对数周期偶极子结构的新型近场均匀天线

傅世强，熊昂宇，房少军

(大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连 116026)

0 引 言

近年来，超高频(Ultra-high Frequency，UHF)射频识别(Radio-frequency Identification，RFID)技术被广泛应用于物品识别和目标跟踪。就作用距离而言，RFID技术应用分为远场和近场系统。远场系统天线凭借其高定向增益在物流、仓储等固定和手持式的阅读器中进行远距离识别[1]。而在近场系统中，标签和读写器之间通过磁场或电场耦合工作。由于磁耦合在液体和金属环境具有较高的稳定性，成为油管检测、奢侈品管理等方面更理想的选择[2-3]。然而，磁耦合近场UHF RFID天线设计存在许多挑战，包括如何实现宽带化兼容全球不同地区的工作频段、如何根据识别区域设计合理的天线尺寸、如何保证识别区域具有均匀场分布等。

基于同向电流环和反向电流对来加强磁场技术，研究人员已经提出了多款UHF RFID近场阅读器天线。采用环形天线形成同向电流环加强磁场是常用的方法。文献[4]将两个偶极子组合成环路，只能在很小的范围内产生强而均匀的磁场分布；文献[5-6]利用特殊的印刷周期结构实现零相移特性，保证环路变大时电流仍同向流动，但这样的环路结构需要复杂的匹配电路；文献[7]简化了馈网，用渐变的双面微带线对四个偶极子激励实现了宽频带匹配，然而尺寸变大导致中心区域磁场明显低于区域边缘。构造反向电流对也能有效地加强磁场[8]。文献[9-10]对微带线进行合理弯折构造反向电流，但带宽非常窄，分别为15 MHz和40 MHz；文献[11]通过加载两个反射面改善匹配扩展了带宽，但大量集总电容的使用带来加工复杂性；对数周期天线阵列具有宽的工作带宽且有多个反向电流对，基于此，文献[12]轻松实现了UHF近区磁场的均匀分布，然而标签百分百读取高度仅2 cm。

本文将同向电流环和反向电流对两种技术结合，提出了一种用于UHF RFID的宽带中心馈电环形天线。天线由4个弯曲的四元印刷对数周期偶极子天线组成圆环阵列，每个环路上的电流同向流动，同时不同环路之间形成反向电流对，在识别区域获得了强而均匀的磁场分布。天线工作频段覆盖全球通用UHF RFID频段，显示出比文献[7,12]所提天线更均匀的磁场分布和更大的标签识别距离。

1 天线设计

为节省成本，天线蚀刻在相对介电常数4.4、损耗角正切0.02、厚度1.6 mm的FR4介质基板上，天线的整体尺寸为170 mm×170 mm，如图1所示。图中深色区域为天线正面，浅色区域为天线背面。四个印刷对数周期天线由基板中心的同轴线馈电，通过双面微带线对弯曲的偶极子进行激励，同轴线内导体与基板正面带条相接，外导体与基板背面带条相接。同一平面的偶极子臂交替布局，使天线工作时产生多个反向电流对，能有效保证在环形区域变大时仍能实现整个平面均匀的强磁场分布。

图1 天线结构示意图

传统的平面印刷对数周期天线通过配置合理的比例因子τ、间隔因子σ、偶极子数量N能获得较宽的工作带宽。基于文献[12]中的理论，第一个偶极子臂长L1由以下公式确定：

(1)

式中：λ1为最低工作频率的自由空间波长，εe是有效介电常数。通过计算得到L1=50 mm。

当第一个偶极子的特性阻抗取为Z1=50 Ω，其臂宽W1可由下式计算得出：

(2)

天线偶极子之间的距离、宽度由比例因子τ、间隔因子σ决定：

(3)

(4)

本文设计的弯曲对数周期天线选定τ=0.74，σ=0.08，N=4。首先固定臂长角度θ，由于臂长L1和W1已经确定，因此能确定第一个偶极子的位置。再由式(3)计算D1,在θ不变的情况下，可以进一步得到L2，再由式(4)得出第二个偶极子的宽度W2。重复以上步骤能推算出W1～W4、D1～D4，最后对双面微带线线宽Wf优化。该天线不需要额外的匹配结构，也能获得覆盖全球通用UHF RFID频段的工作带宽。采用三维电磁场分析软件HFSS进行仿真优化，最终设计的天线尺寸具体参数为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 天线仿真

