一种低旁瓣双圆极化RFID阵列天线的设计

2022-06-02于正永

无线电工程 2022年6期

董进，于正永*，姜严

(1. 江苏电子信息职业学院计算机与通信学院，江苏淮安 223003；2.南京师范大学物理科学与技术学院，江苏南京 210023)

0 引言

近年来，射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术已经被应用于工业制造、库存控制、商品追踪、防盗门禁和货物盘点等诸多领域。无源超高频(Ultra High Frequency，UHF)频段 RFID技术[1-6]具有读取距离远、传输速率快等优点，被认为是最具应用前景的RFID技术。阅读器天线作为RFID系统的重要组成部分，其性能往往决定了整个系统的性能。

在RFID的实际应用中，不同的应用场景对天线的极化性能和辐射特性的要求不同。许多文献对如何实现RFID阅读器天线的圆极化特性做了分析。闫耀峰等[7]提出了一款小型化UHF圆极化RFID微带天线，通过贴片的2个矩形槽很好地实现了天线的圆极化特性。文献[8]通过缝隙加载技术展宽天线的阻抗带宽和轴比带宽。文献[9]使用2个谐振路径幅度相等、相位相差90°的单极子天线来实现圆极化。文献[10]在单馈电微带天线的基础上，采用探针馈电曲线贴片的方式，在圆形铁片上开了对称的方形缝隙来改善天线的带宽和圆极化特性。文献[11-12]分别使用威尔金森功分器和3 dB分支线定向耦合器来产生幅度相等、相位差为90°的激励源给贴片天线馈电，实现了良好的圆极化性能。文献[13-17]将四臂螺旋天线平面化，实现了小型化和集成化，并运用到RFID系统中。然而，大部分关于RFID圆极化天线以单元天线的形式来实现，鲜有对RFID圆极化阵列天线的报道。钟亚君等[18]设计了一款应用于多标签高效读取的RFID波束扫描阵列天线，有效扩大了RFID系统的阅读范围和识别效率。文献[19]提出了一种低旁瓣圆极化微带天线阵，通过调节馈电网络中的电流分布比来实现切比雪夫分布激励源给单元天线馈电，最终实现了低旁瓣特性，天线阵列的相对旁瓣电平和驻波比带宽较好地满足了RFID系统应用要求。文献[20]基于降低副瓣电平的方向图综合算法提出了低副瓣和圆极化阵列天线的设计方案。

本文研究的RFID系统要求能在规定识别区域内准确识别目标。为了达到规定识别区域外目标的无误读和保证识别区域内无漏读的目标，要求天线阵具有窄波束、低旁瓣并兼具双圆极化特性。本文中天线单元选择印刷电路板(PCB)形式的四臂螺旋天线以减小天线阵的尺寸，通过控制螺旋天线的4个螺旋臂端口的相位来实现单元天线的左旋或者右旋辐射。使用T形功分器和不等分功分器的级联来产生二项式分布的激励幅度比(激励幅度按序号的比例为 1∶3∶3∶1 )，并对天线单元进行馈电，以实现低旁瓣电平的目的。仿真和实验结果均表明，所提出的天线阵具有相对旁瓣电平低和双圆极化特性，满足了RFID系统的应用要求。

1 天线设计

1.1 单元天线的设计

四臂螺旋天线的结构示意如图1所示。

(a) 四臂螺旋天线总体结构

(b) 辐射螺旋臂示意

(d) 馈电连接电路板

4 个辐射螺旋臂印制在厚度为0.6 mm的FR4(介电常数εr为4.4)介质板上，如图1(b)所示。功分移相馈电网络的结构如图1(c)所示，其印刷在厚度为1 mm的FR4板材上，整个功分移相网络由威尔金森功分器和T形功分器级联而成，可以产生等幅、相位依次滞后90°(通过相位延长线实现)的4个激励源。4个螺旋臂与功分移相馈电网络之间通过馈电连接电路板(图1(d))连接，馈电连接电路板印刷在厚度为0.6 mm的FR4介质板上。

优化后的四臂螺旋天线的具体参数如表1所示。

表1 优化后的四臂螺旋天线的具体参数

根据天线端口的相位关系和天线辐射螺旋臂的旋向，可以确定四臂螺旋天线的辐射方向和极化旋向(左旋圆极化或右旋圆极化)。图2(a)和图2(b)分别给出了辐射方向朝上的右旋圆极化天线和左旋圆极化天线的辐射螺旋臂的旋向以及相位分配。可以看出，右旋圆极化天线辐射螺旋臂的旋向呈顺时针旋转，相位依次顺时针增加90°，左旋圆极化天线则相反。

(a) 右旋圆极化天线

(b) 左旋圆极化天线

1.2 单元天线的仿真结果

单元天线的仿真优化结果如图3所示。图3(a)为单元天线的VSWR，可以看出，在RFID国标频段(920～925 MHz)，天线的VSWR小于1.35,符合RFID系统对天线VSWR的要求。图3(b)为单元天线的轴比和增益随频率变化的曲线，可以看出，在所需频段范围内单元天线的增益大于2 dB，轴比小于1 dB，天线的圆极化特性较好。

