阅读说明：本技术 应用于智能电信机柜的超高频rfid读写器阵列天线 (Ultrahigh frequency RFID reader-writer array antenna applied to intelligent telecommunication cabinet ) 是由 文舸一 顾晓忠 于 2019-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种应用于智能电信机柜的超高频RFID读写器阵列天线,以功率传输效率最优化理论为基础,采用四单元线极化微带阵列天线的形式,天线工作在922.5MHz,其中四单元阵列工作频段仿真结果为900-930MHz,覆盖了我国RFID超高频段(920-925MHz),实现了RFID读写器天线在金属电信机柜环境下均匀的近场分布,并对RFID标签具有良好的读取。(The invention discloses an ultrahigh frequency RFID reader-writer array antenna applied to an intelligent telecommunication cabinet, which is based on the power transmission efficiency optimization theory and adopts the form of a four-unit linearly polarized microstrip array antenna, wherein the antenna works at 922.5MHz, the simulation result of the working frequency band of the four-unit array is 900 plus 930MHz, the ultrahigh frequency band (920 plus 925MHz) of the RFID in China is covered, the uniform near field distribution of the RFID reader-writer antenna in the environment of a metal telecommunication cabinet is realized, and the RFID tag is well read.)

应用于智能电信机柜的超高频RFID读写器阵列天线

技术领域

本发明涉及电子天线领域，涉及一种应用于智能电信机柜的超高频RFID读写器阵列天线。

背景技术

近年来，针对近场RFID读写器天线的研究越来越受到人们的重视。对于低频段与高频段的读写器天线，它的工作范围在近场区域，受环境影响小，但是传输数据速率较低。超高频段的RFID读写器天线由于高信息传输交换速率以及与低频段和高频段同样可靠的标签识别能力受到研究者的关注。为避免RFID标签的误读或漏读，近场RFID读写器天线必须在目标识别区域有均匀的近场分布和较强的抵抗复杂电磁环境的能力。对于应用于电信机柜的RFID读写器天线，现阶段的研究没有充分考虑到金属机柜的影响，往往造成RFID标签的漏读或误读。

本发明基于功率传输最优化理论，采用四单元微带天线阵列的形式，避免了采用单个天线不能有效覆盖目标识别区域的问题，通过根据优化得到的激励分布设计的馈电网络，实现了RFID读写器天线在金属电信机柜环境下均匀的近场分布。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种应用于智能电信机柜的超高频RFID读写器阵列天线，以功率传输效率最优化理论为基础，采用四单元线极化微带阵列天线的形式，天线工作在922.5MHz(本发明不限于特定频率。频率改变时，设计方法类似)。其中四单元阵列工作频段仿真结果为900-930MHz，覆盖了我国RFID超高频段(920-925MHz)，实现了RFID读写器天线在金属电信机柜环境下均匀的近场分布，并对RFID标签具有良好的读取。

技术方案：本发明所述的应用于智能电信机柜的超高频RFID读写器阵列天线，包括：

微带天线单元，可设置在机柜靠近柜门的侧壁处，并且为了满足机柜监控覆盖范围的要求，在机柜内设置至少两个微带天线单元；微带天线单元的垂直读取范围不少于700mm；

接收天线单元，接收天线单元设置在机柜内的电场扫描线处，其数量与微带天线单元相同，且接收天线单元之间为等距排列，接收天线单元与微带天线单元构成了近场传输系统；

馈电网络，馈电网络与微带天线单元设置在一起，并且通过同轴馈线的焊接方式与微带天线单元连通，馈电网络采用功率传输最优化理论以获得的优化激励。

进一步的，微带天线单元为方形线极化微带天线，其馈电方式采用同轴馈电，其基板采用介电常数为4.4、损耗正切角为0.02、厚度为3mm的FR4材料，其天线单元的尺寸参数L＝75.7mm，D＝15mm。

进一步的，微带天线单元预先设置在长宽厚为650mm×120mm×3mm的基板上，基板仍采用FR4材料；微带天线单元间距为160mm。

进一步的，馈电网络的基板同样采用FR4材料，基板的长宽厚为650mm×120mm×1.6mm，馈电网络的基板与预先设置微带天线单元的基板之间贴合设置，且两者之间设置有一个金属地。

进一步的，馈电网络的优化激励获得方式如下：

假设一个由N端口的发射天线阵列和M端口接收天线阵列组成的近场传输系统，整个近场赋形系统可以看成是一个M+N端口网络，并可以通过(N+M)×(N+M)散射矩阵如式(1)表示：

