紧凑的四个端口的双重意义圆偏振层叠贴片天线针对UHF / MW-RFID MIMO系统

文摘

四个端口的双频双圆极化(CP)层叠介绍了贴片天线的多输入多输出(MIMO)射频识别应用程序。该天线采用两个FR四基板和一个罗杰斯Ro4350b基质。两双隔离端口工作在FCC UHF / MW-RFID乐队(0.902 - -0.928和2.4 - -2.485 GHz)与港口特级20 dB和25 dB,分别。四个inverted-F辐射元素美联储90°相位延迟喂养网络实现CP辐射FCC UHF-RFID乐队(0.902 -0.928 GHz)。corner-truncated广场槽和补丁获取CP模式实现MW-RFID乐队。相对阻抗带宽FCC超高频和兆瓦乐队的10.9%和9.4%,分别为4.1和7.2 dBic峰值收益。天线的天线系统的性能包络相关系数(ECC)低于0.01,和分集增益(DG)接近10 dB。由于层叠配置,双频RFID天线实现良好的天线性能一个紧凑的尺寸为0.6×0.6×0.07λ³。

1。介绍

最近,射频识别(RFID)技术是一种普遍的研究倾向于某些领域,如生物医学、交通、和物流,因为它的实用和低成本标签的优势。射频识别操作乐队包括125/135千赫(低频带,低频),13.56 MHz(高频,高频),433/860 - 960 MHz(超高频率乐队,UHF)和2.45/5.8 GHz(微波波段,MW)。MW-band RFID系统具有独特的技术优势,优秀的传输速率和距离活跃的RFID技术在一个紧凑的配置。

此外,操作在紧凑的多个频率的射频识别系统已成为一个关键的需要提高效率。一些多波段(FCC超高频和兆瓦乐队)提出了线性极化(LP)解决方案(1- - - - - -4]。一对交错三角形一直在嵌入式恒星槽的中心delta-shaped平面天线实现多波段操作(1]。在[2),一个双层配置一块六角环引入了。最后,aperture-fed和marquise-brilliant-diamond-shaped (MBDS)结构设计3,4]。

与LP天线相比,CP天线更适合射频识别应用程序由于其优势,如检测不敏感的物理方向,减少多径衰落。提出了双频CP的设计,其中大部分采用corner-truncated层叠配置(5- - - - - -7)或slot-coupling结构(8,9]。在[10),一双同心环天线元素被激活与光阑CP辐射和占据了整个面积0.5λ×0.5λ。然而,这些单馈电的解决方案的带宽很窄。提出了双频CP天线隔离港口(11- - - - - -16]。在[11- - - - - -13),传统的相位延迟喂养网络和多个辐射元素被用于广泛的带宽和高端口隔离。两个corner-chamfered补丁和三个基板堆积在14)来实现小体积。然而,其轴向比率(AR)带宽越高乐队(7 GHz)窄(0.1 GHz)。在[15),四个inverted-F天线(ifa)和90°相位延迟喂养网络实现FCC UHF-RFID乐队。corner-truncated补丁已经打印中心的ifa第二WLAN乐队。这个解决方案有一个紧凑的体积为0.5×0.5×0.05λ³,但是最大的已实现收益很低(−0.6和1.2 dBic)在FCC RFID和WLAN乐队。双频CP RFID解决方案与单独的Tx和Rx港口介绍了双频超材料分支线耦合器(16]。两支乐队每个港口的运营结构,导致低10 dB的隔离。

最近,射频识别的研究侧重于多个辐射元素阅读器和标签。相比single-input-single-output RFID系统的输出MIMO RFID系统极大地扩大覆盖区域,解决了视线范围(仿真结果)问题,并获得更好的数据传输和传送能力。Multiradiation-element被首先用于射频识别系统(17]。在[18),输出射频识别和MIMO RFID比较信道的多径衰落,和分布式天线射频识别技术可以有效地提高衰落深度。分布式天线系统(DAS)提出了RFID与单天线射频识别系统(19]。当DAS RFID系统在10米工作²空间,它可以获得一个成功的阅读率为100%。相比之下,传统的输出射频识别系统的阅读率低于60%。在[20.),一个2×2 MIMO前端了RFID系统验证RFID MIMO系统的波束形成优势,多样性相结合,在RFID阅读器和本地化。

