基于TDSPSL的新型寬帶RFID近場(chǎng)天線研究*

楊 凱

（廈門致聯(lián)科技有限公司，福建 廈門 361000）

0 引 言

超高頻（Ultra-High Frequency，UHF）射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)以其非接觸、無源低成本、高速大量讀取等優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用于物聯(lián)網(wǎng)底層的感知技術(shù)中[1-2]。近年來，無人零售超市、智慧餐飲和智能圖書館等物聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用的興起，使得RFID系統(tǒng)在單品級(jí)無漏讀的基礎(chǔ)上，對(duì)誤讀性提出了更高要求，無疑是對(duì)RFID近場(chǎng)天線設(shè)計(jì)的一項(xiàng)新挑戰(zhàn)。

對(duì)于RFID的UHF頻段近場(chǎng)天線，它與標(biāo)簽天線之間的耦合機(jī)制可分為電感耦合（磁耦合）和電容耦合（電耦合），耦合性能受背景環(huán)境中的物體電參數(shù)影響。無人零售系統(tǒng)中某些液體產(chǎn)品具有較高的介電常數(shù)，普通電場(chǎng)耦合標(biāo)簽讀取性能將會(huì)受到較大影響。同時(shí)自然界中絕大部分物體磁導(dǎo)率為1，采用以磁耦合原理設(shè)計(jì)的標(biāo)簽，對(duì)于液體環(huán)境也會(huì)有較好的讀取性能。

近場(chǎng)天線的工作原理也可分為磁場(chǎng)耦合和電場(chǎng)耦合兩種。UHF頻段磁耦合天線原理與HF頻段天線原理[3]類似。文獻(xiàn)[4-5]利用分段耦合環(huán)天線的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了均勻的磁場(chǎng)分布。對(duì)于為增加閱讀區(qū)域而總體尺寸大于半波長(zhǎng)的近場(chǎng)天線，由于其上電流的反相，在天線內(nèi)部也將產(chǎn)生磁場(chǎng)削弱區(qū)域，使得內(nèi)部磁場(chǎng)分布不均勻。采用分段耦合結(jié)構(gòu)，每段天線單元上的電流相位一致，避免了因大尺寸而造成的磁場(chǎng)削弱，對(duì)磁場(chǎng)感應(yīng)型標(biāo)簽具有良好的近距離讀取效果。文獻(xiàn)[6-8]針對(duì)電場(chǎng)感應(yīng)型標(biāo)簽，通過降低讀寫器發(fā)射功率或者采用人為失配的標(biāo)簽天線來實(shí)現(xiàn)近距離讀取。但是，對(duì)于存在兩種耦合形式標(biāo)簽的場(chǎng)景，為保證電場(chǎng)耦合形式標(biāo)簽的讀取率且降低功率，將會(huì)造成大量磁耦合標(biāo)簽的漏讀，無法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。Qun Wu[9]利用漸變錐形雙邊微帶線（TDSPSL）饋電的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線表面均勻的分布磁場(chǎng)，感應(yīng)面積僅為144 mm×144 mm，且天線未添加電流衰減單元。該天線僅對(duì)磁感應(yīng)標(biāo)簽?zāi)芸刂屏己玫淖x取范圍，對(duì)電場(chǎng)感應(yīng)型標(biāo)簽的讀取范圍仍與遠(yuǎn)場(chǎng)天線類似。

本文設(shè)計(jì)了一款基于TDSPSL的均勻磁場(chǎng)分布和水平全向低增益的近場(chǎng)天線，天線尺寸大小為φ200 mm×1.6 mm，涵蓋金屬反射板總體尺寸為300 mm×300 mm×21.6 mm。利用TDSPSL結(jié)構(gòu)對(duì)5個(gè)繞成環(huán)狀的偶極子天線進(jìn)行中心饋電，在較大的平面尺寸范圍內(nèi)得到了均勻的磁場(chǎng)分布。TDSPSL末端的電阻加載單元擴(kuò)展了天線帶寬，抑制了天線的輻射性能，對(duì)于磁耦合和電場(chǎng)耦合兩種類型的標(biāo)簽都有良好的近距離讀取效果。

