用于射頻識別的低旁瓣圓極化微帶天線陣

1、上 海 大 學(xué) 學(xué) 報 (自 然 科 學(xué) 版 )第 15卷 第 1期 2009 年 2 月vo l. 15 no. 1journal o f shan gha i un iv er s ity (na tural sc ience) feb. 2009文章編號 : 100722861 ( 2009 ) 01 20051203用于射頻識別的低旁瓣圓極化微帶天線陣孫竹 ,鐘順時 ,陳曠達 ,湯小蓉(上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 ,上海 200072)摘要 : 介紹一種工作于 2. 45 gh z射頻識別 ( r f id )讀卡器微帶天線陣的設(shè)計與測試結(jié)果. 該天線結(jié)構(gòu)簡單 ,具有低旁瓣與圓極化特

2、性. 實測旁瓣電平為 - 23. 2 db , v sw r 2 阻抗帶寬約 130 mh z ( 2. 44 2. 58 gh z) . 這些特性能較 好地滿足 r f id 天線的要求.關(guān)鍵詞 : 微帶天線陣 ; 低旁瓣 ; 圓極化 ; 射頻識別讀卡器中圖分類號 : tn 82文獻標志碼 : al ow2s ide lobe m icro str ip a rra y w ith c ircu la r po la r iza t ionfor ra d io frequen cy iden t if ica t ion a pp l ica t ion szhon g shun2sh i

3、,ch en kuang2da,tan g x iao2rongsun zhu,( schoo l of comm un ica tion and info rm a tion enginee ring, shangha i u n ive rsity, shangha i 200072, ch ina)a b stra c t: the de sign of a m ic ro strip an tenna a rray fo r 2. 45 gh z rad io frequency iden tifica tion ( r f id )reade r app lica tion s is

4、 in troduced w ith m ea su red re su lts. the a rray is of simp le struc tu re, low side lobe leve l and c ircu la r po la riza tion cha rac te ristic s. its m ea su red side lobe leve l is - 23. 2 db , and the m ea su red v sw r 2 imp edance bandw id th is 130 mh z ( from 2. 44 gh z to 2. 58 gh z)

5、, m ak ing it su itab le fo r r f id app lica tion s.key word s: m ic ro strip an tenna a rray; low side lobe leve l; c ircu la r po la riza tion; rad io frequency iden tifica tion ( r f id ) reade r化特性或雙極化特性已作了介紹 1 25 ,但大部分都是以貼片單元來實現(xiàn) ,鮮有低旁瓣微帶天線陣的報道.本研究的 r f id 系統(tǒng)要求能在一定距離內(nèi) ,準確識別并 分辨一列間距相近的目標. 因此要求天線

6、陣具有高增益、窄波束、低旁瓣并兼具圓極化特性 ,以實現(xiàn)一定的感應(yīng)距 離以及足夠高的橫向分辨率 ,從而避免誤操作.在低旁瓣天線陣的設(shè)計中 ,口徑耦合方式通常 是首選的饋電方式. 因為其接地板有效地屏蔽了來自饋網(wǎng)的輻射 ,為設(shè)計天線陣提供了更高的自由度 ,并易于集成有源器件 2 , 6 . 但是它的 3 層結(jié)構(gòu)增加近年來 ,射頻識別 ( r f id )系統(tǒng)在工業(yè)制造、物流、零售業(yè)及后勤管理等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用得到了快 速的發(fā)展. 該系統(tǒng)的引入能夠提高制造 、流通、后勤 保障的效率 ,減少這些環(huán)節(jié)中的人為因素帶來的不確定性 ,并且使得管理成本得到降低. 因此 , r f id 在 以上行業(yè)中的應(yīng)用有著

7、廣闊的前景.r f id 天線設(shè)計一般有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、輻 射方向上具有高增益、良好的阻抗匹配、圓極化特性、容易與有源器件集成 1 等特點要求.許多文獻對如何實現(xiàn) r f id 讀卡器天線的圓極收稿日期 : 2007 209 213基金項目 :上海市重點學(xué)科建設(shè)資助項目 ( t0102 )通信作者 :鐘順時 ( 1939 ) ,男 ,教授 ,博士生導(dǎo)師 ,研究方向為現(xiàn)代天線理論與技術(shù)等. e2m a il: sh shzhong 163. com了加工難度及生產(chǎn)成本. 文獻 3 中利用共面混合器加功分網(wǎng)絡(luò)饋電 ,能產(chǎn)生良好的圓極化和軸比帶 寬. 但其 90 °混合器占用了相當(dāng)大的

