一種近場(chǎng)射頻識(shí)別閱讀器天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種近場(chǎng)射頻識(shí)別閱讀器天線，天線包括四個(gè)輻射單元和一個(gè)功分饋電單元；所述功分饋電單元通過金屬過孔連接到所述輻射單元上；所述四個(gè)輻射單元采取1∶4等幅同相饋電的饋電方式，電流分布等效為同向電流分布的電大尺寸環(huán)圈天線上的電流。采用本發(fā)明，能滿足近場(chǎng)UHF?RFID系統(tǒng)的需要。
【專利說明】一種近場(chǎng)射頻識(shí)別閱讀器天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及閱讀器天線技術(shù)，尤其涉及一種基于多層板結(jié)構(gòu)地板開槽的特高頻(UHF, Ultra High Frequency)近場(chǎng)射頻識(shí)別(RFID, Radio Frequency Identification)閱讀器天線。
【背景技術(shù)】
[0002]近場(chǎng)UHF RFID的工作方式可以是電場(chǎng)稱合方式或者磁場(chǎng)稱合方式。在電場(chǎng)f禹合方式下，能量主要以電場(chǎng)的方式傳遞，電場(chǎng)的分布會(huì)被高介電常數(shù)的物體所影響；在磁場(chǎng)耦合方式下，能量主要以磁場(chǎng)的方式傳遞，磁場(chǎng)的分布只會(huì)被高磁導(dǎo)率的物體所影響，而日常生活中高磁導(dǎo)率的物體并不多。從而，近場(chǎng)UHF RFID系統(tǒng)在磁場(chǎng)耦合方式下，可以有效的在復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境下可靠工作，采用的近場(chǎng)UHF RFID技術(shù)可以彌補(bǔ)現(xiàn)有UHF RFID系統(tǒng)在標(biāo)簽放置在高介電常數(shù)附近不能可靠工作的缺陷。
[0003]而且，近場(chǎng)UHF RFID系統(tǒng)相比于同樣使用磁場(chǎng)耦合的低頻(LF)/高頻(HF)RFID系統(tǒng)，近場(chǎng)UHF RFID標(biāo)簽的尺寸更小、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、成本更低。現(xiàn)有的LF/HF RFID系統(tǒng)，采用磁場(chǎng)耦合方式時(shí)，對(duì)應(yīng)的閱讀器天線是一個(gè)電小尺寸(相對(duì)工作頻率的電長(zhǎng)度小于該頻率波長(zhǎng))的線圈天線，可以稱為小環(huán)天線，該線圈上的電流方向一致，這樣可以在線圈的中心區(qū)域得到較強(qiáng)的且穩(wěn)定的磁場(chǎng)，但是，小環(huán)天線的磁場(chǎng)隨著離天線的距離的增加而衰減的很快，讀取距離大約為小環(huán)天線的直徑大小。同時(shí)，小環(huán)天線的工作頻率位于阻抗的并聯(lián)諧振附近，天線的帶寬值隨著頻率的變化很快，很難通過匹配電路實(shí)現(xiàn)天線輸入阻抗的到500hm的轉(zhuǎn)換。當(dāng)頻率上升到UHF頻段，如果仍然采用小環(huán)天線則不適應(yīng)于近場(chǎng)UHF RFID系統(tǒng)，由于近場(chǎng)UHF RFID系統(tǒng)工作波長(zhǎng)較短，則原來的LF/HFRFID系統(tǒng)的閱讀器天線，相對(duì)于UHF頻段的工作波長(zhǎng)為電大尺寸(相對(duì)工作頻率的電長(zhǎng)度大于該頻率波長(zhǎng))結(jié)構(gòu)，此時(shí)，電大尺寸結(jié)構(gòu)的線圈天線，可以稱為大環(huán)天線。大環(huán)天線上電流的幅度和相位不能再視為常數(shù)，當(dāng)大環(huán)天線的直徑超過λ/π時(shí)，大環(huán)天線上電流將在距離饋電端口四分之一波長(zhǎng)處減弱為零，并在與饋電端口相對(duì)的另一半圓環(huán)上產(chǎn)生方向相反的電流，從而導(dǎo)致的不良后果是在軸向的磁場(chǎng)相互抵消，讀取距離降低。