仿真得到的天线输入阻抗如图2所示，在840～960 MHz内阻抗虚部几乎为0，阻抗实部接近50 Ω，在全球通用UHF RFID频段能够很好地与同轴馈线匹配。本文提出的天线同时利用同向电流环和反向电流对来改善目标区域磁场分布。图3显示了中心频率天线外表面的电流分布，可以看到，每一个环路上的电流都是同向流动的。最内圈小环的同相电流保证了天线中心有较强的磁场，从外到内四个环路上的电流又相互构成反向电流对，这样的布局能够有效地改善整个平面的磁场分布，获得强而均匀的磁场分布。

图2 天线输入阻抗曲线

图3 中心频率处天线表面电流分布

为了更好地分析天线近场区的磁场强度，设定端口输入功率为30 dBm，馈电位置定义在坐标轴原点。图4给出了y=0时距天线正上方z=10 mm处沿x轴方向不同频点磁场强度分布曲线，中心区域-80 mm

图4 z=10 mm时不同频率磁场强度分布

3 天线实验

根据最终优化结果尺寸加工了天线实物，如图5所示。使用Agilent N5230A 矢量网络分析仪测试了天线的S参数。图6给出了测量结果与仿真结果的S参数对比，|S11|<-10 dB带宽仿真和测量结果分别为803～985 MHz和799～971 MHz。由于采用了低成本的FR4介质基板，导致实测频率有所降低，但在可接受的范围内，仿真结果与实测结果总体具有较好的一致性。

图5 天线加工实物图

图6 天线S11仿真与实测对比

在固定高度下标签的读取能力以及最大的识别距离是评价近场RFID天线的重要指标。采用文献[7]的测量方法搭建了如图7所示测试环境。天线上方被划分为20×20个单元，每个单元大小为1 cm×1 cm。将天线与UHF四通道读写器DC-7634E连接，英频杰J41环形标签平行放置在标尺的滑块上，通过移动滑块和标尺可以得到不同高度目标区域标签的读取情况。

图7 标签读取测试实验搭建

图8给出了距离天线15 cm、16 cm、17 cm、21 cm高度标签可读区域，浅色表示读取成功，黑色表示读取失败。设定输入功率30 dBm，在15 cm能实现100%的标签识别，随着高度的增加，区域边缘盲区变大，识别到的标签变少。

图8 不同高度标签识别范围

图9给出了目标区域随不同高度的标签识别率α。α由下式定义：

(5)

式中：Aa为整个目标区域总的单元数，Ar为固定高度下能够识别到的单元数。由图9可知，在0

图9 不同高度标签识别率

本文提出的天线尺寸与文献[7]和[12]中的天线尺寸均为170 mm×170 mm，且均能覆盖全球通用UHF RFID的工作频带。与文献[7]相比，本文天线由于引入了多个环路，中心区域的磁场得到增强，有更均匀的场分布特性。文献[12]仅在2 cm内能达到百分百的读取率，本文采用4个弯曲的对数周期天线组成环路，消除了上方读取盲区，目标区域标签百分百读取距离提高到15 cm。

4 结 论

本文提出了一款应用于UHF RFID近场系统的中心馈电宽带磁场均匀天线。该天线利用4个弯曲的对数周期偶极子天线合成圆环阵列，实现了全球通用UHF RFID频段内磁场的均匀分布。实测结果与仿真结果有较高的一致性，最终天线在799～971 MHz频带范围内获得了良好匹配，在15 cm以内实现了对标签的百分百读取性能，最大读取距离达到22 cm。该天线结构简单，设计灵活，可通过增加对数周期天线个数来设计更大的圆环，从而获得更大的识别区域，通过调整弯曲的偶极子单元个数改善识别区域的均匀磁场分布，具有广阔的应用前景。