其中，发射天线阵列和接收天线阵列归一化的入射波和反射波可以分别表示为：

字母下标‘t’代表的是发射天线，下标‘r’代表的是接收天线。这里将这个近场赋形传输系统的最大功率传输效率T_array描述为接收天线阵列负载接收到的功率与发射天线阵列总输入功率的比值：

假设接收天线各个单元是完全匹配的，则可以得到[a_r]＝0，通过将其代入式(1)和式(2)中可以得到：

在上式(3)中，(·,·)表示为两个向量矢量的内积，[A]和[B]表示两个阵列，分别为：

当收发系统完全匹配时，接收天线阵列归一化的入射波[b_r]可以表示为：

[b_r]＝[S_rt][a_t] (4)

要得到均匀的电场分布，功率传输效率必须在以下约束条件下求最大值：

因此，近场赋形阵列优化问题可以表示为一个二次约束问题：

其中，x表示[a_t]，上标H表示埃尔米特运算。

然而，公式(6)的求解是困难的。我们引入了n_r×1维的校正矩阵y来代替直接求解公式(6)。因此，公式(6)可以表示为：

其中，矩阵S表示[S_rt]。

我们可以用拉格朗日乘子法求解公式(7)，其解为：

x^*＝A^-1S^H(SA^-1S^H)^-1y (8)

通过求解式(8)可获得接收天线和发射天线阵列之间的最大传输效率，同时得到发射阵列天线最佳激励振幅和相位，并通过设计馈电网络实现

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下技术优势：

由于金属机柜环境对近场分布影响较大，往往造成传统RFID读写器天线近场分布不均匀，从而导致标签的漏读或误读。不同于传统超高频近场RFID读写器天线，本发明设计的四单元阵列天线考虑了金属机柜对天线近场分布的影响，将金属机柜考虑到设计过程中，同时实现天线均匀的近场电场分布。

附图说明

图1是本发明电信机柜结构示意图。

图2是本发明的阵列单元结构示意图。

图3是本发明的阵列单元仿真反射系数。

图4是本发明4单元阵列天线结构示意图。

图5是本发明近场赋形传输系统结构示意图。

图6是本发明馈电网络示意图。

图7是本发明馈电网络和阵列天线侧面连接示意图。

图8是本发明4单元阵列天线实测与仿真反射系数。

图9是本发明4单元阵列天线归一化近场电场仿真与实测结果。

图10是本发明RFID读写测试系统。

具体实施方式

本发明设计的近场RFID读写器阵列天线适用的电信机柜长宽高尺寸为600mm×600mm×900mm。其中机柜除正面外的五个表面被设置为完美导体以简化地模拟真实的机柜环境。标签被放置在通信服务器的棱边处，沿扫描线垂直排列，距离天线阵列200mm，距金属柜正面140mm，如图1所示。读写器天线沿机柜左侧边缘放置，以减少天线占用的空间。考虑到散热与防潮等原因，要求RFID阅读器天线即微带天线单元在电信机柜内垂直读取范围不少于700mm。为避免标签的漏读或误读，目标识别区内(即扫描线处)的电场分布必须尽可能均匀。

由于微带天线加工简单，成本较低，且便于设计和调节的优点，本发明选择方形线极化微带天线单元作为阵列天线单元，馈电方式采用同轴馈电，基板采用介电常数为4.4、损耗正切角为0.02、基板厚度为3mm的FR4材料。天线单元的尺寸参数L＝75.7mm，d＝15mm，具体结构如图2，单元匹配良好，仿真的反射系数如图3。为了满足机柜监控覆盖范围的要求，本发明在一个天线单元的基础上增加了三个相同的微带天线单元，采用四单元阵列天线的结构来达到扫描线处电场均匀的效果。放置微带天线单元的基板仍采用FR4材料，尺寸为650mm×120mm×3mm，微带天线单元间距为160mm，如图4所示。为在目标识别区域的电场分布尽可能均匀，我们在电场扫描线处引入了四个等间距排列的接收天线(测试天线)，单元间距为170mm，这样就构成了如图5所示的近场传输系统,传输系统的性能可以用散射参数来进行描述，所有散射参数均由电磁仿真软件HFSS15.0得到。使用功率传输最优化方法可以得到最大的传输效率和能得到均匀近场分布的激励分布,相应的激励分布可以通过设计馈电网络实现。馈电网络基板同样采用FR4材料，尺寸为650mm×120mm×1.6mm，如图6所示。将4单元微带阵列天线和馈电网络制作好并进行同轴馈线的焊接，阵列天线和馈电网络共用一个金属地，如图7所示。

