47一种用于RFID仓库管理的小型化圆极化天线要点.docx
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47一种用于RFID仓库管理的小型化圆极化天线要点
一种用于RFID仓库管理的小型化圆极化天线
何蔚黄银龙孙伟华
（公安部第三研究所防伪技术事业部）
摘要：
本文提出了一种用于RFID仓库管理的小型化圆极化天线。
该圆极化天线主要工作在UHF频段。
该天线具有小型化和圆极化特性。
文中讨论了该天线的主要参数，包括回波损耗、带宽、方向图、轴比、增益等。
通过对该天线进行多天线组合，该天线能很好地实现RFID读写器对被管控物资标签的无盲区管理目的，克服了在仓库物流管理中RFID读写器对被管理物资标签不能完全准确识读的缺陷。
关键词：
圆极化天线RFID
AMiniatureCircularPolarizationAntennaforRFIDWarehouseManagement
HeWeiHuangYinlongSunWeihua
（Anti-counterfeitInformationDepartment,theThirdResearchInstituteoftheMinistryofPublicSecurity201204,China）
AbstractInthisstudy,anAminiaturecircularpolarizationantennaoperatingatUHFbandforRFIDwarehousemanagementisproposed.Bythisstructure,theantennahasminiatureandcircularpolarizationcharacteristic.Itsmainparameterssuchasreturnloss,impedancebandwidth,radiationpatterns，axialratioandgainsarediscussed.Theresultsshowthatmodelingofsuchantennas,withmultipleantennaselection,canmeetwelltherequirementsofRFIDwarehousemanagement..
Keywords:
circularpolarizationantennaRFID
1引言
目前，RFID（radiofrequencyidentification）的综合应用服务系统解决方案在许多领域不断被提出，也成为门禁控制、资产管理、供应链管理和交通运输等领域应用的热点技术[1-3]。
在商业供应链管理、仓储管理、不停车收费等领域，其需求特点是工作距离远、快速识别、安全性要求不高、成本较高，这些领域将是UHF、微波频段RFID技术应用的重要发展领域，但由于技术、成本等各方面原因，RFID在这方面应用的发展相对较慢。
但随着一些国际商业巨头（如沃尔玛、麦德龙等）对RFID在商业供应链管理应用上的推动，可以预见，UHF（ultrahighfrequency）、微波频段RFID技术的应用在不远的将来，在全球、在国内都会有重大的发展。
最基本的RFID系统是由读写器、天线、中间件和电子标签组成。
其中，天线系统是RFID系统的重要组成部分，是保证RFID系统能够顺利实现的关键部件。
读写器天线通过向标签天线发射电磁波，电子标签由芯片和标签天线组成，通过电感耦合或电磁反向散射原理与读写器天线以及读写器进行通信，实现RFID系统的管理功能。
然而，在一些仓库物资管理或便携式移动物资的RFID管理应用中，往往要求读写器天线能够足够小，并能和标签天线有良好的发射和接收性能，同时二者有很好的极化匹配，否则会造成读写器和标签天线的失谐，破坏系统的识读能力和性能。
因此，设计合适的读写器天线和标签天线对提高RFID系统的性能以及推广RFID技术在工程中的应用具有重要的意义。
本文的目的在于设计一种能应用于仓库物资管理或便携式移动设备的RFID管理应用中的小型化圆极化天线，并通过多天线系统组合，实现RFID技术对被管控物资的无盲区管理。
2天线设计
微带天线实现圆极化的方式很多[4-6]，有连续旋转技术，口径耦合馈电，表面开槽等技术。
本文通过两条微带线的相位调解作用获得圆极化天线。
图1是圆极化天线单元示意图，由介质板、环形方贴片、空气间隙、接地板和馈电部分组成。
