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1、上 海 大 学 学 报 (自 然 科 学 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文章编号 : 100722861 ( 2009 ) 01 20051203用于射频识别的低旁瓣圆极化微带天线阵孙竹 ,钟顺时 ,陈旷达 ,汤小蓉(上海大学 通信与信息工程学院 ,上海 200072)摘要 : 介绍一种工作于 2. 45 GH z射频识别 ( R F ID )读卡器微带天线阵的设计与测试结果. 该天线结构简单 ,具有低旁瓣与圆极化特
2、性. 实测旁瓣电平为 - 23. 2 dB , V SW R 2 阻抗带宽约 130 MH z ( 2. 44 2. 58 GH z) . 这些特性能较 好地满足 R F ID 天线的要求.关键词 : 微带天线阵 ; 低旁瓣 ; 圆极化 ; 射频识别读卡器中图分类号 : TN 82文献标志码 : 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化特性或双极化特性已作了介绍 1 25 ,但大部分都是以贴片单元来实现 ,鲜有低旁瓣微带天线阵的报道.本研究的 R F ID 系统要求能在一定距离内 ,准确识别并 分辨一列间距相近的目标. 因此要求天线
6、阵具有高增益、窄波束、低旁瓣并兼具圆极化特性 ,以实现一定的感应距 离以及足够高的横向分辨率 ,从而避免误操作.在低旁瓣天线阵的设计中 ,口径耦合方式通常 是首选的馈电方式. 因为其接地板有效地屏蔽了来自馈网的辐射 ,为设计天线阵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 层结构增加近年来 ,射频识别 ( R F ID )系统在工业制造、物流、零售业及后勤管理等诸多领域的应用得到了快 速的发展. 该系统的引入能够提高制造 、流通、后勤 保障的效率 ,减少这些环节中的人为因素带来的不确定性 ,并且使得管理成本得到降低. 因此 , R F ID 在 以上行业中的应用有着
7、广阔的前景.R F ID 天线设计一般有结构简单、成本低廉、辐 射方向上具有高增益、良好的阻抗匹配、圆极化特性、容易与有源器件集成 1 等特点要求.许多文献对如何实现 R F ID 读卡器天线的圆极收稿日期 : 2007 209 213基金项目 :上海市重点学科建设资助项目 ( T0102 )通信作者 :钟顺时 ( 1939 ) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,研究方向为现代天线理论与技术等. E2m a il: sh shzhong 163. com了加工难度及生产成本. 文献 3 中利用共面混合器加功分网络馈电 ,能产生良好的圆极化和轴比带 宽. 但其 90 混合器占用了相当大的面积 ,并且
8、带来 的伪辐射对于低旁瓣天线阵是不利的. 本研究采用 共面馈电的线阵 ,在水平方向产生窄波束 ,并通过精 心设计馈电网络来实现低旁瓣. 同时 ,为了在满足低 旁瓣指标的情况下实现最窄的主瓣 ,采用了切比雪 夫电流分布. 测试结果显示 ,天线样阵的相对旁瓣电 平和驻波比带宽较好地满足了系统要求.每块贴片之间用 4段 g / 4微带线相连 , 通过改变其中一段变换线的特性阻抗来调节单元电流比 值 , 实现切比雪夫分布 7 . 天线阵等效电路如图1 ( b)所示. 由网络分析法可知 , 电流分布与每段传 输线特性阻抗关系为 I2 Z c2I3 Zc3( 1 )= n1 ,= n2 ,I1Zc0I2Z
9、c02Zc11 + n22 2Y= Y =YA (+ n1 n2 ) ,( 2 )121Zc0式中 , YA 是贴片单元的输入导纳. 电流分布是按照1 天线设计天线结构如图 1 ( a)所示. 采用近似正方形的矩 形贴片角馈作为辐射单元 ,并采用一段 g / 4的微带 线连接到馈电网络上. 通过角馈能方便地激励起 2 个正交的模式 , 并调节矩形贴片的 2 条边长 a, b, 在 设计频率上产生圆极化特性.- 2 7 dB的旁瓣电平设计的 , 其电流分布为 I I1 2I3 = 1 0. 709 0. 345, 代入式 ( 1 ) 得 n1 = 0. 709, n2 =0. 487. 由式 (
10、 1 ) 可知 , 变换段的特性阻抗比例正比 于 ni. 通过选定适当的 Zc0 , 即可决定各段变换段特性阻抗值 , 其中通过调节 Zc1将输入阻抗匹配到 50, 并实现左右两个子阵的平衡馈电.( a) 天线结构图( b) 天线阵等效电路图图 1 天线结构及等效电路示意图F ig. 1 An tenna struc ture an d equ iva len t c ircu it要实现低旁瓣 ,必须实现单元准确的同相馈电.由于馈电网络中逐段采用不同特性阻抗 , 其相应 g /4变换段长度也各不相同. 因此 , 在设计阵列之 前 ,应对每段变换段做精确的计算和仿真 ,并综合考 虑贴片单元的间
11、距 ,在保证等间距情况下 ,使得整个 天线阵相位误差最小.在 完 成 理 论 设 计 之 后 , 用 电 磁 仿 真 软 件 H FSS10. 0 对天线阵馈网进行优化 ,以实现精确的电 流分布及同相馈电.2 测试结果按照理论设计 ,在 500 mm 100 mm ,相对介电 常数为 2. 78 ,厚 2 mm 的介质板上加工了一幅 1 6 元的样阵. 仿真及用 A gilen t 8722 ES网络分析仪实 测的反射损耗曲线如图 2所示. 实测结果显示 ,天线样阵的 V SW R 2 , 阻抗带宽为 130 MH z ( 2. 44 2. 58 GH z) ,覆盖了 S2ISM ( 2. 4