8、面積 ,并且?guī)?的偽輻射對于低旁瓣天線陣是不利的. 本研究采用 共面饋電的線陣 ,在水平方向產(chǎn)生窄波束 ,并通過精 心設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)低旁瓣. 同時 ,為了在滿足低 旁瓣指標的情況下實現(xiàn)最窄的主瓣 ,采用了切比雪 夫電流分布. 測試結(jié)果顯示 ,天線樣陣的相對旁瓣電 平和駐波比帶寬較好地滿足了系統(tǒng)要求.每塊貼片之間用 4段 g / 4微帶線相連 , 通過改變其中一段變換線的特性阻抗來調(diào)節(jié)單元電流比 值 , 實現(xiàn)切比雪夫分布 7 . 天線陣等效電路如圖1 ( b)所示. 由網(wǎng)絡(luò)分析法可知 , 電流分布與每段傳 輸線特性阻抗關(guān)系為 i2 z c2i3 zc3( 1 )= n1 ,= n2 ,i1

9、zc0i2zc02zc11 + n22 2y= y =ya (+ n1 n2 ) ,( 2 )121zc0式中 , ya 是貼片單元的輸入導(dǎo)納. 電流分布是按照1 天線設(shè)計天線結(jié)構(gòu)如圖 1 ( a)所示. 采用近似正方形的矩 形貼片角饋作為輻射單元 ,并采用一段 g / 4的微帶 線連接到饋電網(wǎng)絡(luò)上. 通過角饋能方便地激勵起 2 個正交的模式 , 并調(diào)節(jié)矩形貼片的 2 條邊長 a, b, 在 設(shè)計頻率上產(chǎn)生圓極化特性.- 2 7 db的旁瓣電平設(shè)計的 , 其電流分布為 i i1 2i3 = 1 0. 709 0. 345, 代入式 ( 1 ) 得 n1 = 0. 709, n2 =0. 487

10、. 由式 ( 1 ) 可知 , 變換段的特性阻抗比例正比 于 ni. 通過選定適當(dāng)?shù)?zc0 , 即可決定各段變換段特性阻抗值 , 其中通過調(diào)節(jié) zc1將輸入阻抗匹配到 50, 并實現(xiàn)左右兩個子陣的平衡饋電.( a) 天線結(jié)構(gòu)圖( b) 天線陣等效電路圖圖 1 天線結(jié)構(gòu)及等效電路示意圖f ig. 1 an tenna struc ture an d equ iva len t c ircu it要實現(xiàn)低旁瓣 ,必須實現(xiàn)單元準確的同相饋電.由于饋電網(wǎng)絡(luò)中逐段采用不同特性阻抗 , 其相應(yīng) g /4變換段長度也各不相同. 因此 , 在設(shè)計陣列之 前 ,應(yīng)對每段變換段做精確的計算和仿真 ,并綜合考 慮

11、貼片單元的間距 ,在保證等間距情況下 ,使得整個 天線陣相位誤差最小.在 完 成 理 論 設(shè) 計 之 后 , 用 電 磁 仿 真 軟 件 h fss10. 0 對天線陣饋網(wǎng)進行優(yōu)化 ,以實現(xiàn)精確的電 流分布及同相饋電.2 測試結(jié)果按照理論設(shè)計 ,在 500 mm ×100 mm ,相對介電 常數(shù)為 2. 78 ,厚 2 mm 的介質(zhì)板上加工了一幅 1 ×6 元的樣陣. 仿真及用 a gilen t 8722 es網(wǎng)絡(luò)分析儀實 測的反射損耗曲線如圖 2所示. 實測結(jié)果顯示 ,天線樣陣的 v sw r 2 , 阻抗帶寬為 130 mh z ( 2. 44 2. 58 gh z)

12、 ,覆蓋了 s2ism ( 2. 4002. 484 gh z)頻段 的 46. 7 %. 實測 s11與仿真結(jié)果相比 ,頻率向高頻端 偏移了約 100 mh z,且 s11峰值比理論值高 12 db ,該 誤差可能來自于板材介電常數(shù)不準確及制造公差.圖 2 仿真及實測的反射損耗曲線f ig. 2 s im u la ted an d m ea sured re turn lo ss第 1 期孫 竹 ,等 :用于射頻識別的低旁瓣圓極化微帶天線陣53圖 3所示為天線陣的實測方向圖. 在 2. 4 gh z,實測旁瓣相對電平為 - 23. 2 db. 當(dāng)工作頻率為2. 47 gh z時 ,旁瓣相對

