴片中心.

图2 天线单元结构图Fig.2 Structure of antenna element

为了分析该天线单元特性，在HFSS软件中建模并仿真.优化后，天线单元各参数为L=136 mm，W= 100 mm，h=1.2 mm，H=13 mm，D=3 mm.槽1的尺寸为67 mm×8 mm，槽2的尺寸为25 mm×4 mm，地槽的尺寸为30 mm×3 mm.辐射贴片较未开槽贴片尺寸减小46%，天线单元较未开槽天线单元总尺寸减小51%，有效地实现了天线阵元的小型化.

天线单元通过仿真分析，在中心频率915 MHz时，反射系数为-30.4 dB，性能比较理想，其回波损耗（S11）参数如图3所示，-10 dB回波损耗带宽50 MHz，相对带宽5.5%，回波损耗带宽满足设计要求.

2.2 阵列天线设计及仿真分析

为使阵列天线具有较大水平方位角，以扩大水平方向的识别区域，考虑到天线阵元特性，阵列天线阵元间距d1定为λ/2，激励电流为切比雪夫函数分布，比值为，阵元间距d2为3λ/4，激励电流相等，并在HFSS中建模，示意图如图4所示.假设坐标原点阵元为阵元1，优化阵列天线各参数，使各阵元满足-10 dB回波损耗，槽1的尺寸变为66.8 mm×8 mm.槽1在长度方向减小0.2 mm，这主要是因为阵元之间的耦合作用影响了阵元的回波损耗，减小尺寸可以补偿参数偏移，仿真分析后得到阵列天线各电参数.

图4 阵列天线仿真模型示意图Fig.4 Simulated model of array antenna

图5为阵列天线S参数图，中心频率915 MHz时，天线1回波损耗参数为-24 dB，天线2回波损耗参数为-18 dB，天线1与天线2之间的耦合参数为-15 dB，天线1与天线5之间的耦合参数S15为-24 dB.天线间的耦合作用降低了天线单元的辐射效率、有效增益及平均功率，过高的耦合也会影响辐射方向图，对于可移动装置的分集天线，天线间的耦合参数S12、S15不高于-15 dB就可以接受[17].

图5 阵列天线S参数图Fig.5 Array antenna S parameters

阵元激励同相位时，阵列天线xoz面与yoz面辐射方向图如图6所示，中心频率915 MHz时，阵列天线增益为16.24 dBi，xoz面半功率波束宽度为34°，yoz面半功率波束宽度为26°.在yoz平面，第一副瓣电平0 dB，后瓣电平-6 dB.

图6 阵列天线xoz面与yoz面辐射方向图Fig.6 Array antenna radiation pattern in xoz-and yoz-plane

从式（7）可以得出，不同的相位差可以改变阵列天线主波束指向，图1中，A为波束1与波束2的交点，B为波束2与波束3的交点，C为波束3与波束4的交点.为使阅读器识别区域最大，本文取A、B、C为波束的半功率点，即13.24 dBi.由式（8）求得θd=13°时δ1=40.5°，θd=39°时δ1=13°，考虑到耦合与方向图畸变，通过优化分析，确定θd与δ1的值.表1为θd不同时对应的δ1取值.

表1 不同指向θd所对应的相位差δ1Tab.1 Values of different θdversus δ1

图7为相位差δ1=120°、δ2=0°时阵列天线对应的yoz面辐射方向图.主波束随相位差的变化发生偏移，同时由于耦合的存在，后瓣电平较同相位激励时发生变化，若相位差再增加，将会影响阅读器的性能.

图7 δ1=120°、δ2=0°时阵列天线yoz面辐射方向图Fig.7 Antenna array radiation pattern at δ1=120°，δ2=0°

3 实物测试

基于理论与仿真分析，制作阵列天线样品，使用安捷伦E5070B矢量网络分析仪测试参数.图8所示为测试阵列天线S参数图，中心频率915 MHz时，S11为-20.9 dB，S22为-22 dB，工作频段880～936 MHz，-10 dB回波损耗带宽56 MHz，满足工作频段需求；S12为-18.2 dB，S15为-25 dB，实验结果与仿真结果一致性良好，满足通信系统要求.

图8 实测阵列天线S参数图Fig.8 Array antenna measured results of S parameters

在微波暗室远区条件下，对阵列天线阵元的方向图进行实测，中心频率915 MHz时，阵元xoz面与yoz面的仿真和实测方向图如图9所示.实测结果与仿真结果吻合，阵元实测增益8.05 dBi，xoz面与yoz面半功率波束宽度分别为60°和86°.

