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自重构RFID读写器天线
摘要 - 本文提出了一种自重构开关波束RFID读写器天线的概念及其实验。 本文介绍的具体天线是一个平面二元八木阵列天线，其中寄生元件装载有一个由天线信号本身无线供电的自激振荡开关电路。 一旦这个阅读器天线被馈送足够功率的RF信号，电路就开始振荡，在两个复数阻抗值之间切换，从而改变天线的辐射方向图。 我们描述了一个包括建模和仿真在内的操作理论，并提供了一个工作在900MHz频率的在两个不同波束之间来回切换和峰值增益为4.5dBi的天线原型。
一、简介
我们对RFID阅读器的可重构天线存在强烈的兴趣，特别是可用于更好的标签定位的波束控制天线[1-7]。一般而言，具有电子可重构定向模式（如相控阵列）的天线早已被人们所知和使用[8-13]。这种天线通常具有使用一些RF开关或控制天线特性的可变组件（例如压控电容器）进行电子切换的元件[14]，而且需要直流偏置线路或直流偏置射频馈送来控制和开关开关[15]，典型例子是带有无源阵列辐射器的电子可控阵列，也被称为ESPAR[16-27]。
最近，一个无线可重构天线的理论概念被提出[28]，其中寄生元件上的无线供电开关通过调制嵌入到天线传输中的信号来控制。实际上实现这个概念的困难是需要额外的协议来控制交换机，以及这种智能交换机本身的复杂性。
在本文中，提出了另一个概念：自身可重构天线，其中寄生元件装载有自激振荡开关电路。 这个由RF供电的电路在两个复数阻抗值之间周期性地切换，基本上将寄生元件变成导向器或反射器。当这样的天线馈送RF信号时，它“活着”并开始振荡，在两个辐射模式之间切换。
我们介绍了这种天线的一个实际应用：一个二元素的平面八木阵列天线，可以用作两个不同切换光束的RFID阅读器天线，例如，在两个不同的方向自动扫描标签。 本文提出的思想已经在我们正在申请的专利申请书中进行了描述[29]，据我们所知，这是IEEE文献中第一次描述这种天线概念。
二、设计
A.一般考虑
已知的平面八木的可重构开关波束天线的实现含有三个或更多个天线元件并且需要两个或更多个开关来操作[30-34]。在我们的设计中，我们需要能够仅使用一个无线供电和自振荡开关来切换天线波束，因此，选择一个由两个不同长度元件组成的二元八木天线，如图1所示。加载寄生元件的电路在两个复数阻抗值之间振荡，基本上将其转换为导向器或反射器，并进行转向，主天线的方向为180度。
图1.带有开关电路的自重构二元八木天线
与RFID标签天线设计过程类似，我们将首先定义和设计一个RF电路，然后定义和设计一个天线来操作它。
B.电路设计
我们想要的电路必须是一个RF供电的电路，它自激振荡以周期性地开启和关闭前端调制器。 尽管确实存在很多方式来实现这样的电路，但是一种简单的方法是创建馈送电阻器-电容器（RC）定时电路的RF-DC功率收集电路，其电压由比较器感测，该比较器周期性地触发放电存储电容器通过打开前端的PIN二极管。一般电路框图如图2所示。
图2.开关电路的框图
详细电路原理图如图3所示。功率采集电路是用于许多RFID标签前端和无线功率采集电路中的标准多级RF-DC转换器[35,36]。第一级的输出对定时电路（由电阻器R2和R3以及电容器C7定义）充电，而两个附加级为比较器U1提供更高的电源电压。后者由电阻R4和R5以及比较器内部二极管定义的滞后和参考电压阈值进行设置。迟滞是需要的，以便电路振荡而不是稳定在稳定状态。当电容器C7上的电压超过设定的阈值时，比较器跳闸并导通PIN二极管D1（通过电阻器R1和电感器L1偏置），这大大减少了RF-DC转换器可用的RF功率的量和 C4上的电压。结果，电容器C7开始放电，一旦电压下降到足够低，比较器就跳回来，循环重复。因此，电路振荡并调制其RF输入端口，类似于调制其天线端口的RFID标签IC。
图3.开关电路原理图
虽然射频开关有许多选择[37]，但PIN二极管[38,39]仍然是可重构天线中最常用的元件，所以在此使用[21,23,24,40]。该电路有意地使用标准的现成元件（SMP1320 PIN二极管[41]，HSMS 2852肖特基二极管[42]，MAX931比较器IC[43]，电阻器，电容器和电感器）进行设计、制作和研究。
