[0001] 本实用新型涉及超高频RFID和天线技术领域，尤其涉及一种圆形相控阵天线，以及基于该圆形相控阵天线的超高频RFID室内定位系统。

[0002] 超高频RFID技术是一种近距离的无线通信技术，一般通信距离可达10m左右。它是由读写器和无源标签构成的通信系统，读写器发射频率在915MHZ的载波激活标签并和标签进行通信，标签从读写器的电磁场中获取能量并反向散射自身的调制信号被读写器接收。

[0003] 目前室内定位技术主要有UWB超宽带定位、WIFI定位、蓝牙AOA定位和地磁定位等。超高频RFID定位相对于他们的一个优势在于成本低廉部署方便，无源RFID标签体积小成本低，适合贴在不同物体的表面，而且标签不需要电池供电，没有后续维护的成本。另外超高频RFID技术可以同时对成百上千个标签同时进行盘点，特别是在物流行业里面对多个物品同时进行定位，在效率上具有很大的优势。

[0004] 通过标签返回信号的RSSI值来估算目标标签的位置是超高频RFID定位算法之一，但是这类算法容易受到RSSI值波动的影响。通过波束角度来定位近年来也越来越多地被应用于各种室内定位系统中，想要获得高的定位精度就需要窄的波束宽度，目前现有技术为了获得窄的波束宽度，一般采取增加多组天线阵元或者采用复杂的功率和相位组合来实现。在915MHZ频段增加多组天线阵元会使得产品尺寸变得很庞大不利于生产应用；使用复杂的功率和相位组合需要在每个阵元前面的射频电路中增加昂贵的数字功率衰减器和数字移相器，使得电路复杂化并且产品成本增加。

[0036] 下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的阐述：

[0037] 如图1所示为基于圆形相控阵天线的超高频RFID室内定位系统的结构框图，包括超高频RFID定位基站、网络交换机和上层控制设备。

[0038] 所述超高频RFID定位基站包括超高频RFID读写器和圆形相控阵天线。所述超高频RFID读写器支持ISO18000‑6C协议，可对标签进行盘点，获取标签的EPC等数据。超高频RFID读写器通过网络交换机接收上层设备的控制指令，通过射频接口和控制接口与相控阵天线连接，射频接口用于传输盘点信号，控制接口用于控制相控阵天线的波束扫描。射频接口使用射频同轴线连接，控制接口由超高频RFID读写器输出十六路GPIO对移相电路进行移相控制。

[0039] 所述圆形相控阵天线包括功率分配网络、移相电路和圆形阵列天线。所述功率分配网络由四级共八个二等分威尔金森微带功分器组成，如图2所示。超高频RFID读写器将功率馈入威尔金森功分器1，之后分为两路，一路连接移相器1然后馈入天线1，另一路馈入威尔金森功分器2。威尔金森功分器2输出两路，分别馈入威尔金森功分器3和威尔金森功分器4；威尔金森功分器3输出两路，分别馈入威尔金森功分器5和威尔金森功分器6；威尔金森功分器4输出两路，分别馈入威尔金森功分器7和威尔金森功分器8。威尔金森功分器5输出两路，分别连接移相器2和移相器3，然后分别馈入天线2和天线3；威尔金森功分器6输出两路，分别连接移相器4和移相器5，然后分别馈入天线4和天线5；威尔金森功分器7输出两路，分别连接移相器6和移相器7，然后分别馈入天线6和天线7；威尔金森功分器8输出两路，分别连接移相器8和移相器9，然后分别馈入天线8和天线9。因此馈入天线1 9的功率比为8:1:1:
~
1:1:1:1:1:1；同时调节各功分器的微带线长度，使得电磁波到达移相器1 9的输入端口保~
持同相，即保证天线1 9的激励相位只受移相器1 9控制。
~ ~

[0040] 所述移相电路基于反射式移相原理，包括一个3dB混合耦合器、两个单刀四掷射频开关、两个电容和两个电感，如图3所示。P1是移相器的输入端口，连接威尔金森功分器；P2是移相器的输出端口，连接天线；P3和P4是混合耦合器的两个正交端口，分别连接两个单刀四掷开关；每个单刀四掷开关有四个输出端口，本发明只用到其中三个端口，这三个端口分别连接一颗电感、开路和一颗电容，其中电感 QUOTE   ，电容 QUOTE  ，作为等反射负载。超高频RFID读写器输出控制IO1和控制IO2，同步控制这两个单刀四掷开关，使得他们同时切换到电感、开路或者电容负载状态。在射频电路中，电感、开路和电容都是对应全反射负载，有用信号从移相器P1端输入，从P2端输出，信号的幅度几乎保持不变，信号的相位变化取决于反射负载的相角。设负载阻抗 QUOTE   ， QUOTE
  ，反射系数为 QUOTE  
，移相角度 QUOTE  可由下式确定： QUOTE  
且 QUOTE   。在史密斯圆图中，开路
对应的移相角度为0°，电容对应的移相角度为负值，电感对应的移相角度为正值，根据上式选择合适的电感和电容值即可得到需要的移相角度。作为优选，选择合适的电容值使得对应的移相角度为‑135°，选择合适的电感值使得对应的移相角度为135°，因此对应电容、开路和电感三种负载，移相器有‑135°、0°和135°三种相位状态。

