文摘

紧凑的,低调的,两口的双频圆极化(CP)多层贴片天线射频识别(RFID)多输入多输出(MIMO)读者提出雇佣了shared-aperture技术。该天线采用1.524毫米厚度罗杰斯Ro4350b衬底相对介电常数为3.48。两双隔离端口工作在两个微波(MW) RFID乐队(2.4 -2.485 GHz -5.875和5.725 GHz)端口隔离高25 dB和30 dB,分别。共享的金属槽层被设计为独立的两个进料结构的上限乐队,乐队端口隔离增强以及节省空间。Corner-truncated方形槽和补丁配置设计获得CP模式。上下MW-RFID乐队,相对阻抗带宽分别为12.2%和5.7%,和最大的已实现收益高于7.3 dBic。此外,双元素配置已经结合了RFID系统,占据了一个尺寸为119毫米×119毫米×12.9毫米。信封的MIMO天线性能相关系数(ECC)低于0.03,和分集增益接近10 dB。

1。介绍

近年来,无线射频识别(RFID)技术取得了显著的关注由于其实际和低成本标签性能。它已经被用于生物医学领域,交通、物流等等。射频识别技术的频段分配给125/135千赫(低频(LF)乐队),13.56 MHz(高频(HF)乐队),433/860 - 960 MHz(超高频率(UHF)乐队),和2.45/5.8 GHz(微波(MW)乐队)。其中,MW-RFID系统一直是一个受欢迎的研究趋势的高传输速率和传输距离长,以及结构紧凑,尤其活跃领域的RFID技术。由于RFID阅读器天线总是需要工作在不同的频段,容纳两个工作乐队一个RFID阅读器天线是一个需要增加尺寸紧凑效率至关重要。

由于RFID阅读器天线通常需要运行在多个频率,结合两个操作乐队一个RFID天线关键需要提高效率在紧凑的尺寸。双频(FCC(联邦通信委员会超高频率)超高频和兆瓦乐队)的天线提出了(1- - - - - -4)申请线性极化(LP)。在[1),设计了一个孔径补丁来实现双频辐射。设计了环板弯曲的槽(2]。最后,aperture-fed和marquise-brilliant-diamond-shaped (MBDS)结构设计3,4]。

此外,由于RFID标签检测不管物理方向,圆偏振是最喜欢的乐队在射频识别工作。到目前为止,种类的双频圆极化(CP)提出了解决方案。它们中的大多数都是通过使用corner-chamfered叠加广场补丁(5- - - - - -7[]或slot-loading补丁8]。在[9),两个同心环辐射元素很兴奋与耦合光阑和表现出的区域λ/ 2×λ/ 2×λ/ 40。然而,这些发现其中一个门类的订阅天线遭受一个狭窄的阻抗带宽。双频CP天线在单独的频率与两个提要报道(10- - - - - -14]。在[10- - - - - -13),传统的混合耦合器和multiradiating元素用于dual-CP天线配置宽的带宽和低的相互耦合。然而,他们都需要大型天线尺寸,特别是对天线阵列。两个corner-truncated叠加广场补丁和三个低损耗介电层用于(14获得性能优良的阻抗带宽以及轴向比率(AR)在一个紧凑的尺寸。然而,它的基于“增大化现实”技术的带宽在高频波段(7 GHz)窄(0.1 GHz)。在[15),四个inverted-F辐射元素和一个90°相混合耦合器用于UHF-RFID应用程序。相比之下,CP补丁放在中心的四个inverted-F磁单极子的2.45 GHz无线局域网(WLAN)应用程序。它占据了一个紧凑的体积0.5×0.5×0.05λ³,但其获得的操作乐队低于dBic−0.6和1.2,分别。

目前,RFID系统已经开始关注使用多个辐射元素阅读器和标签。相比single-input-single-output系统的输出的多输入多输出(MIMO)系统有效地提高了RFID覆盖区域,解决了视线范围(仿真结果的问题,增加了数据传输的稳定性,并且提高了RFID传送能力。

多个天线元素被首先用于射频识别标签和读者(16]。在[17),输出射频识别RFID MIMO信道的多径衰落已经测量和讨论。采用MIMO技术在了RFID系统可以获得增强的衰落深度。分布式天线系统(DAS)射频识别的设计与传统的单天线射频识别系统(18]。多个发射和接收天线元素作为一个读者定位在不同的地方。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,传统的射频识别输出系统的阅读率低于60%。在[19),一个2×2米姆前端超高频RFID天线系统应用程序的乐队提出了验证RFID天线系统利用波束形成和多样性相结合以及本地化的RFID阅读器。

