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1、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 RFIDA Miniature Circular Polarization Antenna for R
2、FIDWarehouse ManagementHe Wei Huang Yinlong Sun Weihua(Anti-counterfeit Information Department, the Third Research Institute of the Ministry of Public Security 201204, China)Abstract In this study, an A miniature circular polarization antenna operating at UHF band for RFID warehouse management is pr
3、oposed. By this structure, the antenna has miniature and circular polarization characteristic. Its main parameters such as return loss, impedance bandwidth, radiation patterns ，axial ratio and gains are discussed. The results show that modeling of such antennas, with multiple antenna selectio , can
4、meet well the requirements of RFID warehouse management.Keywords: circular polarization antenna RFID1 引言目前，RFID（radio frequency identification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
5、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（ultrahigh frequency）、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，
6、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
7、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
8、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 Agilent E8363C 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UHF RF
9、ID在920-925 MHz频带图 2 圆极化天线的回波损耗的计算值和测量值(oop) sso- En4a)M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。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
10、好的圆极化特 性。6-宀5一/H 4 -P- M 21 - 0- *IIII0.9100.9150.9200.9250.930f （GHz）图 4 左旋圆极化天线的轴比4 RFID 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al,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，
11、 a4 垂直 放置。天线单元通过射频链路开关控制。按照表 l 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
12、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。
13、表1ala2a3a4标签所在面与YNYNal, a3平行标签所在面与NYNYa4, a4垂直标签所在面与al,YYYYa3夹角为45参考文献1 Tuttle J.R, Traditional and emerging technologies and applications in the radio frequency identification (RFID) industry, Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Symposium, IEEE, pp.5-8, 8-ll Jun.l997.2 Pala Z, Inanc N, Smart
14、 parking applications using RFID technology,RFID Eurasia, pp.l-3, 5-6 Sept. 20073 Lajos Toth, Petra Dobrossy, RFID application in production process of an automotive industry supplier, INES l0th International Conference on Intelligent Engineering Systems, pp.45-48, 2006.4 Kraft U.R, “An experimental
15、 study on 2x2 sequential-rotation arrays with circularly polarized microstrip radiators”，Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, Vol.45, Oct.l997, pp.l459-l4665 Vlasits T， etc.， “Performance of a cross-aperture coupled single feed circularly polarised patch antenna”， Electronics Letters, Vol.32, Mar.l996, pp.6l2-6l3 IEEE, Vol.l, July.l999, pp.34-376 Iwasak H， etc.， “A circularly polarized small-size microstrip antenna with a cross slot”， Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, Vol.44, Oct.l996, pp.l399-l40l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