到目前为止,一些相关的双频CP天线或单波段CP提出了MIMO天线射频识别应用程序(21,22]。然而,双频CP天线系统解决方案与independent-frequency港口为RFID系统是罕见的。文献[23复制其双线馈电双频CP RFID天线元素2×2 MIMO系统和实现解耦结构来提高其端口隔离。然而,这种解决方案显著扩大总体尺寸和设计复杂性。

介绍了双频CP文中对FCC超高频天线(0.902 -0.928 GHz), MW-RFID(2.4 - -2.485)系统。四个端口配置,组成四个inverted-F单极子美联储90°相位延迟喂养网络和一块corner-truncated美联储平方环槽,适用于2×2 MIMO系统没有尺寸增加。这部小说的贡献解决方案总结如下:(我)MW-RFID系统2.45 GHz的工作有许多优势,如良好的阅读范围和速度和足够的信息存储。然而,MW-RFID天线的设计更为复杂。种MW-RFID解决方案介绍了(24- - - - - -26]。然而,它们都为线偏振(LP)与一个单一的饲料和不能工作在第二个FCC UHF-RFID乐队。因为这两个标准(0.915/2.45 GHz)需要同时运行在一个系统中,本文four-feed双频天线是必要的。此外,LP天线的射频识别系统相比,减少多径衰落的CP天线还有其他的优势和适应性,极端的气候条件。(2)传统CP和双端口天线同时发送和接收需要复杂的和分开喂养网络的多个端口(27- - - - - -29日]。在本文中,一种新颖的双端口相位延迟喂养网络共享,仅由两个90°混合耦合器,已经提出了FCC超高频乐队。它可以同时实现orthogonal-CP辐射领域提高端口隔离在一个更紧凑的尺寸。此外,大多数双频CP辐射元素需要重复他们的结构实现再分配功能。这个解决方案有两个双independent-band港口可以直接申请MIMO系统没有任何尺寸增加。(3)多频天线操作在FCC UHF / MW-RFID乐队为RFID系统是必不可少的。MW-RFID读者可以收集到的数据传输到一个数据处理器和无线局域网(WLAN)。此外,多点解决方案可以作为接收(RX)和传输(TX)天线同时进一步适用于蓝牙和无线应用在工业、科学、医疗(ISM)乐队。

天线设计过程阐明2,它的模拟和测量结果进行了比较3。天线的MIMO系统中讨论部分申请4。结论提出了部分5。

2。天线设计

图1显示了层叠配置的布局,包括三个1.53 mm-thickness基质。层1和2采用FR - 4 (ɛ_r= 4.3,谭δ= 0.025)底物由于其良好的介电常数和性价比。因为喂养网络关键需要低电磁损失,罗杰斯Ro4350b (ɛ_r= 3.48,谭δ= 0.0037)适用于喂养网络的衬底(第三层)。两个饲料线和2.45 GHz的辐射贴片MW-RFID乐队是印在底部的层2和1,分别。90°相位延迟喂养网络已经印在第三层养活四个IFA元素中的CP字段0.915 GHz UHF-RFID乐队。所有inverted-F单极子图层1上的一面。

2.1。FCC UHF-RFID (0.915 GHz)喂养和辐射配置

CP字段在FCC UHF-RFID乐队已经意识到通过四个inverted-F单极子和一个90°相位延迟喂养网络(16]。四个inverted-F单极子印在图层1和90°顺时针旋转。扑鼻单极子被用来减少相互干扰一个紧凑的尺寸。因此,实际的磁单极子的长度d₂减少从72 mm到51毫米。

自从喂养网络需要低电磁损耗,这个解决方案采用罗杰斯Ro4350b (ɛ_r= 3.48,谭δ= 0.0037),第三层的介质衬底。相位延迟喂养网络有四个输出一直印在第三层的顶面。固有的四节支线Z_c和Z_d阻抗值是用来形成一个传统的90°混合耦合器。四组不同宽度(W₄和W₅)分支线的阻抗值Z_一个和Z_b提出了实现双频阻抗变压器从源阻抗负载阻抗。由于不同宽度阻抗变压器的设置共振频率接近,一个宽的阻抗带宽的网络实现。应该注意的是,支线的四组相同的电长度(θ= 90°)。