提出了一种紧凑、低成本、双端口双频CP针对MW-RFID MIMO天线应用程序。适用于工作在2.45 GHz和5.8 GHz MW-RFID乐队。值得注意的是,0.5×0.5×0.1λ³单一的辐射单元由一个堆叠corner-truncated补丁电磁激活与平方环槽。已签订的新设计如下:(我)操作更高的RFID频带的优点包括广泛的阅读范围,阅读速度快,和广泛的信息存储能力。当射频识别系统的工作频率增加到兆瓦范围(2.45/5.8 GHz)、RFID阅读器天线的设计将更加严重和复杂。一些双频RFID天线在兆瓦乐队(2.45/5.8 GHz)已经提出了20.- - - - - -23]。然而,他们都是专为LP与单个提要。因为这两个标准操作频率(2.45和5.8 GHz)需要同时工作在一个系统中,提出的双面进料双频CP天线可以消除广泛双频天线的使用。此外,与LP天线相比,CP天线有很多优势,如天线方向不敏感,减少多径衰落,适应恶劣的气候条件对RFID天线的应用程序。(2)一种新颖的双端口喂养技术设计的天线。与其他堆放贴片天线解决方案,这两个饲料线分离两岸的罗杰斯Ro4350b分层(上下乐队饲料线一直放置在底部和顶部的复合材料,分别地)。金属层和一个方形环槽是夹在中间的层压制品作为低耦合槽带给水管路和地平面上带给水管路。使用这个共享的金属槽层结构可以减少这两种饲料线之间的干扰,使尺寸更紧凑。(3)双频天线操作MW-RFID 2.45/5.8 GHz频段为便携式的读者来说是必不可少的。MW的RFID阅读器操作乐队可以收集到的数据传输到一个数据处理器与WLAN。此外,这种天线还可以进一步应用蓝牙和无线领域工业、科学和医疗(ISM)。

该天线的具体结构元素是部分中解释2。MIMO天线原型设计,及其数值,提出了测量结果和讨论部分3。结论提出了部分4。

2。天线的设计元素

图1提出了slot-fed多层天线的布局,包括两个1.53毫米厚度罗杰斯Ro4350b分层(ɛ_r= 3.48;棕褐色δ= 0.0037)用金属槽分离层。微带给水管路工作MW-RFID低频段是印在底部一侧的较低的层压板,和微带线在上层MW-RFID工作频带是印在顶部上层压板。

1985年,Pozar首先设计孔径耦合饲料(24),天线带宽的优势增强。耦合槽的补丁和给水管路由于纵向电流的获得插槽中断(25]。环槽结构设计与贴片天线耦合(26- - - - - -28]。特别是在(26,27),双端口LP天线用平方环槽设计。四个两口LP aperture-shared天线然后讨论(28顺序)与旋转声音CP纯度饲料技术辐射。然而,广泛的喂养网络的维度限制了天线密实度。本文与corner-truncated CP领域取得了两口的插槽和补丁,而不是笨重的喂养网络。

的2.45 GHz MW-RFID频带,如广场环slot-coupling饲养技术,边长的平方环槽l₂接近λ_2.45一直在蚀刻金属层。印刷微带给水管路放在较低的层压板的底端是用于饲料槽在两个连续的边缘。的l₃×l₃广场辐射贴片是印在上面的层压板的板面。略小于λ_2.45/ 2达到共鸣频率略有不同。

5.8 GHz MW-RFID频带,微带线与船壳辐射贴片。和边长的平方环槽λ5.8已经铭刻在船壳补丁的中心。如图1,金属层和一个方形槽可以看到5.8 GHz的地平面辐射结构。相比之下,5.8 GHz耦合槽尺寸l₈×l₈,2.45 GHz耦合槽有太大l₂×l₂打扰的工作5.8 GHz耦合槽和5.8 GHz的天线性能恶化MW-RFID乐队。

表面电流分布在5.8 GHz的操作模式和操作模式如图2.45 GHz2。在5.8 GHz的操作模式,激活端口1,耦合区域主要位于补丁的小槽。在2.45 GHz的操作模式,端口2被激活,其耦合面积大槽和补丁的边缘。两个解耦喂养结构是用来增强端口隔离。我们可以发现这两个港口之间的耦合是非常轻微的。这也证实了图3,提出了采用解耦结构的参数的曲线(DS)和不使用DS。如图3后,采用DS,隔离从5增加到23分贝和7到30 dB。同时,阻抗带宽也增加了50 MHz至100 MHz 2.45/5.8 MW-RFID乐队,分别。

此外,两种截然相反的角落广场环槽和散热片削corner-truncated结构。因此,提出了一种不对称的方形环槽和补丁,激发CP两端口(29日,30.]。

最后,添加了金属反射镜的距离H₁从降低衬底的下减少backradiation和提高在2.45 GHz MW-RFID频带较宽的增益。相比之下,金属槽层可被视为5.8 GHz的金属反射辐射结构。在表1,几何参数优化的实现阻抗带宽和端口隔离需求在2.45/5.8 GHz MW-RFID乐队工作。

原型的双频天线CP MW-RFID捏造了验证,和它的两个罗杰斯Ro4350b层如图的照片4。如图5、模拟和测量的参数满足一个好的协议。测量10分贝阻抗带宽的范围2.36 - -2.67 GHz(12.7%)和5.64 - -5.94 GHz(5.1%),完全涵盖MW-RFID频带(2.4 -2.485/5.725 -5.875 GHz)。高于25 dB的隔离和30 dB获得上下MW-RFID乐队,分别。

