新型圆极化微带天线在物流仓储中的研究与设计

徐利国, 王永明(昆明理工大学 管理与经济学院， 昆明 650093)

新型圆极化微带天线在物流仓储中的研究与设计

徐利国, 王永明
(昆明理工大学 管理与经济学院， 昆明 650093)

在RFID系统中，读写器天线在数据通信过程中起着至关重要的作用，天线的设计及其制造技术会直接影响整个RFID系统的功能。为了使RFID技术在仓储管理的信息采集过程中更加灵活、高效、准确。设计了一种新型圆极化微带天线,采用Rogers TMM4作为介质层，通过同轴探针对辐射贴片进行馈电，对长方形辐射贴片的两条长边采用等边三角形切割，该切割使微带天线工作方式变为圆极化，同时增加了微带天线的工作带宽，降低了反射系数。该天线的仿真表明反射系数最低为-14.426 dB，中心工作频率为915 MHz，反射系数小于-10 dB的带宽范围为910～923 MHz，增益高达5 dB。

物流仓储; RFID技术; 微带天线; 反射系数

0 引言

随着物联网[1]的迅速发展,物联网与物流产业的深度融合，物流逐渐成为炙手可热的行业。射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)作为一种非接触的的行业，尤其智能物流在物流公司中兴起[2]。自动识别技术，利用射频信号和空间耦合来完成自动识别和信息交换技术在物流仓储管理方面的应用得到各个物流公司的重视。引入RFID技术，对仓库货物配送、入库、出库、移库、库存盘点等各个环节的数据进行自动化的数据采集，保证了物流与供应链管理各个环节数据输入的速度和准确性，确保了企业及时准确地掌握库存和在途的真实数据，合理保持和控制库存，极大的提高了自动化程度，大幅度降低了差错率，显著提高了物流仓储的管理透明度和管理效率，使企业对仓储物资的管理更加高效、灵敏、准确，降低了企业的管理成本，增加了企业竞争优势。

由于物流业的不断发展壮大，物流仓储管理过程中对RFID技术的性能要求也越来越高，某些仓库要求RFID系统能够在更远距离更严峻环境的基础上快速、准确、灵敏的读取和采集信息，成为各个物流公司最关注的问题,而目前使用的微带天线普遍存在各种缺点不能满足这些要求[3]。从RFID技术原理上看，RFID标签性能的关键在于RFID标签的特点和性能，在标签与读写器数据通信过程中起着关键作用的是天线,射频识别读写器位于射频识别系统的最前段,其性能对于整个系统来说至关重要[4]。一方面，标签的芯片启动电路开始工作，需要通过天线在读写器产生的电磁中获得足够能量；另一方面，天线决定了标签与读写器之间的通信信道和通信方式，因此天线是RFID研究的重点。

近年来，国内才开始对RFID的天线进行研究，而对专用的RFID天线的研究更为不足。国内的低频射频读写器天线和高频射频读写器天线设计技术比较成熟，但在超高频频段以及微波频段上，与国外相比，存在一定差距。超高频射频读写器 (UHF RFID)具有传输速度快、识别距离远、灵活方便、安全可靠[5]等诸多优点，在无线传感器网络(WSN)的UHF RFID读写器的天线，接收器从遥远的距离接收采集信息时，接收器的灵敏度也是一个重要的性能指标，所以天线的结构设计也要简单方便，适应各种环境[6]针对目前市场的需要，研发满足特定需求的电子标签天线是一个热点与难点，其具有广阔的商业价值和应用前景。

因此针对上述要求，在传统的A型简并模微带天线的基础上设计一种新型的天线来满足目前市场的需求。本文设计了一种新型圆极化微带天线,通过在长方形辐射贴片的一条对角线上被等腰直角三角形切割，同时采用等边三角形在辐射贴片的长度方向上进行切割。上述两次切割使微带天线工作方式变为圆极化，并利用HFSS软件对其进行了建模和仿真优化[7]。结果表明，与传统A型简并模天线进行相比，新型微带天线具有更好的反射系数。同时，新型微带天线具有较好的天线带宽和增益，优良的性能提高了仓储管理水平，大幅度降低了差错率和管理成本，增加了企业竞争优势。

1 新型微带天线的结构

为了使该天线的频带展宽，并考虑天线的体积和重量等因素，所以采用Rogers TMM4作为介质层，且介质层的厚度h=6 mm。同时，为了使该天线工作在圆极化方式下、拥有较低的反射系数和相对较宽的带宽，因此在辐射贴片的一个对角线方向上有等腰直角三角形切口、长度方向上有较多的等边三角形切口，其结构如图2所示。

图1 新型圆极化微带天线俯视图

图2 新型圆极化微带天线三维图

参考图1，接地板的长度为LGND，宽度为WGND，介质的厚度为h，辐射贴片的长度为有等边三角形切口的方向且长度为L，宽度为W，等腰直角三角形的直角边长为c，两等腰直角三角形的面积之和为Δs，等边三角形的间距DL，边长为2*TL。