[0041] 所述圆形阵列天线是由九个频率在915MHZ的微带贴片天线组成相似阵，分别与九个移相电路相连接，如图4所示。天线阵元1作为主阵元连接移相器1，天线阵元2 9作为辅阵~元分别连接移相器2 9。九个微带天线的分布按照以下规则：天线1放置在圆心位置，天线2~ ~
9分别放置在方向角位0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°的位置，它们到天线1的中心距离相等为二分之一915MHZ的空气波长。此天线阵列可形成九个波束宽度45°互不重叠波束方向，即一个倾角90°的波束和八个倾角45°方位角分别为0°、45°、90°、135°、180°、
225°、270°、315°的波束。当九个天线阵元的相位都是0°时，天线阵列形成一个倾角为90°的波束，朝向定位基站的正下方；当以某一个圆周振元所在方向为前，将包括中心振元在内的
9个振元由前到后，每三个振元一组分为前、中、后三组，并且前、中、后三组振元对应的移相电路相位分别为‑135°、0°、135°时，圆形阵列天线在前方形成一个倾角为45°的波束。

[0042] 具体地要形成倾角为45°方位角位0°的波束时，将移相器1、4和8的相位配置为0°，移相器2、3和9的相位配置为‑135°，移相器5、6和7的相位配置为135°；要形成倾角为45°方位角位45°的波束时，将移相器1、5和9的相位配置为0°，移相器2、3和4的相位配置为‑135°，移相器6、7和8的相位配置为135°；要形成倾角为45°方位角位90°的波束时，将移相器1、2和6的相位配置为0°，移相器3、4和5的相位配置为‑135°，移相器7、8和9的相位配置为135°；要形成倾角为45°方位角位135°的波束时，将移相器1、3和7的相位配置为0°，移相器4、5和6的相位配置为‑135°，移相器2、8和9的相位配置为135°；要形成倾角为45°方位角位180°的波束时，将移相器1、4和8的相位配置为0°，移相器5、6和7的相位配置为‑135°，移相器2、3和9的相位配置为135°；要形成倾角为45°方位角位225°的波束时，将移相器1、5和9的相位配置为0°，移相器6、7和8的相位配置为‑135°，移相器2、3和4的相位配置为135°；要形成倾角为
45°方位角位270°的波束时，将移相器1、2和6的相位配置为0°，移相器7、8和9的相位配置为‑135°，移相器3、4和5的相位配置为135°；要形成倾角为45°方位角位315°的波束时，将移相器1、3和7的相位配置为0°，移相器2、8和9的相位配置为‑135°，移相器4、5和6的相位配置为135°。各阵元组间的相位差135°和阵元的间距 QUOTE  决定了波束倾角 QUOTE   的大小，即 QUOTE   ，得 QUOTE   ≈45°。

[0043] 如图5所示是倾角90°波束、倾角45°方位角0°波束和倾角45°方位角180°波束的截面示意图，可以看出这三个波束互相不重叠，很容易联想到其他六个倾角45°方位角45°、90°、135°、225°、270°和315°的波束和它们也互不重叠。倾角90°朝向正下方波束的覆盖范围是以基站正下方为圆心半径为 QUOTE   的圆，其中 QUOTE  
；倾角45°方位角0°的波束覆盖范围是半径 QUOTE   到半径 
QUOTE   的扇面，其中 QUOTE   。如图6所
示为倾角45°方位角0°的波束仿真图，如图7所示为倾角45°方位角0°的波束3dB带宽仿真图，从图中可以看到波束倾角为90°‑m1=48°，与理论值45°稍有偏差，波束3dB带宽为m3‑m2=
46°。

[0044] 所述网络交换机通过网络接口连接各个定位基站，再将所有定位基站连接到上层控制设备。

[0045] 所述上层控制设备用于对各个定位基站下发定位指令，并接收各个定位基站上传的数据，包括基站编号、标签EPC和标签对应的波束角度，根据同一个标签被不同定位基站扫描到的不同方位角即可定位标签的具体位置。

[0046] 上述实施例对本实用新型的具体描述，只用于对本实用新型作进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述实用新型的内容对本实用新型做出的一些非本质改进和调整均落入本实用新型的保护范围内。