(a) 单元天线的VSWR

(b) 单元天线轴比和增益曲线图3 单元天线的仿真结果Fig.3 Simulation results of antenna element

2 低旁瓣双圆极化RFID阵列天线的设计与分析

以四臂螺旋天线作为阵元进行组阵，各阵元间距设计为170 mm(约0.52λ)。为了较好地实现低旁瓣特性，需要产生幅度呈二项式分布的激励源。本文设计的馈电网络及其等效电路如图4所示。由图4分析可知，阻抗Ra:Rb为3∶1时，②端口的输出幅度与①端口的输出幅度比为3∶1。Rb的阻抗为50 Ω，Ra的阻抗为150 Ω，根据1/4阻抗变换器可以求出Z1的特征阻抗约为86.6 Ω。Rc的阻抗约为37.3 Ω(Ra与Rb并联)。要使整个网络匹配，需Rd和Re的阻抗均为100 Ω，根据1/4阻抗变换器可分别求出Z2和Z3的特征阻抗为43.18 Ω和70.7 Ω。

2种不同馈电网络(等幅激励的馈电网络和幅度呈二项式分布的馈电网络)激励的阵列天线的辐射方向图如图5所示。可以看出，在2种不同激励方式的情况下，天线阵在E面(Phi=0°)的辐射方向图几乎一样。而选取本文的馈电网络，天线阵在H面(Phi=90°)的辐射方向图的旁瓣得到了明显的抑制，可以确保识别目标只在规定识别区域内被读取，避免误读。

(a) 2种不同馈电网络

(b) 2种不同馈电网络下阵列天线辐射方向图图5 不同馈电网络激励的阵列天线的辐射方向图Fig.5 Radiation patterns of array antenna excited by different feed networks

为了在规定识别区域内识别目标的无漏读，本文采用了双圆极化阵列天线，通过增加一种极化方式，来提高整个RFID系统的读取稳定性。双圆极化阵列天线的结构示意如图6所示。整个阵列天线的布局采用共轴的方式以减小天线的尺寸。当给天线的端口1激励时，阵列天线辐射的是右旋圆极化波，当给天线的端口2激励时，阵列天线辐射的是左旋圆极化波，RFID系统分时地给端口1和端口2激励信号。

图6 双圆极化阵列天线Fig.6 Dual circular polarization RFID array antenna

双圆极化阵列天线的仿真结果如图7所示。

(a) 左旋圆极化和右旋圆极化VSWR

(b) 阵列天线的轴比和增益

可以看出，在RFID国标频段，左旋圆极化和右旋圆极化的VSWR小于1.35(如图7(a)所示)，天线和馈电网络之间的匹配很好；在RFID国标频段，天线的轴比小于2 dB，增益大于5 dB，天线圆极化特性较优，符合系统的要求；辐射方向图的旁瓣抑制大于18.5 dB。

3 实验测试分析

具体测试步骤如下：

① 选择一个增益已知的标准增益天线(G0)作为基准进行增益比较；

② 将接收机和馈电线路接到标准增益天线，并与源天线对准，读取并记录下接收机的读数，即为标准天线的相对功率电平P0；

③ 将接收机和馈电线路接到被测天线，并与源天线对准，读取并记录下接收机的读数，即为标准天线的相对功率电平P1；

④ 比较接收机的读数便可求出待测天线的绝对增益，即被测天线的绝对增益G需满足如下关系式：

G0-G=P0-P1。

(1)

测试过程中需注意：

① 被测天线和源天线之间测量距离满足：R≥2D2/λ(D为被测天线的最大口径尺寸)；

② 被测天线与源天线具有相同的极化，且指向一致；

③ 测量用信号发生器、接收机等测量设备和仪表应具有良好的稳定性、可靠性、动态范围和测量精度。

本文提出的双圆极化阵列天线测试结果如图8所示。可以看出，在RFID国标频段，左旋圆极化和右旋圆极化的VSWR小于1.37，天线的轴比小于2 dB，增益大于5 dB，辐射方向图的旁瓣抑制大于16 dB，测试结果与仿真结果吻合良好，验证本文天线设计的可行性和正确性。

(a) 左旋圆极化和右旋圆极化VSWR

(b) 阵列天线的轴比

(d) 阵列天线的辐射方向图

4 结束语

以四臂螺旋天线作为阵元天线，设计和实现了一种低旁瓣双圆极化RFID阵列天线，并运用PCB工艺进行加工制作。通过设计辐射螺旋臂的旋向和控制激励的幅度和相位来实现左右旋圆极化天线。为了达到抑制旁瓣的目的，使用T形功分器和不等分功分器的级联来产生二项式分布的激励幅度比，并对天线单元进行馈电。通过增加一种极化方式来提高RFID系统的读取稳定性和识别率，所设计的阵列天线的布局采用共轴的方式有效减小了天线的电尺寸。此外，简要介绍了实验测试的步骤及注意事项。实验测试结果表明，在RFID系统所需频段内，左旋圆极化和右旋圆极化天线的VSWR均小于1.37，轴比小于2 dB，增益大于5 dB，旁瓣抑制大于16 dB，测试结果与仿真结果吻合良好。因此，所提出的低旁瓣双圆极化RFID天线阵列具有尺寸小、双圆极化、低旁瓣等优势，可以很好地应用于UHF RFID系统。目前多数RFID天线的识别标签仅限平行于天线表面，对识别标签垂直于天线表面摆放的场景研究不多，将在后期工作中加以深入研究。