ABSTRACT

A hinge-type RFID (Radio Frequency Identification) chip antenna with reconfigurable radiation pattern is proposed for Cognitive Internet of Things (CIOT). As analyzed using FEM (Finite Element Method) the hinge-type structure enables the dipole antenna to be rotatable and by rotating the angle between the two antenna’s arms from 0˚ to 90˚, its radiation pattern can be reconfigured from 40˚ to −90˚ (assuming the axis vertical to ground is 0˚). Moreover, EBG (Electromagnetic Band-Gap) structure is applied to realize further reconfigurable radiation patterns. Specifically, taking 60˚ degree as an example, by tuning the size of rectangular hole of EBG, its radiation patterns could be tuned ±30˚. The reconfigurable radiation pattern is qualitatively verified by experiment using Tagformance measurement system.

Keywords:Reconfigurable Radiation Pattern, EBG, Hinge-Type Antenna, CIOT, RFID, FEM

应用于感知物联网的方向图
可重构超高频RFID标签天线

徐守辉，邱  方，王子旭

厦门信达物联科技有限公司，厦门

Email: shouhuixu@263.net

收稿日期：2014年11月21日；修回日期：2014年12月18日；录用日期：2014年12月24日

摘  要

本论文提出了一款新颖的应用于感知物联网(CIOT, Cognitive Internet of Things)的方向图可重构的RFID (Radio Frequency Identification)超高频电子标签天线。该RFID超高频电子标签天线为应用于金属物品的偶极子天线，创新之处在于：1) RFID超高频电子标签天线采用汉字结构；2) 偶极子天线应用“铰链型”可旋转结构，在0˚(90˚范围内调控超高频电子标签天线的偶极子臂的夹角，进而实现电子标签天线的阻抗实部在0(90 ohm范围以及虚部在150(260 ohm范围内可调，方向图在边射(约0˚)和前向端射(约−90˚)范围内调控；3) 在该超高频天线偶极子臂夹角固定为某一特定角度(以60˚为例)的前提下，通过在”铰链型”天线的上层加一层介质和电磁带隙栅格结构(EBG, Electromagnetic Band-Gap)进一步调控方向图的辐射方向(以60˚夹角为例，可进一步调控30˚(40˚)。实际测试结果验证了RFID超高频电子标签天线的可翻转偶极子臂对方向图的调控性，以及EBG结构对方向图辐射方向的可调控性。本文探索了可重构天线在RFID超高频电子标签天线的延伸，尤其提出并验证了可翻转偶极子臂以及EBG对RFID超高频电子标签天线的方向图及方向图辐射方向的可调控性能。

关键词

方向图辐射方向可调控，“铰链型”天线，感知物联网，“汉字型”天线，电磁带隙，RFID

1. 引言

物联网是通过RFID (Radio Frequency Identification)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，将物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”[1] [2] 。从拓扑结构上来看，它包含感知层网络层和应用层。对于感知层而言，如何准确便捷智能的实现识别是物联网最基本而最重要的研究方面之一。如图1中所示，处于无线覆盖区域之内的物体被识别进而进行相关数据的读写，然后以无线通信的方式传入互联网，实现信息互联。从图1可以看出，作为接受和发射无线信号的天线是RFID的核心关键技术，天线的各项特性及形态大小，极大程度地影响了自动识别的准确度和速率。特别是对于天线的方向图而言，具备可重构功能的天线方向图的RFID超高频电子标签，可以通过天线方向图的可重构功能使得天线始终指向最大功率接收方向，不但可以提高自动识别的准确度和速率，也同时减少了RFID电子标签的功耗。

针对方向图可重构的RFID超高频电子标签天线，许多学者做了一些有意义的研究工作，文献[3] 应用PIN二极管组成微带阵列，通过控制PIN二极管的通断，来改变阵列方向图的指向。文献[4] 应用二极管连接两个方向图形状不相同的部分，通过二极管的通断合成不同的方向图。文献[5] 通过开关实现单极子和带反射器的偶极子两种工作方式，进而改变天线的辐射方向图，以实现在单极子辐射全向方向图和带反射器的偶极子辐射方向图之间切换。文献[6] 通过控制开关的状态控制中心的圆形贴片和周围环绕的五个带U型槽的扇环形寄生贴片的连接，以实现五种不同的定向方向图。以上工作积极探索了方向图可重构的天线的研究，但大多都采用开关，这样增加了功耗和损耗，也增加了天线的复杂度。