为测量阵列天线方向图，仿真制作馈电网络，包括不等分功率分配器、3位数字移相器和2等分功率分配器.含有缺陷地的功率分配器实现阵元的馈电，数字移相器通过二进制代码控制射频开关实现相位差的改变.图10为阵列天线yoz面仿真与实测辐射方向图，实测结果与仿真结果一致性良好，然而，测试的方向图仍然有一定的偏差，主要是功率分配器馈电与移相器精度的影响.如图10所示，仿真的最大增益为16.05 dBi，增益大于13.05 dBi时阵列天线可扫描角度为±50°.微波暗室远区条件下，当δ1=45°时，阵列天线实测最大增益15.65 dBi，选取12.65 dBi为半功率点，接近于仿真结果.当δ1=-120°时，半功率波束宽度为23°；当δ1=-45°时，半功率波束宽度为27°；当δ1=45°时，半功率波束宽度为26°；当δ1=120°时，半功率波束宽度为22°；扫描区域为-48°～47°.

图9 阵元仿真与实测辐射方向图Fig.9 Measured and simulated antenna element radiation patterns

图10 阵列天线不同相位差仿真与实测辐射方向图Fig.10 Measured and simulated array antenna radiation patterns with phase difference

为验证该相控阵天线对阅读器性能的提升，搭建实测平台，将阵列天线放置于实验室角落，标签放置于实验室不同位置，通过控制阵列天线馈电相位差，标签可以在不同的方向被识别.考虑到室内空间大小和多径效应的影响，搭建室外测试平台，示意图如图11所示.将天线放置于-50°到50°扇形区域的顶点处，一个为设计的阵列天线，另一个为工作频率902～928 MHz、增益7.15 dBi、半功率波束宽度的“XCAF-12D”天线.测试时天线的中心距离地面1 m，10个“Impinj E44”标签与天线相同高度，标签的间隔为1 cm.在θ方向上每1°移动一次标签，在ρ方向上每5 cm移动一次标签，观察阅读器的识别情况.当使用阵列天线时，读写器的稳定识别区域如图11中实线围成的区域，当使用“XCAF-12D”天线时，稳定识别区域为虚线围成的区域.测试结果表明，与7.15 dBi的单天线相比，所设计的阵列天线可以在阅读器有限功率输出的情况下增加识别距离和扩大识别区域.

图11 阵列天线测试示意图Fig.11 Array antenna test schematic diagram

4 结束语

本文针对阅读器天线尺寸大、识别区域小等缺点，设计了一种工作频段为902～928 MHz的42平面相控阵天线，仿真并制作实物.辐射贴片开槽减小了天线单元的尺寸，在相同谐振频率下较未开槽天线尺寸减小51%.该阵列天线有很好的辐射方向性能，最大增益超过15 dBi，扫描角度超过90°，测试结果与仿真结果吻合.实测结果表明，与传统单天线相比，该天线阵有较强的方向性，通过控制激励的相位差实现波束扫描，扩大了阅读器的覆盖区域，大幅度地提高了RFID系统的识别范围.

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Design of phased array antenna of UHF RFID reader

LI Jian-xiong，CHEN Ming-sheng，SONG Zhan-wei，YAN Bi-xing，GUO Yang，HAN Xiao-di
（School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

In order to have a far identification distance and a wide working range under the limited power output of RFID reader，a novel design scheme of antenna is presented.It utilizes phased-array antenna to achieve the beam scanning.By means of cutting narrow slots at the radiation patch and the ground plane，around 51%reduction of area is obtained.The design of miniaturization of antenna element reduces array total size.The measured results fit the simulation analysis.The presented antenna operates at 902-928 MHz，the peak gain is 16.05 dBi and the main beam direction can be switched between the angles of±50%，the identification area is expanded effectively.

RFID reader；array antenna；beam switch；miniaturization design

TN92

A

1671-024X（2016）06-0078-06

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.06.014

2016-04-05

国家自然科学基金资助项目（61372011，11447196）；天津市应用基础与先进技术研究计划项目（15JCYBJC16300）

李建雄（1969—），男，博士，教授，主要研究方向为天线与微波技术、计算电磁学.E-mail：lijianxiong@tjpu.edu.cn