关键词:
RFID天线
波束形成
大尺寸天线
近远场天线
多极化波束扫描
摘要:
工业 4.0、工业物联网(Industrial Internet of Things,IIOT)与第五代移动通信系统(5th Generation Mobile Communication System,5G)的迅速发展对无线识别系统提出了高密度、高精度的需求。无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)作为识别的关键技术,能够通过物体的独特特征实现精准识别,从而在通信、感知的基础上完成进一步的精细化管理。RFID读写器天线的性能则直接决定了系统的识别精度、识读范围与环境适应性,具有重要的研究价值。本文基于复杂应用场景开展了高精度识别RFID读写器天线的研究与设计实现,从大识读范围、高抗干扰特性、高重构特性三个维度进行高精度的天线性能的探索,并验证了天线在特定应用中的优异性能,主要创新点如下。
1.提出了一种基于角连接方式与多阶分形单元结构的大面积灵活扩展的近场天线。角连接方式使得天线能够具备在平面自由扩展的能力以及适应复杂场景的多种阵列形状的形成能力。通过多阶分形的单元结构,增加了近场磁场的强度与均匀性,提升了天线的近场读取距离。利用空气层的加载与基于行波电流的串馈阵列结构,减少了天线损耗,实现了大尺寸阵列的电流与磁场的均匀性,显著增加了阵列的识读面积。利用单元传输相位的优化,降低了阵列的远场辐射,获得了大尺寸下的低增益远场辐射方向图,具备抑制远场干扰的效果。1×8、2×4、3×3天线阵列测得的阻抗带宽均覆盖920-925 MHz频段,最大远场增益小于-8.6dBi,在360×360mm2以上的天线面积实现了至少57 mm的识读距离。与目前已发表的同类型天线相比,在近场读取距离不恶化的前提下,具有尺寸大、平面扩展灵活的显著优势。
2.提出了一种基于分段耦合的弯折四偶极子环与两入四出馈电网络的近远场可切换天线。通过分段耦合的微带线结构,抵消了传输线自身的相移,获得了强度均匀的表面电流分布。利用弯折、耦合结构的加载形成四偶极子环天线,实现了辐射结构的优化与强而均匀的近场磁场的产生。通过对两入四出馈电网络进行分析设计,实现了对于四天线双模式的相位定制与便捷的模式切换,使天线具备可重构特性。测得的天线在近场模式下的增益为-1.6dBic,形成差分的右旋圆极化辐射,在远场模式下的增益为3.7 dBic,形成定向的左旋圆极化辐射,且天线的端口隔离度高于22 dB,能够大幅度抑制两种模式下的互相干扰。近场模式下标签的识读范围至少为270 × 270 × 240 mm3。与目前已发表的同类型天线相比,具有近场模式识读范围大、识读距离远,以及近场、远场模式的端口隔离度高、增益差值大的显著优势。
3.提出了基于鱼骨形槽的平面多极化贴片与可重构馈电网络的远场多极化低剖面可重构波束扫描天线阵列。利用中心馈电的镜像对称的贴片结构,实现平面多极化辐射的产生与抗多径干扰的能力。利用鱼骨形槽与交指电容的加载,降低了谐振频率,提高了辐射效率。通过对贴片等效电路与表面电流的深入分析可实现贴片对于谐振频率与辐射效率的综合优化,给出了实现高极化纯度与高辐射效率的设计方法。利用可重构馈电网络实现0°、90°相位的切换,整体天线单元在维持低剖面性能的同时实现了多极化2 bit相位量化。8×8天线阵列在不同极化与波束状态下的测试阻抗带宽均覆盖5.63-5.94 GHz,最大增益为16.8dBi,剖面仅为1.827mm。天线在水平极化、垂直极化、45°极化、圆极化下的波束扫描范围为60°、50°、55°、30°。与目前已发表的同类型天线相比,在满足单馈电二维波束扫描的前提下具有多极化、低剖面的显著优势。