关键字：方向图辐射方向可调控; 铰链型天线; 感知物联网; 电磁带隙; RFID; FEM
A hinge?type and radiation?pattern?reconfigurable antenna for cognitive Internet of Things application
XU Shou?hui， QIU Fang， WANG Zi?xu
（Xiamen Xindeco IOT Technology Co.， Ltd.， Xiamen 361009， China）
Abstract： A hinge?type ultrahigh frequency RFID （radio frequency identification） antenna with reconfigurable radiation pattern is proposed for cognitive Internet of Things （CIOT）. The antenna is a dipole antenna applied to metal object. It was analyzed with FEM （finite element method）. The hinge?type structure enables the dipole antenna to be rotatable and by rotating the angle between the two antenna arms from 0 degree to 90 degree. Its radiation pattern can be reconfigured form 40° to -90°（assuming the axis vertical to ground is 0°）. Moreover， EBG （electromagnetic band?gap） structure is applied to realize further reconfigurable radiation patters. Specifically， taking 60° 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 in an experiment by performance measurement system.
Keywords： reconfigurable radiation pattern; hinge?type antenna; cognitive IOT; EBG; RFID; FEM
0 引 言
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5个带U型槽的扇环形寄生贴片的连接，以实现5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。在应用于金属物体的标签天线的研究方面， 文献[7] 利用PIFA天线的原理，设计了一种基于微带天线结构的抗金属标签天线。 文献[8]将标签贴合在5 mm厚度的泡沫介质上，置于金属表面，利用金属表面作反射板增加了天线的读取距离。以上工作一定程度上实现了RFID标签天线应用于金属环境的功能，但并不能同时实现方向图可重构功能。
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。
1 铰链型偶极子天线
该“铰链型”天线为两层结构，如图2（a）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°，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°，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（见图2（b）。
图2 “铰链型”天线图示
2 可重构方向图
铰链型可旋转偶极子天线的方向图指向随着其旋转角度的增加而变化，其原理如图3所示。图3（a），（b）为带有地板的半波长偶极子天线的电流分布和辐射方向图。其中，电流分布为;
[Iz=I0sinkL2-z， 0≤z≤L2]
[Iz=I0sinkL2+z， -L2≤z≤0]
相应地其方向图电场分量为;
[Eθ=jηI0e-jkrcosπcosθ22πrsinθ]
图3 半波偶极子可旋转铰链型天线
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（b）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4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5 可重构方向图
3 可调阻抗
图6 阻抗实部随天线翻转角度的变化
4 EBG对方向图的调控
图7 阻抗虚部随天线翻转角度的变化
图8 PBG方向图可重构天线
图9 方向图随EBG网状小孔的面积变化
5 实验测试
图10 制造样品图示
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°（270°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。
图11 不同翻转角度的灵敏度测试值
图12 EBG不同孔径大小的灵敏度测试值
6 结 语
参考文献
[3] MONTI G， CORCHIA L， TARRICONE L. A microstrip antenna with a reconfigurable pattern for RFID applications [J]. Progress In Electromagnetics Research B， 2012， 45： 101?116.
[6] 王安国，蔡晓涛，冷文.带寄生贴片的圆盘形方向图可重构天线设计[J].电波科学学报，2011（6）：1181?1186.
[7] 陈志芳，万德松，胡呕.一种小型化UHF RFID抗金属标签天线的设计[J].现代电子技术，2011，34（6）：83?85.
[8] 高浩，郭勇.金属表面超高频RFID印刷标签天线设计[J].现代电子技术，2011，34（7）：105?107.