1 天線結(jié)構(gòu)的確定及參數(shù)優(yōu)化

文中所述天線結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。天線由雙邊帶狀線饋電單元、環(huán)狀偶極子輻射單元及電阻加載單元3部分組成。天線印制于圓形FR4介質(zhì)基板上，介電常數(shù)εr為4.4，損耗角為0.02，厚度為1.6 mm。其中雙邊帶狀線的兩邊及每對(duì)偶極子的兩臂分別印制在介質(zhì)基板的上下兩層，且偶極子臂繞至成圓環(huán)狀。本文中天線采用5對(duì)偶極子以保證磁場(chǎng)在較大平面內(nèi)的均勻分布。介質(zhì)基板的雙邊帶狀線上流經(jīng)等幅反相電流，其輻射場(chǎng)可忽略不計(jì)。每個(gè)環(huán)形偶極子上的電流相位保持一致，使得該環(huán)形內(nèi)部能產(chǎn)生較均勻的磁場(chǎng)分布。同時(shí)在饋電線末端進(jìn)行電阻加載，可有效吸收大部分來自饋源的能量，從而獲得較為理想的低增益值。天線饋電方式為底軸，同軸探針和外皮分別與天線上下層單元相連。為實(shí)現(xiàn)天線單向輻射，在天線下方20 mm處設(shè)置金屬反射板，直徑為300 mm。

圖1 天線俯視圖

圖2 天線側(cè)視圖

天線形式確定后，本文利用軟件對(duì)所述天線的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以保證天線具備良好的電氣指標(biāo)，現(xiàn)列舉部分優(yōu)化過程如下：

1.1 加載電阻R0的優(yōu)化與選擇

利用仿真軟件，本文對(duì)負(fù)載端電阻阻值R0進(jìn)行步進(jìn)調(diào)試，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 加載電阻R0對(duì)S11的影響

由圖3可以看出，隨著電阻阻值的加大，諧振頻點(diǎn)向高頻端移動(dòng)，帶寬逐漸變窄。為保證諧振頻點(diǎn)盡量接近RFID的中心頻點(diǎn)915 MHz和足夠的帶寬，本文最終選定R0=62Ω作為加載電阻值。

1.2 TDSPSL參數(shù)W1和W2的優(yōu)化與選擇

如圖4、圖5所示。

圖4 參數(shù)W1對(duì)S11的影響

圖5 參數(shù)W2對(duì)S11的影響

加載電阻值一定時(shí)，天線諧振頻點(diǎn)受TDSPSL兩端長(zhǎng)度的影響，W1的值增大，諧振頻點(diǎn)向低頻端移動(dòng)，而W2的值增大，諧振頻點(diǎn)向高頻端移動(dòng)。為保證天線諧振頻點(diǎn)接近RFID的中心頻點(diǎn)，本文最終選定W1=0.6 mm、W2=2.8 mm作為最終參數(shù)值。

按照上述過程，本文得到最終天線優(yōu)化結(jié)果，其參數(shù)如表1所列。

表1 天線優(yōu)化參數(shù)

2 仿真優(yōu)化及實(shí)測(cè)分析

在完成天線參數(shù)優(yōu)化后，本文利用三維電磁仿真軟件對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。圖6、圖7給出了距離天線表面高度分別為3 cm和5 cm的平面上，在300 mm×300 mm的區(qū)域內(nèi)法向磁場(chǎng)強(qiáng)度（Hz）的二維分布圖。其中，天線輪廓處表示天線上表面的偶極子環(huán)金屬輻射部分?？梢娫谂紭O子環(huán)內(nèi)部具有均勻的磁場(chǎng)分布，表明該天線具有良好的近場(chǎng)性能。

根據(jù)近場(chǎng)天線設(shè)計(jì)和電磁近遠(yuǎn)場(chǎng)變換規(guī)則，要使得天線具有較為均勻的近場(chǎng)特性，其遠(yuǎn)場(chǎng)增益應(yīng)盡可能小。圖8給出了該天線位于遠(yuǎn)場(chǎng)的天線增益情況。可以看到，天線的遠(yuǎn)場(chǎng)增益達(dá)-9 dBi以下，也從側(cè)面反映了所設(shè)計(jì)天線具有優(yōu)良的近場(chǎng)性能。