馈电网络的优化激励(幅值和相位)采用功率传输最优化理论得到，方法如下：

假设一个由N端口的发射天线阵列和M端口接收天线阵列组成的近场传输系统，整个近场赋形系统可以看成是一个M+N端口网络，并可以通过(N+M)×(N+M)散射矩阵如式(1)表示：

其中，发射天线阵列和接收天线阵列归一化的入射波和反射波可以分别表示为：

字母下标‘t’代表的是发射天线，下标‘r’代表的是接收天线。这里将这个近场赋形传输系统的最大功率传输效率T_array描述为接收天线阵列负载接收到的功率与发射天线阵列总输入功率的比值：

假设接收天线各个单元是完全匹配的，则可以得到[a_r]＝0，通过将其代入式(1)和式(2)中可以得到：

在上式(3)中，(·,·)表示为两个向量矢量的内积，[A]和[B]表示两个阵列，分别为：

当收发系统完全匹配时，接收天线阵列归一化的入射波[b_r]可以表示为：

[b_r]＝[S_rt][a_t] (4)

要得到均匀的电场分布，功率传输效率必须在以下约束条件下求最大值：

因此，近场赋形阵列优化问题可以表示为一个二次约束问题：

其中，x表示[a_t]，上标H表示埃尔米特运算。

然而，公式(6)的求解是困难的。我们引入了n_r×1维的校正矩阵y来代替直接求解公式(6)。因此，公式(6)可以表示为：

其中，矩阵S表示[S_rt]。

我们可以用拉格朗日乘子法求解公式(7)，其解为：

x^*＝A^-1S^H(SA^-1S^H)^-1y (8)

通过求解式(8)可获得接收天线和发射天线阵列之间的最大传输效率，同时得到发射阵列天线最佳激励振幅和相位，并通过设计馈电网络实现。图8为天线的S参数的仿真和实测结果，显示天线匹配良好，天线的-10dB以下的回波损耗带宽从900MHz到930MHz。

为验证本发明在金属机柜内近场赋形的效果，我们用两端口的矢量网络分析仪对四单元近场电场赋形阵列天线进行实验测试。天线阵和单极子(测试天线，工作频率在922MHz的鞭状天线)连接到矢量网络分析仪的端口1和端口2。这里采用|S₂₁|来表示归一化电场强度。考虑到金属机柜对阵列天线近场分布的影响，归一化电场强度是在真实的金属机柜环境中测量的。测试天线沿着扫描线移动，通过矢量网络分析仪可以直接获得传输系数，再对测量所得的传输系数进行计算处理，可以得到各个测试点的电平值，对其进行归一化，最终将获得扫描线处的电场分布曲线。图9为四单元近场赋形天线阵列沿扫描线的归一化电场分布的测量和仿真的结果，结果表明吻合良好。为了体现优化方法的效果，我们也在图中给出了当给阵列天线等幅同向激励时扫描线处的电场分布的仿真结果。显然，使用优化方法激发的四单元阵列天线具有最佳性能，扫描线处电场强度变化小于1.5dB，并且在1.5dB处测量的归一化场的宽度为710mm，而此时天线的长度仅为650mm。

为了验证RFID读写器阵列天线在电信机柜应用中的读写效果，将其与读写器和计算机相连组成RFID读写系统。测试的RFID标签放置在目标识别区域内，保持与发射天线的极化一致，并沿着扫描线垂直排列，如图10所示。当带有标签的通信服务器被放置在机柜的目标识别区域时，它们都可以被设计的近场RFID天线识别。

本发明设计了一款应用于智能电信机柜的工作频率为922.5MHz的4单元近场电场赋形阵列天线。基于功率传输最优化理论，通过在目标识别区域引入接收天线，计算出发射天线阵列最优的激励分布，从而使得目标识别区域处形成比较均匀的近场电场分布，电场强度变化小于1.5dB，并且在1.5dB处测量的归一化场的宽度为710mm，而此时天线的长度仅为650mm。本发明优化方法可以应用于任何形式的天线单元，并且充分考虑了金属机柜对近场分布的影响，将金属机柜带入设计过程进行一体化设计。由于采用了阵列天线的形式，本发明可以适应不同尺寸的机柜。