在图的中心6,制作原型测量在消声室哈尔滨工业大学测量设备。如图6测量辐射模式(RP)(这两个港口,RHCP一直被视为)与仿真结果的比较XZ和YZ飞机,分别在2.45 GHz和5.8 GHz。半功率带宽(HPBWs)在两约60°XZ和YZ飞机,在2.45 GHz。central-asymmetric喂养结构导致在较宽的非对称RP (z设在)在5.8 GHz。HPBWs约44°47°XZ和YZ飞机,分别在5.8 GHz。在图7,实现最大测量获得的侧向方向是7.4 dBic 2.45 GHz和5.8 GHz MW-RFID乐队。

基于“增大化现实”技术的侧向方向如图8。模拟和测量的基于“增大化现实”技术的2.45/5.8 GHz MW-RFID频段满足协议。3 dB AR带宽几乎覆盖MW-RFID乐队除了在2.45 GHz 0.3 dB恶化。的基于“增大化现实”技术的变化θ角在2.45 GHz或5.8 GHz提出了人物9和10,分别。在2.45 GHz MW-RFID乐队、模拟和测量结果满足良好的协议。测量了3 dB AR在较宽的波束宽度超过70°。然而,由于距离地波绕射层压板的边界(13),cross-polar水平在5.8 GHz MW-RFID乐队有点高于预期,与恶化θ= + /−25°。因此,测量了3 dB AR波束宽度是40°。衍射也出现在2.45 GHz MW-RFID乐队,但它是那么严重自介电层相对较薄较低操作乐队。如果提议的配置采用大衬底,衍射的影响将会减少。因此,紧凑的尺寸和基于“增大化现实”技术的波束宽度之间的权衡考虑,保证可接受的RFID标签的阅读范围。电磁带隙)此外,电磁带隙(技术可以减少表面波的影响(31日]。

表2比较了提出了双频天线元素与其他解决方案CP天线设计。提出设计达到良好的隔离(> 23分贝)和实现(5 dBic)一个辐射元素,没有复杂的网络。其结构紧凑导致双频RFID天线系统应用程序的一个不错的选择。

3所示。分布式天线系统申请

然后提出天线元素用于MIMO系统。如图11,第二个天线元素和旋转90°。因此,四个SMA连接器端口已经被放置在配置一个简单的边缘与饲料有关。之间的权衡低ECC和紧凑的尺寸,这两个天线构造元素的距离D= 59毫米。为了减少这两个天线之间的互耦元素,三个槽差距在金属蚀刻槽层,和一个矩形金属环是印在底部一侧的层压板。

提出了模拟和测量反射系数图12。10 dB阻抗带宽可以覆盖2.45 GHz和5.8 GHz MW-FRID乐队。由于低天线元素之间的相互耦合,MIMO天线的阻抗匹配性能有一个微小的区别与单一元素相比,特别是在5.8 GHz RFID乐队。如图13,由于槽缺口和矩形金属环,测量端口隔离高于23分贝(因为同一元素的配置,S₂₁和S₄₃几乎是相同的),这与仿真结果显示了良好的协议。

如图14模拟和测量RP在分布式天线配置满足良好的协议。在这两个XZ和YZ飞机,HPBWs超过65°,60°2.45 GHz(端口1和端口3)和35°34°在5.8 GHz(端口2和端口4)。由于低元素相互干扰,文中RP配置只是出现轻微恶化与RP相比5.8 GHz的单天线元素在图6。在MIMO配置,最大测量已实现收益的侧向方向5.7和6.5 dBic(端口1和端口3)在2.45 GHz MW-RFID乐队和7.7和8.7 dBic(端口2和端口4)在5.8 GHz MW-RFID乐队,分别。

图15显示协议的模拟和测量的基于“增大化现实”技术的分布式天线配置。和测量3 dB AR带宽2.45 GHz和5.8 GHz MW-RFID乐队。因为良好的隔离提议在图13的基于“增大化现实”技术的表演单天线元素(如图8)和分布式天线配置几乎是相同的。

信封相关系数(ECC)和分集增益(DG)是分布式天线系统的关键性能指标。考虑天线的空间行为的感情,ECC可以评估从远场RP (1)和(2)[32]。

ECC和DG计算结果如图所示16。选举投诉委员会要求乐队在0.03期间和满足0.5的标准33]。DG接近理论最大值的10,确保优秀的分布式天线的性能。

4所示。结论

一个紧凑的,低调的,双端口CP为MW-RFID天线MIMO应用程序设计,原型和特征。Aperture-shared配置和DS曾增加隔离和阻抗带宽。此外,槽间隙和一个矩形金属环采用扩大选举投诉委员会。天线测量的参数,基于“增大化现实”技术,RP,实现增益,ECC和DG同意数值结果表明该原型适合MW-RFID天线系统应用程序。

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(授予号。61731007和U1633202)。