由于这里介绍的天线是用于高功率的固定式RFID阅读器，所以电路被有意设计成以较高的功率电平开始振荡。选择元件的具体数值（例如电阻R5和R4，设置0.3 V滞后带以内部1.182 V比较器参考电压为中心），以便当电路以900MHz频率、10dBm功率的非调制RF信号驱动时，以大约0.5赫兹的频率振荡，每个开关状态下需花费大约1秒钟。电路振荡所需的最小阈值输入RF功率约为7dBm。改变频率或增加调制会影响这个门限，因为这个电路的输入阻抗（就像RFID芯片的输入阻抗一样）是频率和平均吸收功率的函数
C.电路原型
开关电路原型（手工构建）在边缘安装SMA RF插孔连接器（便于测试）的15mm x 20mm尺寸的PCB上，如图4所示，连同SMA公头转SMA连接器一起用于连接 到天线。
图4.开关电路原型
开关电路的两个阻抗状态在网络分析仪的参考平面（图4中用虚线表示）处测量，并在图5中的史密斯圆图上显示（状态1显示了两个网络分析仪输出功率电平为-10dBm和10dBm，而状态2显示为一个功率电平为10dBm）。
图6显示了使用标准方程计算的阻抗匹配（功率传输）系数，通常用于RFID。其中Zg= Rg jXg是发生器（网络分析仪）阻抗，并且Z1=R1 jX1是负载阻抗。可以看出，在900MHz时，功率传输系数约为-3.2dB，因此状态1的电路所吸收的功率约为6.8dBm。
图5.开关电路的两种阻抗状态
图6.阻抗匹配系数
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Complex impedance at 900 MHz |
8.15-j1.07 Ohm |
27.8 j39.3Ohm |
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Rseries |
8.15 Ohm |
27.8 Ohm |
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Xseries |
165 pF |
6.95 nH |
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Rparallel |
8.29 Ohm |
83.36 Ohm |
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Xparallel |
2.81 pF |
10.43 pF |
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Impedance matching coefficient |
-3.17 dB |
-1.36 dB |
表I.射频开关阻抗状态
表I显示了在900 MHz频率和10dBm功率电平下测得的RF开关电路阻抗值。等效并联电路值的计算是使用在线阻抗计算器完成的[45]，那些值将被用于天线的设计中。
为了确认电路正常振荡，我们测量了比较器U1的引脚8上的电压，同时使用来自信号发生器的900MHz和10dBm未调制RC-CW信号驱动电路。 该电压正在调制前端的PIN二极管。 使用Tektronix TDS 360示波器记录波形（不支持现代I/O格式，因此使用屏幕照片生成图7中的图）。
图7.当电路以900 MHz 10 dBm信号驱动时，比较器U1的引脚8上测得的电压
D.天线设计
现在，从测量中可以知道物理开关电路的射频前端（包括寄生效应）的输入阻抗，可以使用表I中列出的两个集总复数负载值来设计开关天线。
天线是使用HFSS进行设计、建模和仿真的[46]。带有两个边缘安装SMA RF连接器的天线型号如图8所示。它由140mm长的驱动元件和120mm长的寄生元件组成。两个元件都是5mm宽的平面铜迹线，在30mil的 FR4介质板（介电常数为4.4）上相隔60mm。端口1是天线的输入端口，端口2是开关电路连接的地方。该天线被设计为在900MHz的频率下连接开关电路负载。天线设计中的两个主要考虑因素是确保天线能够以20dBm功率的射频源工作，同时为开关电路提供足够的功率，并在电路在两种状态之间切换时实现辐射模式的显着变化。
图8. HFSS中的天线模型