圖6 天線正上方3 cm處Hz分布

圖7 天線正上方5 cm處Hz分布

圖8 天線增益方向圖

根據(jù)仿真優(yōu)化認(rèn)定的最終天線參數(shù)，制作了天線樣品實(shí)物，如圖9所示。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線S11參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，天線回波損耗測(cè)試與仿真結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯觯炀€的工作頻段較寬，-10 dB頻率范圍為790～1 067 MHz，絕對(duì)帶寬277 MHz，覆蓋了全球RFID通用頻段（840～960 MHz），說明本文天線具有良好的頻率特性。

圖9 天線實(shí)物

圖10 天線S11實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證該天線的近場(chǎng)讀取性能，本文采用Impinj M6e模塊讀寫器構(gòu)建如圖11所示的測(cè)試環(huán)境來讀取標(biāo)簽。讀寫器輸出功率為30 dBm，測(cè)試標(biāo)簽分別為電場(chǎng)感應(yīng)型標(biāo)簽ZL001和磁感應(yīng)型標(biāo)簽Impinj J41。

圖11 近場(chǎng)天線讀取測(cè)試場(chǎng)景

在此本文對(duì)2款RFID標(biāo)簽進(jìn)行測(cè)試，如圖12所示，分別為電場(chǎng)感應(yīng)型標(biāo)簽（上）和磁場(chǎng)感應(yīng)型標(biāo)簽（下）。將標(biāo)簽距離天線一定高度，對(duì)此高度內(nèi)的平面讀取范圍進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試場(chǎng)景如圖11所示，磁感應(yīng)標(biāo)簽測(cè)試數(shù)據(jù)和電場(chǎng)感應(yīng)標(biāo)簽測(cè)試結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖12 電耦合型與磁耦合型RFID標(biāo)簽

圖13 磁感應(yīng)型標(biāo)簽距離天線高度與讀取范圍測(cè)試

圖14 電感應(yīng)型標(biāo)簽距離天線高度與讀取范圍測(cè)試

圖13顯示了當(dāng)高度z分別為0 cm、2 cm、2.5 cm、5 cm、9 cm和11 cm時(shí)，平面內(nèi)天線對(duì)磁場(chǎng)感應(yīng)型標(biāo)簽J41的讀取范圍。在距離天線面高度為0 cm的平面內(nèi)，標(biāo)簽可讀大致區(qū)域?yàn)橹睆?3cm的圓，且不存在盲區(qū)。隨著標(biāo)簽距離天線垂直距離的不斷加大，標(biāo)簽可讀范圍不斷縮小至最遠(yuǎn)讀距處?？梢姡嬖谛〔糠值目兆x區(qū)域，與預(yù)期結(jié)果較為吻合。

圖14顯示了高度0 cm、25 cm和50 cm時(shí)，不同高度平面內(nèi)天線對(duì)電場(chǎng)感應(yīng)型標(biāo)簽的讀取范圍。對(duì)于電場(chǎng)感應(yīng)型標(biāo)簽，標(biāo)簽測(cè)試讀距為50 cm，標(biāo)簽可讀平面區(qū)域基本控制在距離天線邊緣50 cm以內(nèi)，較好地實(shí)現(xiàn)了電耦合型標(biāo)簽的近場(chǎng)讀取。

3 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了一款寬帶RFID近場(chǎng)天線，總體尺寸為300 mm×300 mm×21.6 mm。在偶極子繞至的環(huán)形內(nèi)部，存在較為均勻的磁場(chǎng)分布，并通過添加加載電阻，實(shí)現(xiàn)了水平全向低增益，實(shí)測(cè)阻抗帶寬277 MHz（790～1 067 MHz）。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的天線對(duì)電感耦合和電容耦合型標(biāo)簽都有良好的近場(chǎng)讀取效果。

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