介质板介质常数为10，厚度为2mm。
馈电点通过两条微带线b,c调解相位，使得辐射单元的两个正交模式的辐射波分离并产生90度相位差，从而在空间形成圆极化波。
在图1中的相位调节线可以使天线获得左旋圆极化波。
环形方贴片、高介质常数介质板和空气间隙使得天线具有小型化和宽频带特性。
在图1中，l=134mm,a=90mm,b=25.5mm,c=19mm,w=5mm。
天线通过射频同轴连接器（SMA）馈电，该连接器特性阻抗为50。
图1圆极化天线示意图
3天线特性分析
本文采用时域有限差分数值方法（FDTD）对圆极化天线的带宽、轴比、增益等特性参数进行了计算分析，并利用AgilentE8363C矢量网络分析仪对天线带宽进行了测试验证。
图2是圆极化天线的回波损耗的计算值和测量值。
从图2可以看出天线的回波损耗的计算值和测量值吻合得很好。
回波损耗谐振模式在频率为896-935MHz内有很好的阻抗匹配特性。
按照回波损耗小于-10dB，天线带宽的计算值为900-941MHz（约4.5%），测量值为896-935MHz（约4.3%）。
该天线单元的带宽的测量值和计算值都能很好的满足我国UHFRFID在920-925MHz频带带宽的要求。
图2圆极化天线的回波损耗的计算值和测量值
图3是圆极化天线在频率为920MHz的辐射方向图的计算结果。
天线在x–z面和在y–z面内有很好的定向波束方向性。
其中在x–z面内和y–z面内的3-dB波束带宽分别为71°和72°。
天线在工作频带内的增益在频率为920MHz时是6.2dBi，频率为925MHz时是6.3dBi。
（b）H-面（y–面）
图3圆极化天线在频率为920MHz的辐射方向图
图4是左旋圆极化天线的轴比的计算值。
从图中可以看出，轴比在频率为920-925MHz内都小于1dB,由此可以看出该天线单元有很好的圆极化特性。
图4左旋圆极化天线的轴比
4RFID应用测试
本文对圆极化天线在RFID物资管理中的应用进行了简单试验分析。
通常情况下，标签天线是线极化的，相对于读写器，标签天线的位置、方向往往不固定，这就要求读写器天线具有圆极化特性，才能对各个方向的标签进行识读。
在测试过程中，带标签的物体放在一个PVC材质的箱子内，圆极化天线a1,a2,a3,a4安装在PVC箱的四个壁上，其中，a1与a3平行，a2与a4平行，a1,a3与a2，a4垂直放置。
天线单元通过射频链路开关控制。
按照表1的位置，即标签天线分别在距离圆极化天线25cm的位置与圆极化天线单元垂直、平行或45度角度放置，测试圆极化天线对标签的识读能力。
表中“Y”表示圆极化天线能读到标签天线，“N”表示圆极化天线不能读到标签天线。
从表中可以看出，当标签天线所在平面与一组圆极化天线平行，而与另一组圆极化天线垂直时，标签天线能被与其平行的一组圆极化天线读到，而不能被与其垂直的圆极化天线读到。
当标签天线所在平面与两组天线都成45读时，标签天线可以被两组天线都读到。
所以按照本文设计的思想，如果在箱子的六个壁上都安装天线，这样标签在箱子内任意位置放置，都可以被圆极化天线读到。
我们还做过这样的试验就是在箱子的各个壁上包上金属薄膜，通过金属壁的反射作用，在箱子内的三纬方向各放一个天线，即可对各个方向的标签读到。
更简化的方法就是在箱子内只放置一个圆极化天线即可通过金属壁的反射作用对各个方向的标签进行识读。
5结论
本文提出了一种小型化圆极化天线。
并对圆极化天线的主要参量包括带宽、轴比、增益、远场方向图等进行了分析讨论。
本圆极化天线特别适合RFID仓库物资管理应用。
通过多天线的组合，可以克服仓库物流管理中RFID读写器对被管理物资标签不能完全准确识读缺陷，可实现RFID读写器对被管控物资标签的无盲区管理目的。
表1
a1
a2
a3
a4
标签所在面与
a1,a3平行
Y
N
Y
N
标签所在面与
a4,a4垂直
N
Y
N
Y
标签所在面与a1,a3夹角为45°
Y
Y
Y
Y
参考文献
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[6]IwasakH,etc.,“Acircularlypolarizedsmall-sizemicrostripantennawithacrossslot”,AntennasandPropagation,IEEETransactionson,Vol.44, Oct.1996,pp.1399-1401