2 天线的设计步骤

这种新型圆极化微带天线的结构是基于A型简并模微带天线基础之上的，在A型简并模天线的辐射贴片的长度方向上用一定尺寸和间距的等边三角形来切割形成的，故先从基本的A型简并模天线的尺寸开始分析和设计。

2.1 A型简并模天线的设计

在设计中，天线中心工作频率为915 MHz，选用的介质基板材料为Rogers TMM4，其相对磁导率μr=1，相对介电常数εr=4.5，正切损耗tanδ=2×103。微带天线的介质基板厚度h=6 mm[8]。

当基板的厚度及材料属性确定以后，根据天线工作的中心频率fr利用公式(1)即可求得辐射贴片的宽度W，如式(1)。

(1)

其中：c为光速。

长度确定公式如式(2)。

(2)

式中，εe是有效介电常数，ΔL是指等效辐射缝隙的长度。它们可以分别用下式计算，即为式(3)、(4)。

(3)

(4)

接地板尺寸的确定。在实际应用设计中，接地板的宽度和长度应尽可能的小，以便降低天线的体积。根据实际工程经验，长度和宽度，确定为式(5)、(6)。

(5)

(6)

依据式(1)、(3)、(4)、(5)和(6)可得微带贴片长度L=75.2 mm，宽度W≈L=75.2 mm。接地板长度LGND=106.1 mm,宽度WGND=106.1 mm。采用背面方式进行馈电，通过文献[9]中的公式可以计算出天线的馈电位置d=10.8 mm。

为了求解简并分离单元Δs，我们首先需要求解微带天线的品质因数QT。根据辐射电阻、Q值和天线效率的计算[10]中的Q值计算公式和A型简并分离单元的微带天线分析[11-12]中的简并分离单元Δs计算，如式(7)、(8)。

(7)

|Δs/s|QT=1/2

(8)

我们可以求得微带天线的品质因数QT=27.764 5，Δs=101.79 mm2，因而矩形切角边长c=10.1 mm。

通过上面计算得到的微带天线的参数，借助HFSS仿真软件建立微带天线的模型，经过不断的优化，最终将接地板的尺寸设置为130 mm×130 mm，同轴馈线的内径设为r1=1 mm，外径设为r2=4.8 mm，距离辐射贴片边沿距离为d=10.4 mm，辐射贴片长度为L=74.6 mm，宽度为W=74.6 mm,接地板的长度为LGND=106.1 mm,宽度为WGND=106.1 mm。微带天线的HFSS模型，如图3所示。

图3 A型简并模天线HFSS模型

其反射系数，如图4所示。

图4 A型简并模天线反射系数仿真图

由图4可看出，曲线在中心工作频率点915 MHz处，反射系数达到最小为-13.06 dB，而在907 MHz到921 MHz的频带范围内，天线的反射系数都小于-10 dB。

3 新型圆极化微带天线的设计

保持以上微带天线的参数不变，对辐射贴片加以处理，如图1所示。在辐射贴片的长度方向上用等边三角形来进行切割，等边三角形的间距DL，边长为2*TL，个数为n。这种结构有利于天线的反射系数降低，天线的工作带宽提高，而增益却基本保持不变。

利用HFSS进行不断优化，最后确定DL=0.6 mm，TL=0.6 mm，n=20。其俯视结构图如图5所示。

其反射系数S11和频率的关系，如图6所示。

由图6可知，天线的中心工作频率接近915 MHz，天线的反射系数S11在910～923 MHz的频带范围内小于-10 dB，在此频带范围内该天线的仿真反射系数最低约为-14.426 dB，明显低于采用传统方法设计的A型简并模天线的反射系数，如图7、图8所示。

图5 新型圆极化微带天线俯视图

图6 新型圆极化微带天线S11

图7 新型圆极化微带天线E面和H面增益图

图8 新型圆极化微带天线3D增益图

4 两种天线的对比

由上述仿真图和描述可知，A型简并模天线的工作带宽是907 MHz到921 MHz，在此带宽范围内的反射系数最小为-13.06 dB，由此参数加上现如今的物流发展趋势可知，目前的天线性能参数已经不太能满足当今物流仓储[13]的发展需要，在更远距离更严峻的环境下，由于天线性能的问题，可能无法确保系统能准确的掌握库存和在途的真实数据，进而无法合理保持和控制库存，从而增加了仓储管理的难度，也提高了管理成本。而新型的圆极化微带天线在传统天线参数不变的情况下，对辐射贴片加以处理，在长方形辐射贴片的一条对角线上被等腰直角三角形切割，同时采用等边三角形在辐射贴片的长度方向上进行切割。上述两次切割使微带天线工作方式变为圆极化，同时增加了微带天线的工作带宽，降低了反射系数。新型的圆极化微带天线的工作带宽增加到910～923 MHz，反射系数也降低到-14.426 dB，增益基本上维持在5 dB左右。优良的性能参数确保了企业及时准确地掌握库存和在途的真实数据，合理保持和控制库存，极大的提高了自动化程度，大幅度降低了差错率，显著提高了物流仓储的管理透明度和管理效率，使企业对仓储物资的管理更加高效、准确、科学[14]，降低了企业的管理成本，增加了企业竞争优势。