此外,90°混合动力耦合器的输入阻抗为100Ω,因为两个耦合器的平行关系。端口的输出阻抗3 - 6是50Ω,可以直接联系标准辐射元素。

如图2的内外导体同轴电缆已连接的两个输入点港口,分别。因此,dual-way信号具有相同振幅以及180°相位差传播给两个90°混合耦合器。连续的四个输出获得90°相抵消来增强CP纯度。所确认的图3左旋圆偏振(LHCP)和右旋圆偏振(RHCP)已经意识到90°阶段进展在端口1和2,分别。orthogonal-CP模式可以进一步增强端口隔离在FCC超高频乐队。

四组销头用于连接喂养和四个inverted-F单极子网络。每组包括两双排针。一双钉头被用作饲料线(磁单极子和喂养网络连接)和空行(连接磁单极子和地平面),分别。另一双已用于固定销头分离结构的稳定。

图4介绍了初始喂养网络的参数。阻抗带宽涵盖整个0.915 GHz乐队的隔离20 dB,确认最初的网络解决方案的可行性。

2.2。MW-RFID (2.45 GHz)喂养和辐射配置

孔径耦合技术引入Pozar有一些优势,如屏蔽feeding-network杂散辐射的天线和广泛的带宽30.,31日]。通常,方形槽兴奋微带线是用来喂养一块印刷天线电磁。由于槽纵向电流中断,耦合槽的补丁和微带线的主导模式。介绍了环形槽结构为微带贴片天线(32- - - - - -35]。特别是两口的线性极化贴片天线,提出了一个方形环槽兴奋的(32,33]。四双端口线性偏振aperture-coupled天线结合顺序旋转喂养技术达到一个优秀的极化纯度CP辐射场(34]。此外,单馈电CP aperture-coupled平方环槽微带天线提出了在35]。CP辐射场是意识到只有一个端口通过引入一个轻微的不对称在广场环和补丁的几何图形。

本文提出的解决方案包括一个双端口dual-CP aperture-coupled环槽微带贴片兴奋。不同于(35),两个正交CP字段可以通过同一aperture-shared双端口辐射单元为2.45 GHz RFID乐队不使用笨重的匹配和相位延迟的网络。

如ring-slot-coupling饲养技术,比赛场的长度b₃已经接近λ/ 4。两个正交微带喂线在两个连续的边缘。一块印刷印刷在远处H₁。它的一面b₂有点不同λ/ 2得到一个稍微不同的谐振频率。H₁参数化优化补丁一起规模2.45 GHz RFID乐队达到共振。

因此,引入了一种不对称环槽和补丁几何图形生成CP字段。在文献中提出了一些不同的扰动激励的两个正交的一个补丁天线的基本模式。在这方面,值得一提的是,美联储对角近广场,广场corner-truncated补丁,补丁与外围削减或调优存根(36]。在这个解决方案中,两种截然相反的角落的环槽和谐振片削获得corner-truncated配置。0.915 GHz喂养的地平面网络从第三层底部可以作为2.45 GHz辐射结构的金属反射器来减少backradiation并增加其收益。

采用tapered-width给水管路和nonuniform-width槽可以进一步提高天线的性能参数(37]。在图5(一个)存根终端宽度的增加一个₂,天线达到一个更好的阻抗匹配。的年代₁₁/秒₂₂减少从8 -−−12 dB。在图5 (b),多亏了nonuniform-width槽结构,S₂₁减少从18分贝MW-RFID 27分贝的乐队。同时,S₁₁保持稳定和低于−10 dB。

表面电流分布在端口1 - 4兴奋已经提出。如图6,表面电流集中在喂养网络在端口1和2,四个曲线单极子模式。在港口3和4模式,表面电流集中在tapered-width存根和环槽。因此,港口之间的低耦合级别1和2和港口3和4已经实现。结构参数优化和列在表中1。

3所示。天线性能和讨论

该天线具有原型和测量。数据的两个FR - 4基板和一个罗杰斯Ro4350b衬底如图7。如图8,数值和实验的参数展示一个好的协议。−10 dB带宽测量在0.875 - -0.975 GHz的范围(10.9%)和2.37 - -2.6 GHz(9.4%),覆盖整个FCC UHF / MW-RFID操作乐队(0.902 - -0.928和2.4 - -2.485)。如图9,所有不同波段港口特级(|年代_31日| |,年代₄₁| |,年代₃₂|和|年代₄₂|)高于25 dB,因为适当的距离corner-truncated补丁和inverted-F单极子。此外,磁单极子元素(在0.915 GHz)和slot-coupling元素(在2.45 GHz)是单一频率辐射配置没有广泛的带宽,和他们的电尺寸不同的共振频率有明显不同。因此,声音分解动作实现了天线元素之间没有任何解耦结构。然而,由于轻微的反射在销头之间的连接位置和辐射磁单极子,几乎没有same-band端口隔离(|年代₂₁|在FCC UHF波段图)恶化9(一个)。因此,20 dB分解动作获得所有必需的乐队之一。