具有频带滤除特性的平面UWB天线的设计
张兴宇赵安平
（诺基亚研究中心，北京100176）
摘要：
基于FCC所开放的民用UWB频段（3.1-10.6GHz）与IEEE802.11a/b/g协议和HiperLAN2协议所规定的WLAN频段相重叠的情况，本文设计了一种在WLAN频段处具有陷波特性的平面UWB单极天线。
该天线的主辐射贴片呈U型，同时在U型辐射贴片的上方引入了一个倒U型的寄生单元，使得天线在WLAN频段处出现陷波特性。
此外，为了增加天线的带宽以及更好的调谐陷波频段处的频率范围，对U型辐射贴片采用了切角处理。
该天线采用部分地板和微带馈电。
仿真结果表明，该天线可完全覆盖UWB频带，同时在WLAN频段处具有良好的频带滤除特性。
天线的辐射方向性图、增益和电流分布也都进行了分析，制作了天线并进行了测试，测试结果与仿真结果基本吻合。
关键词：
UWB天线，单极天线，WLAN，陷波特性
DesignofPlanarUWBAntennawithBand-notchedCharacteristics
ZhangXingyuZhaoAnping
（AdvancedSystemsEngineering,Nokiaresearchcenter,Beijing100176）
Abstract:
BasedontheinterferenceoftheUWBfrequencyband（3.1-10.6GHz）allocatedbyFCCforciviluseandtheWLANfrequencybandsdefinedbyIEEE802.11a/b/gandHiperLAN2protocols,acompactplanarband-notchedUWBantennaisproposedinthispaper.ThemainradiatingelementoftheantennaexhibitsU-shape.Aninverted-Ustubasaparasiticelementisintroducedontotheradiatingpatchtocreateanotched-bandintheWLANbands.Thetechniqueofcorner-cutontheradiatingelementisadoptedtobroadentheantennabandwidthandfinetunethefrequencyrangeofthenotched-band.Besides,partialgroundplaneisusedandtheantennaismicrostrip-fed.Thesimulatedresultsdemonstratethattheproposedantennawithanotched-bandattheWLANbandcancovertheUWBfrequencyband.Theradiationpatterns,gainandsurfacecurrentdistributionofthedesignedantennaareanalyzedtoo.Furthermore,theantennaprototypewasfabricatedandmeasured.Goodagreementbetweenthemeasurementandsimulationresultscanbeachieved.
Keywords:
UWBantenna;Monopoleantenna;WLAN;Notched-band
1引言
超宽带（UWB,UltraWide-Band）作为无线通信的新起之秀，由于其具有短距离、点对点和高数据传输速率等特点而得到广泛的研究与应用。
美国联邦通信委员会（FCC,FederalCommunicationCommission）于2002年颁布了民用UWB通信的频段范围为3.1-10.6GHz。
该频段与IEEE802.11a/b/g协议和HiperLAN2协议所规定的无线局域网（WLAN,WirelessLocalAreaNetwork）频段（5.15-5.35GHz,5.47-5.725GHz,5.725-5.825GHz）相重叠，因此当所设计的UWB通信系统存在于这些网络中时，必须考虑到超宽带信号对其他已存在窄带信号的干扰情况，亦即所设计的UWB天线必须在所对应频段具有频带滤除特性。
此外，UWB通信系统还要求天线具有尺寸小、结构简单、重量轻和成本低等特点。