本文方向图的调控基于两方面：1) 汉字型偶极子天线：其一个辐射臂可转动一定角度，同时增加天

图1. 认知物联网

线的介质基片的厚度，以填补旋转后的天线臂与介质的间隙，即可以实现天线的辐射方向图的调控。2) 在汉字型天线的一条辐射臂在旋转的同时，并通过控制此旋转臂上方的周期性电磁带隙结构，即同时旋转该周期性电磁带隙结构即可进一步调节天线的辐射方向图。本文所使用的电磁带隙结构为周期性分布的矩形孔。以上两种方法简单、实用，且制作成本低。

本文的创新点在于：1) 为了与现有市场上具有较大的容性的RFID芯片的阻抗匹配，采用弯折较多的汉子型结构，并且使用公司汉字名称中的：“信达物联”，将天线隐藏于公司名称的商标中，简单、方便、美观，在具有创新性的同时也具有较强的实用性；2) 利用RFID电子标签天线基材PET(Polyethylene Terephthalate)材料的柔软可弯折性，实现天线臂的弯折旋转，达到方向图辐射方向的可调控性目的；3) 使用电磁带隙结构调控天线辐射方向图。

2. 铰链型天线

该“铰链型”天线为两层结构，如图2(b)所示。第一层为介质基板，基板的上侧的天线为第二层，天线类似为偶极子天线。天线一般是蚀刻金属层或金属浆形成的，蚀刻的电子标签天线的形状为“厦门信达物联网科技有限公司”的中文简称：“信达物联”。其中，“信达物联”四字中，“信达”二字为电子标签天线的一个辐射臂，“信”字旋转90度，与“达”字垂直；“物联”二字为电子标签天线的另一个辐射臂，“联”字旋转90读，与“物”字垂直。“信达物联”四字为汉字的行书格式，相邻汉字之间彼此相连，连接线上设计有弧形以调节容感性，连线上设有断开间隙，断开间隙的两侧设有天线馈电点。因该天线为二维结构，电子标签天线的两辐射臂相互垂直，分别位于两个垂直的平面上。在实际应用中将该二维天线贴于物流应用的金属箱体表面(如图2(a)所示)。

3. 可重构方向图

方向图的可重构基于以下两点：1) 该铰链型天线的基板为柔软折叠的PET基板；2) 天线由蚀刻金属层或金属浆形成，可与PET基板一起折叠翻转。实际操作中，物流应用环境中(如图2(a)所示)，天线贴于长方体的两个垂直侧面上，置于其中一个侧面的天线部分翻转一定角度，翻起后天线与侧面的空间填充介质，另一个侧面上的天线部分保持不变，从而实现天线旋转(如图3所示)。随着天线一个臂旋转一定角度，应用有限元法(FEM)进行分析其辐射方向图辐射指向不同方向(如图4所示)。图4显示了随着天线臂0度，20度，40度，60度等不同角度的翻转，辐射方向图的指向分别为大约35度，−40度(320度)，−60度(300度)，−90度(270度)。图4充分说明了方向图的可调特性。

图2. (a) 天线附着于金属环境箱体；(b) RFID天线；(c) 天线可旋转臂

图3. 可旋转天线偶极子臂

图4. 可重构方向图

4. 可调阻抗

另一方面，随着天线臂的翻转，天线阻抗的特性如图5，图6所示。从图5可以看出，随着天线臂0度，20度，40度，60度的翻转，天线阻抗的实部的变化范围为5 ohm至90 ohm。该变化范围涵盖了RFID常用芯片的实部阻抗。同样的在天线臂翻转0度至60度的范围内，从图6中可以看出RFID天线的虚部的变化范围为150 ohm至260 ohm。该变化范围，符合匹配RFID电子标签天线常用的芯片阻抗的虚部的范围。