13、電平約為 - 19 db. 在 2. 4gh z上 , 主瓣寬度大約為 16 °, 輻射方向上增益為11. 2 db i,滿足了系統(tǒng)的要求.圖 5 仿真及測試的軸比圖f ig. 5 s im u la ted an d m ea sured a x ia l ra t io仿真試驗 ,對相同的天線陣結(jié)構(gòu) ,采用不同的介質(zhì)損耗角再分別進行仿真 ,發(fā)現(xiàn)若介質(zhì)損耗角小于原先 假定值 0. 02 ,軸比便迅速上升. 介質(zhì)損耗角取 0. 01 , 結(jié)果見圖 5中虛線. 可見 ,其軸比特性迅速惡化. 由 此可知 ,介質(zhì)損耗角對于天線軸比影響很大. 估計由 于設(shè)計中板材損耗角取值與實際損耗角不同

14、,導(dǎo)致 了上述軸比特性的惡化.( a) 2. 4 gh z3 結(jié)論( b) 2. 47 gh z圖 3 實測方向圖f ig. 3 m ea sured ra d ia t ion pa ttern s本工作設(shè)計并加工了一副用于 2. 45 ghz頻段rf id 識別器的 6元低旁瓣窄波束共面饋電圓極化天 線陣. 實測數(shù)據(jù)顯示 ,在中心頻率上 ,該天線 vswr 2的阻抗帶寬大約為 130 mhz (2. 442. 58 ghz) ,并且其旁瓣電平值為 - 23. 2 db ,主瓣寬度大約為 16°,輻射方 向上增益為 11. 2 db i,滿足了 rf id 系統(tǒng)的要求.圖 4為實測

15、極化方向圖. 仿真及實測的軸比圖如圖 5所示 ,實測數(shù)據(jù)與理論計算有較大的出入 ,大 約比理論值 ( 0. 8 db )高了 4 5 db. 由微擾法理論 ,本設(shè)計中矩形貼片單元實現(xiàn)圓極化條件為 8 a 1 + 1 ,11111 ,參考文獻 :( 3 )=+bqqq r q d q cq sw式中 , q r , q d , q c , q sw分別是輻射 、介質(zhì) 、導(dǎo)體及表面 1 q in g x m , yan g n. 2. 45 gh z c ircu la rly po la rizedr f id reade r an tenna c the n in th in te rna t

16、iona l confe rence on comm un ica tion s system s. 2004: 612 2615. padh i s k, karma kar n c, law c l. d ua l po la rizedreade r an tenna a rray fo r r f id app lica tion c ieee波所對應(yīng)的品質(zhì)因數(shù). 我們在設(shè)計中取 1= tan =q d0. 02, 并將天線樣陣數(shù)據(jù)代入 , 得 1 2 = 0. 0369. 通過qa n tenna s andp rop aga tionsoc ie tyin te rna tiona

17、 lsympo sium. 2003: 2652268.l iu z m , h ill ega ss r r. a 3 p a tch nea r fie ld an tenna fo r conveyo r bo ttom read in r f id so rta tion app lica tion c ieee a n tenna s and p rop aga tion soc ie tyin te rna tiona l sympo sium. 2006: 104321046.son h w , l ee j n , cho i g y. d e sign of comp ac

18、t r f id reade r an tenna w ith h igh tran sm it and rece ive iso la tion j . m ic rowave and op tica l techno logy l e tte rs,2006 , 48 ( 12 ) : 247822481.(下轉(zhuǎn)第 59頁 ) 3 4 圖 4 實測極化方向圖f ig. 4 m ea sured po la r iza t ion pa tternlim its on cogn itive rad io c fo rty2second a lle rtonconfe rence on com

19、m un ica tion, con tro l and comp u ting, mon tice llo, v a, u sa. 2004: 10.ur kow itz h. ene rgy de tec tion of unknown de tenn in isticsigna ls j . p roc ieee, 1967, 55: 523 2531. 6 sonn en sch e in a ,f ishmanp m.r ad iom e tricde tec tion of sp read2sp ec trum signa ls in no ise of unce rta in p

20、owe r j . ieee tran s on a es, 1992 , 28 ( 3 ) : 654 2660. 3 7 sadjad i f.h ypo the se s te sting in a d istribu ted 4 sh ellhamm er s, taw ilieee 802. 22206 /0028 r5 , mode l s . 2006.v , chou inardg, e t a l.environm en t j . ieee tran s on a es, 1986 , 22 ( 2 ) :1342137.sp ec trum sen sing sim u la tion 8 tenn y r r ,sen so rs j .510.sand ell n r. d e tec tion w ith d istribu tedieee tran s on a es, 1981 , 17 ( 4 ) : 501 2 5 tandra r , saha i a. fundam en ta l lim its on d