平面单极天线不仅具有上述特点，同时还具有频带宽、剖面轮廓低、易与馈电网络共形等优点，因此被广泛的应用于UWB通信系统中。
文献[1,2,3]都是利用在不同形状的辐射贴片上开U型或C型槽来实现UWB陷波特性的。
也有在共面波导地上加载缝隙来实现UWB陷波特性的例子[4]。
此外，通过增加寄生单元也可实现UWB天线的陷波特性[5,6,7]。
本文提出了一种尺寸小、结构简单的具有频带滤波特性的UWB天线。
该天线主辐射贴片呈U型。
在辐射贴片的上方通过引入一个倒U型条使得天线在WLAN频段处陷波，同时对U型辐射贴片进行切角处理，以此增加天线的带宽并调谐陷波频段的范围。
天线采用部分地板和微带馈电。
结果表明，该天线可完全覆盖UWB频段范围，并在WLAN频段处具有良好的陷波特性。
天线E面和H面辐射方向性图、增益以及电流分布也都进行了分析。
此外，制作了天线实物并进行了测试，实验结果与仿真结果基本吻合。
2天线结构与设计
图1给出了所设计的具有频带滤除特性的UWB天线结构。
该天线主要由四部分构成：
辐射贴片、寄生单元、馈电部分和地板。
辐射单元为15×15mm2的正方形挖掉了大小为8.6×11.35mm2的长方块，同时在该贴片的两角切除了大小均为2.7×6.05mm2的三角形，以此来增加天线的带宽并对陷波处的频率范围进行调谐。
另外，通过在辐射贴片的上方引入一个寄生单元—宽度为1mm的倒U型条，从而使得天线在WLAN频段处陷波。
此外，介质介电常数为4.4，厚度为1.5mm。
该天线地板为图1（b）所示的部分地板，并采用50Ω微带馈电方式。
（a）天线正面视图（b）天线反面视图
图1UWB陷波天线结构图
3结果与分析
图2给出了部分地板的不同宽度对天线S11的影响。
由图2可以看出地板的宽度对天线性能的影响是非常大的。
不仅影响天线的谐振频率，而且对天线的带宽和陷波处的频率范围都有较大的影响。
最终本文选取的地板宽度为D=13mm。
图2部分地板的宽度对天线特性的影响
图3给出了天线设计中所引入的寄生单元对天线性能的影响。
可以看出，引入U型寄生单元后，天线在WLAN频段处具有明显的陷波特性，可以很好的避免UWB信号与WLAN网络信号的相互干扰。
图4给出了辐射贴片切角技术对天线特性的影响，由图可以看出，对U型辐射贴片进行切角处理，可以大大增加天线的带宽，同时还可以对陷波频段处的频率范围进行很好地调谐。
图3寄生单元对天线特性的影响
图4辐射单元切角与不切角对天线特性的影响
图5为最终所制作的天线实物，并用型号为N5230A的网络分析仪对天线进行了测试，测试结果与仿真结果的比较如图6所示。
由图6可以看出，所设计天线的带宽以回波损耗低于-10dB计算为2.89—13.2GHz，可完全覆盖UWB频段。
同时，该天线在5.09—5.85GHz处陷波，很好的滤除了WLAN频段信号。
图5制作的天线实物
图6测试结果与仿真结果的比较
图7显示了天线在E面和H面处3.2GHz、7.6GHz和10GHz频率点的辐射方向性图。
由图7可以看出，天线具有较好的全向辐射特性。
（a）3.2GHzxoz平面
（b）3.2GHzyoz平面
（c）7.6GHzxoz平面
（d）7.6GHzyoz平面
（e）10GHzxoz平面
（f）10GHzyoz平面
图7UWB天线的辐射方向性图
图8给出了天线在陷波频段谐振频率5.39GHz处的电流分布。
由图可以看出，此时寄生单元上的电流明显高于天线其他部分，说明电流在寄生单元处产生了谐振而使得天线辐射贴片上的电流大部分往馈线回流，因此天线在此频点辐射很弱，从而达到了陷波的目的。
图8UWB天线在5.39GHz处的表面电流分布
图9为天线在工作频带内的增益曲线,由图9可以看出，天线在UWB频带范围内的增益为2.2—6.6dB，增益相对平稳。
同时在陷波频段处天线的增益也明显减小。
图9UWB天线的增益
4结论
本文设计了一种在WLAN频段处具有陷波特性的小型UWB天线。
该天线结构简单，剖面轮廓低，可完全覆盖FCC开放的UWB频段。
天线还具有较好的全向辐射特性和比较恒定的增益。
此外，天线的电流分布也进行了分析，制作了天线并进行了测试，测试结果与仿真结果比较吻合。
结果表明，该天线可以很好地应用于移动通信系统、无线网络和传感器网络中。
参考文献
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