12、002. 484 GH z)频段 的 46. 7 %. 实测 S11与仿真结果相比 ,频率向高频端 偏移了约 100 MH z,且 S11峰值比理论值高 12 dB ,该 误差可能来自于板材介电常数不准确及制造公差.图 2 仿真及实测的反射损耗曲线F ig. 2 S im u la ted an d m ea sured re turn lo ss第 1 期孙 竹 ,等 :用于射频识别的低旁瓣圆极化微带天线阵53图 3所示为天线阵的实测方向图. 在 2. 4 GH z,实测旁瓣相对电平为 - 23. 2 dB. 当工作频率为2. 47 GH z时 ,旁瓣相对电平约为 - 19 dB. 在 2.
13、 4GH z上 , 主瓣宽度大约为 16 , 辐射方向上增益为11. 2 dB i,满足了系统的要求.图 5 仿真及测试的轴比图F ig. 5 S im u la ted an d m ea sured a x ia l ra t io仿真试验 ,对相同的天线阵结构 ,采用不同的介质损耗角再分别进行仿真 ,发现若介质损耗角小于原先 假定值 0. 02 ,轴比便迅速上升. 介质损耗角取 0. 01 , 结果见图 5中虚线. 可见 ,其轴比特性迅速恶化. 由 此可知 ,介质损耗角对于天线轴比影响很大. 估计由 于设计中板材损耗角取值与实际损耗角不同 ,导致 了上述轴比特性的恶化.( a) 2. 4
14、 GH z3 结论( b) 2. 47 GH z图 3 实测方向图F ig. 3 M ea sured ra d ia t ion pa ttern s本工作设计并加工了一副用于 2. 45 GHz频段RF ID 识别器的 6元低旁瓣窄波束共面馈电圆极化天 线阵. 实测数据显示 ,在中心频率上 ,该天线 VSWR 2的阻抗带宽大约为 130 MHz (2. 442. 58 GHz) ,并且其旁瓣电平值为 - 23. 2 dB ,主瓣宽度大约为 16,辐射方 向上增益为 11. 2 dB i,满足了 RF ID 系统的要求.图 4为实测极化方向图. 仿真及实测的轴比图如图 5所示 ,实测数据与理
15、论计算有较大的出入 ,大 约比理论值 ( 0. 8 dB )高了 4 5 dB. 由微扰法理论 ,本设计中矩形贴片单元实现圆极化条件为 8 a 1 + 1 ,11111 ,参考文献 :( 3 )=+bQQQ r Q d Q cQ sw式中 , Q r , Q d , Q c , Q sw分别是辐射 、介质 、导体及表面 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 tiona l Confe rence on Comm un
16、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波所对应的品质因数. 我们在设计中取 1= tan =Q d0. 02, 并将天线样阵数据代入 , 得 1 2 = 0. 0369. 通过QA n tenna s andP rop aga tionSoc ie tyIn te rna tiona lSympo sium. 2003: 2652268.L
17、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 t R F ID reade r an tenna w it
18、h 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.(下转第 59页 ) 3 4 图 4 实测极化方向图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 Comm un ica tion, Con tro l and C
19、omp 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 powe r J . IEEE Tran s on A ES,
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22、53 页 ) 5 RH YU H , HARACK IEW ICZ F J , L EE B. W ide cove rage钟顺时 ,朱春辉 ,刘俊 , 等. 一种低旁瓣微带天线阵的分析与设计 J . 上海大学学报 : 自然科学版 , 1995 , 1 ( 6) : 6802688.钟顺时. 微带天线理论与应用 M . 西安 : 西安电子科技大学出版社 , 1991: 1342135.(编辑 :刘志强 ) 7 a rea of UH F2band R F ID system u sing a reconfigu rab le an tenna J . M ic rowave andTechno logy L e tte rs, 2007 , 49 ( 9) : 2154 22157.p a tte rnOp tica l 8 6 PO ZAR D M , KAU FMAN B. D e sign con side ra tion s fo r low side lobe m ic ro strip a rrays J . IEEE Tran s A n tenna s andP rop aga t, 1990, 38 ( 8) : 1176 21185.