在图的中心10,提出制造一直在消声室测量。测量辐射模式与模拟结果进行比较XZ和YZ飞机在0.915和2.45 GHz。该天线实现LHCP当端口1和3是兴奋,和交叉极化(RHCP)比20 dB和−−侧向(18分贝z分别设在)端口1和3。RHCP实现当端口2和4是兴奋,和交叉极化(LHCP)端口2和4都低于20 dB和−−17 dB在舷侧,分别。半功率带宽(HPBW)大约是75°0.915 GHz(端口1和2)和50°侧向病例的2.45 GHzXZ和YZ飞机。已实现收益最大测量方向侧向4.1 dBic 0.915 FCC UHF-RFID区间端口1和2,并在2.45 GHz 7.2 dBic MW-RFID乐队两端口3和4。

轴向比率(AR)较宽的情况下测量了20 MHz频率步骤。如图11,数值和实验AR展览一个合理的协议。测量3-dB ARBWs 0.83 -0.96 GHz(14.2%)和2.37 - -2.55 GHz(7.4%),覆盖所需的UHF / MW-RFID乐队。

测量和模拟的结果与基于“增大化现实”技术的变化θ角图所示12和13。0.915 GHz UHF-RFID乐队,测量3-dB AR梁宽度60°、45°在端口1和端口2模式模式,分别。cross-polar水平略高的2.45 GHz乐队和清晰的山峰θ4 =±60°,特别是在港口。测量3-dB AR梁宽度在港口3°44模式和30°端口4模式因为距离地波绕射在介质板的边缘13]。衍射的介电层的边缘也发生在较低的乐队但不太严重的由于小介电层的相对厚度。如果配置的目的是在一个更广泛的层压板,表面波的影响将减少。因此,天线小型化之间的权衡和考虑了可实现的基于“增大化现实”技术的波束宽度保证可接受的RFID标签阅读报道。电磁带隙)此外,电磁带隙(技术还可以减少衍射的影响(38]。

4所示。分布式天线系统申请

ECC和DG是MIMO系统的关键性能指标。考虑到天线的空间影响,ECC可以估计从以下的远场辐射方向图39]:

提出了计算ECC和DG在图14。选举投诉委员会要求乐队满足标准中0.01 [37),这意味着类似通道能力实现对空间和极化多样性。因此,该天线可以用于MIMO应用程序与极化多样性的same-band端口(端口1和2在UHF波段和端口3和4 MW乐队)。总干事接近理论最大值的10 dB和确保良好的天线系统性能。

表2比较建议的解决方案与其他有关双频CP天线解决方案。相比,双频CP RFID解决方案([9,10,15,16]),这个解决方案有一个更加平衡和优秀的性能。此外,大多数双频CP方案。文中应用程序需要重复他们的结构,显著提高整个维度。考虑MIMO应用,(21,22)多波段CP MIMO天线,但每个端口在他们的解决方案需要为多个操作乐队工作。值得注意的是,双频天线工作同时分离的单波段港口(每个端口只有一个工作需要带)对MIMO系统[总是必要的23]。本文解决方案实现了双频CP同时操作两双的单波段港口和更紧凑的尺寸。因此,建议的解决方案是更好的双频RFID 2×2 MIMO系统与其他解决方案相比。

5。结论

四个端口,一个紧凑的双频,dual-CP天线UHF / MW-RFID引入了MIMO系统,原型和特征。Shared-aperture和nonuniform-width槽设计MW-RFID乐队增加隔离和阻抗匹配。由于四inverted-F扑鼻单极子和相位延迟喂养网络,天线可以获得第二FCC UHF-RFID工作频带与紧凑的整体尺寸。的测量天线性能的参数,基于“增大化现实”技术,辐射模式,并意识到获得同意模拟结果。良好的ECC和DG性能证明建议的解决方案适用于双频CP RFID天线的应用程序。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作的部分资金由中国国家自然科学基金(批准号。61731007和U1633202)。

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