5. EBG对方向图的调控

为了进一步调控方向图，EBG被引入天线设计以进一步探索对方向图辐射的调控的方法。EBG被常用于优化天线的增益[7] [8] 。本文中EBG结构被应用以调控方向图。EBG结构的研究基于该RFID天线臂转动60度后(如图7)。如图7所示，在紧贴天线上层添加一个基板，基板材料可为PET材料、Fr4、或陶瓷等。此基板与天线第一层基板相互平行。在天线之上的基板上为金属电磁带隙矩形周期性结构。EBG结构为在尺寸为72.5 mm × 67 mm的金属板上挖去7 × 6阵列的矩形小孔而形成的网状结构。图8为当标签天线臂转动60度后电磁带隙矩形周期性结构中矩形小孔面积变化对电子标签方向图辐射的调控。从

图5. 阻抗实部随天线翻转角度的变化

图6. 阻抗虚部随天线翻转角度的变化

图7. PBG方向图快重构天线

图8. 方向图随EBG网状小孔的面积变化

图8中可以看出在电磁带隙矩形周期性结构中矩形形状大小从3 mm × 3 mm，3 mm × 5 mm，3 mm × 7 mm变化的过程中，方向图指向从−50度(310度)变化到−90度(270度)度到−115度(245度)。

6. 实验测试

应用厦门信达物联公司的制造测试系统,制造的样品如图8所示。两块尺寸为80*79*1.6 mm的普通FR4板材，并将之拼成一定角度(旋转0˚，20˚，40˚，60˚)，如图8(a)~(c)所示。金属线型层天线为铝蚀刻天线，该天线为“信达物联”字样(图9(a))，尺寸为80 × 26 mm，且与IMPINJ MONZA5芯片匹配，如图9(b)，图9(c)所示。由于实验设备局限，天线的阻抗以及方向图无法直接测量；本次验证测量，采用公司RIFD电子标签专业仪器Tagformance测试系统，对RFID电子标签的灵敏度进行测试，进而来判断RFID电子标签天线方向图的不同指向。具体测试了四种情况(旋转0˚，20˚，40˚，60˚)，通过接受的灵敏度的大小可判断该方向方向图的增益大小，进而可以定性的描述出方向图的指向。测试的设置如下：

1) RFID电子标签天线距离Tagformance仪器接收天线3 m左右；

2) Tagformance仪器接收天线置于电子标签天线−90度(270度方向)辐射方向，即“铰链型”天线旋转60˚后辐射方向图应指向的方向；

3) 保持Tagformance仪器接收天线不动，以此翻转RFID标签天线一臂0度，20度，40度，60度测试其接收电平如图10所示。

从图10可以看出，随着电子标签天线臂从0度翻转到60度，其接收电平依次升高，从符合图4所示方向图的指向变化，进而定性的验证了方向图的指向可重构性。同样的位置和同样的测试方法，不同EBG孔径大小对于方向图辐射方向的影响如图11所示。从图11可以看出，当测试方向是−90度方向时，

图9. (a) 汉子型天线；(b) “铰链型”天线；(c) 加载EBG“铰链型”天线

图10. 不同翻转角度的灵敏度测试值

图11. EBG不同孔径大小的灵敏度测试值

孔径大小为3 mm × 5 mm时，接受电平为最高，说明其最大辐射方向靠近−90度方向，孔径大小为3 mm × 7 mm，3 mm × 3 mm的接受电平依次减小，定性的验证了图8的仿真结果。

7. 结论

本文提出了一款基于汉字型的RFID超高频电子标签天线，通过翻转天线的一臂实现了方向图指向的可重构，更进一步的通过EBG矩形孔网状的引入，翻转60度后的标签天线的方向图可从−50度(310度)调控到−90度到−115度(245度)。通过Tagformance仪器对RFID标签天线的接受电平随RFID电子标签天线臂翻转而变化，定性的验证了方向图的可调控性。

参考文献 (References)