通过对比可得出，新型圆极化微带天线比传统的A型简并模天线设计更加完善，结构更加简单，性能更加良好。新型的圆极化微带天线更加适用现在的大型物流仓储管理，更符合物流快速发展的趋势。

5 总结

本文根据现型物流仓储管理的需要，设计出的新型微带天线，确保了RFID技术在物流仓储管理过程中信息的采集更加快速、准确、灵活、提高物流仓储管理的透明度和效率，合理保持和控制库存，降低因系统性能缺点而导致的库存差错、企业管理成本提高和企业竞争力降低，使得企业的仓储管理更加高效、科学。通过叙述微带天线的结构，设计新型微带天线，进行HFSS仿真、优化等，在已有的三角形对称切角天线的基础上，设计出的新型的微带天线仿真了其反射系数曲线图和增益图。其结果表明：与已有的三角形对称切角天线相比，新型的微带天线具有更好的反射系数，同时新型的微带天线具有较好的相对带宽和增益，能满足高频天线设计的所需，此天线能够在更远距离和更严峻的环境下更加灵活、快速、准确、安全的读取和采集信息。确保了企业及时准确地掌握库存和在途的真实数据，合理保持和控制库存，极大的提高了自动化程度，大幅度降低了差错率，显著提高了物流仓储的管理透明度和管理效率，降低了企业的管理成本，增加了企业竞争优势。该新型微带天线结构简单，性能良好，具有一定的设计参考价值。

[1] 陈丰照, 姜代红. 基于物联网的智能物流配送系统设计与实现[J]. 微电子学与计算机, 2011, 28(8):19-21.

[2] 于山山, 王斯锋. 基于物联网的智能物流系统分析与设计[J]. 软件, 2012, 33(5):6-8.

[3] Marrocco G．The art of UHF RFID antenna design:impedance-matching and size-reduction techniques [J]．IEEE Antennas and Propagation Magazine，2008 50( 1) :66-79.

[4] 朱轶，王刚，王洪金． 13． 56MHz RFID 阅读器天线的设计[J]． 微波学报，2008，24( 5) : 22-26.

[5] Nikitin P V, Rao K V S. LabVIEW-Based UHF RFID Tag Test and Measurement System[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(7):2374-2381.

[6] Scorrano L, Manna A, Trotta F. A novel UHF horizontally polarized omnidirectional antenna[C]. Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), 2014 IEEE-APS Topical Conference, 2014.

[7] 来雪梅, 王代华, 张哲. 基于HFSS的微带天线设计与仿真[J]. 机械工程与自动化, 2009(6):40-42.

[8] 王永明, 徐利国.一种射频识别微带天线:,CN206098692U[P].2017.

[9] Corporation H P. Optimization of the UWB Feed Antenna Position in Reflector Applications[J]. International Journal of Antennas & Propagation, 2014, 2014(9):1-7.

[10] 蔡鸿雁. 锥面顶负荷中波发射天线网络[J]. 管理观察, 2009(10):66-66.

[11] Haneishi M, Yoshida S. A design method of circularly polarized rectangular microstrip antenna by one-point feed[J]. Electronics & Communications in Japan, 1981, 64(4):46-54.

[12] Marrocco G. The art of UHF RFID antenna design: Impedance-matching and size-reduction techniques[J]. IEEE Antennas & Propagation Magazine, 2008, 50(1):66-79.

[13] Geng Y, Li J. A research of electronic commerce logistics model based on cloud logistics and warehousing[C].∥International Symposium on Management of Technology. 2012:631-635.

[14] Yang G, Guan Z, Shi B. Application of data warehouse technology in evaluation data analysis of Chinese Academy of Sciences[J]. Science Research Management, 2007,28(51):114-120.

ResearchandDesignofNewCircularlyPolarizedMicrostripAntennaforLogisticsWarehousing

Xu Liguo, Wang Yongming
(Faculty of Management and Economics, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093)

The reader antenna plays a vital role in the communication of RFID system, antenna design and manufacturing technology directly affect the function of the RFID system. In order to achieve flexibility, efficiency and accuracy of information gathering process in RFID system, this paper presents a new type of circular polarization microstrip antenna using Rogers TMM4 as the dielectric layer. A coaxial probe radiation patch is used to feed the rectangular radiating patches in the two long sides which are cut by two equilateral triangles. The cut microstrip antenna works in a circular polarization, and can increase the operating bandwidth of microstrip antenna, reduce the reflection coefficient. Simulation shows that the lowest reflection coefficient of the antenna is -14.426 dB, center frequency is 915 MHz, the reflection coefficient is less than -10 dB, and bandwidth range is 910～ 923 MHz. Its gain is up to 5 dB.

Logistics warehouse; RFID technology; Microstrip antenna; Reflection coefficient

TG4

A

2016.10.25)

国家目然科学基金项目(71362030)；国家目然科学基金项目(71262029);云南省自然科学基金(2013FB029)。

徐利国(1989-),男,硕士研究生.研究方向:物流供应链,RFID射频识别技术。

王永明(1976-),男,博士,教授/硕士生导师,运营管理，物流与供应链管理。

1007-757X(2017)10-0007-04