图9和图10显示了表I中列出的开关电路的两种不同状态的E面和H面的辐射方向图。可以看出，状态2的峰值天线增益约为3.5 dBi，状态1的峰值天线增益约为4.5dBi（二元八木配置的最大理论增益为5dBi）。根据开关的状态，天线方向图切换（旋转）180度。
图9.在两个状态下，在E平面（XY平面）900 MHz处的仿真天线辐射图
图10.在两个状态的H平面（YZ平面）中在900 MHz下的模拟天线辐射方向图
E.天线原型
天线根据HFSS模型原型，在30mil的FR4基板上使用铜迹线。 原型天线如图11所示，开关电路连接到端口2。
图11.原型天线
图12显示了天线的测量和模拟的S参数。 可以看出，结果与实验测量结果非常吻合。 为了达到这个准确度，HFSS中使用了SMA RF连接器的详细模型。
图12.天线的测量和模拟S参数
图13显示了当天线载入开关电路时天线的测量和模拟S11。由于网络分析仪的最大输出功率仅为10dBm，为了执行状态2的测量，我们通过连接到外部2 V电压源的外部22 K电阻偏置PIN二极管D1。这使我们能够在状态2下逼近正确的输入阻抗，其中PIN二极管被偏置（通过R1和L1，参见图3）与该电压（见图7）。
图13.表I中规定的两种状态下天线的测量和模拟S11
三、验证
我们首先通过构建图16所示的实验装置来验证我们的自可重构天线原型的开关波束行为。射频信号发生器（HP DSG-E3000A）通过低损耗同轴电缆将20dBm 功率和900 MHz频率的信号传输到天线。连接到RF频谱分析仪（HP 8593E）的接收偶极天线距离天线中心4英尺（1.2米）。我们观察到，在开关周期期间，如图9和图10所示的模拟辐射图所预期的，自重新配置天线的最大增益波束方向（对应于状态1）的接收RF功率改变了大约3dB。装有开关电路的2端口天线也可以表示为图14所示的等效电路，为此可以使用众所周知的公式来计算换能器功率增益GT：
图14.自重构天线的等效电路
使用模拟的Z参数，在10 dBm网络分析仪功率电平（见图5），网络分析仪阻抗（50 Ohm）和阻抗匹配系数（见图6）下测得的负载阻抗，我们可以很容易地计算出每个频率的功率进入天线的输入端口，以获得在每个状态下在开关电路中吸收的特定量的功率，如图15所示。例如，在900MHz，输入RF功率为20dBm的情况下，状态1的电路为6.83dBm。
图16.验证自重构天线的开关波束行为的实验装置
我们还使用中描述的方法测量了自重构天线的辐射方向图，其中将传导的RFID标签连接到被测天线[49]，使得所产生的等效RFID标签的阈值灵敏度和辐射方向图可以使用标准RFID标签测量设置进行测量。为此，我们使用了Voyantic Tagformance Pro RFID测量设备和自动标签旋转系统以及线性极化贴片天线。导入的标签是基于Impinj Monza 2 ASIC，匹配到50欧姆，如图17所示。这个标签的测量回波损耗和阈值灵敏度如图18所示。
图17.用于图案测量的传导标签
图18.传导标签的阈值功率灵敏度（dBm）和回波损耗（dB）
对于辐射模式测量，传导标签连接到端口1，开关电路连接到自可重构天线的端口2[50]。为了正确测量状态2的辐射方向图，我们需要再次逼近状态2的开关电路的输入阻抗，U1的引脚8的平均电压为2 V（见图7）。要做到这一点，我们再次通过连接到外部2 V电压源的外部22 K电阻对PIN二极管D1进行偏置，但这次是一个带电阻分压器的小型3 V钮扣电池，放置在开关电路的底部板。图19显示了实验装置的图和照片。
图19.测量自重构天线辐射图的实验装置图
图20.用于测量自重构天线的辐射图的实验装置的照片
使用上述方法在H平面测量自重构天线的辐射图，如图20所示。径向尺度是标记灵敏度，从-8dBm到-16dBm不等。 可以看出，测量结果与图10所示的模拟结果是合理的一致的。例如，在900MHz下的传导标签灵敏度约为-10.5dBm，因此在状态1下测得的峰值标签灵敏度为-14.5dBm对应于天线增益约为4dBi。开关波束模式是这种天线在用20dBm功率和900 MHz 频段RF信号驱动时期望显示的。这些结果验证了本文提出
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