由于讀取距離約為環(huán)天線直徑大小，若簡(jiǎn)單的減小天線的尺寸也不適用于近場(chǎng)UHF RFID系統(tǒng)?？梢?現(xiàn)有的天線設(shè)計(jì)在UHF頻段的近場(chǎng)UHF RFID系統(tǒng)中不再適用，迫切需要一種改進(jìn)的天線設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種近場(chǎng)射頻識(shí)別閱讀器天線，能滿足近場(chǎng)UHF RFID系統(tǒng)的需要。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種近場(chǎng)射頻識(shí)別閱讀器天線，所述天線包括四個(gè)輻射單元和一個(gè)功分饋電單元；所述功分饋電單元通過金屬過孔連接到所述福射單元上；
[0007]所述四個(gè)輻射單元采取1: 4等幅同相饋電的饋電方式，電流分布等效為同向電流分布的電大尺寸環(huán)圈天線上的電流。
[0008]其中，所述四個(gè)輻射單元在天線基板上沿正方形的四邊擺放，所述電流分布等效為周長(zhǎng)2λ同向電流分布的電大尺寸環(huán)圈天線的電流，所述λ為天線的工作波長(zhǎng)。
[0009]其中，所述天線的結(jié)構(gòu)為:多層板結(jié)構(gòu)的印刷電路板PCB，所述多層板結(jié)構(gòu)具體為兩層介質(zhì)三層金屬的結(jié)構(gòu)。
[0010]其中，所述四個(gè)輻射單元進(jìn)一步為兩對(duì)按1: 4等幅同相饋電的印刷偶極子天線，每一對(duì)印刷偶極子天線分兩層印刷，分別位于所述PCB的第一個(gè)金屬層和第二個(gè)金屬層。
[0011]其中，所述功分饋電單元包括功分饋電網(wǎng)絡(luò)地板、功分饋電網(wǎng)絡(luò)；所述功分饋電網(wǎng)絡(luò)地板位于所述PCB的第二個(gè)金屬層，所述功分饋電網(wǎng)絡(luò)位于所述PCB的第三個(gè)金屬層。
[0012]其中，所述天線還包括屏蔽盒，所述屏蔽盒包圍所述天線基板的四周及底面。
[0013]其中，所述功分饋電網(wǎng)絡(luò)地板為帶有開槽的地板結(jié)構(gòu)，開槽的位置與所述金屬過孔的位置相對(duì)應(yīng)。
[0014]本發(fā)明的天線包括四個(gè)輻射單元和一個(gè)功分饋電單元；功分饋電單元通過金屬過孔連接到所述輻射單元上；四個(gè)輻射單元采取1: 4等幅同相饋電的饋電方式，電流分布等效為同向電流分布的電大尺寸環(huán)圈天線上的電流。
[0015]采用本發(fā)明，功分饋電單元通過金屬過孔連接到所述輻射單元上進(jìn)行饋電，且四個(gè)輻射單元采取1: 4等幅同相饋電的饋電方式，能得到電流分布等效為同向電流分布的電大尺寸環(huán)圈天線上的電流，避免采用現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生方向相反的電流導(dǎo)致的磁場(chǎng)相互抵消和讀取距離降低的不良后果，從而能得到一個(gè)強(qiáng)度和均勻性都能滿足近場(chǎng)UHF RFID系統(tǒng)需要的磁場(chǎng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明由輻射單元和功分饋電單元構(gòu)成的天線結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0017]圖2為本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)的等效環(huán)圈天線原理示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明天線多層板結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；
[0019]圖4為本發(fā)明功分饋電單元的示意圖；
[0020]圖5為圖4的S參數(shù)幅值示意圖；
[0021]圖6為圖4的S參數(shù)相位值示意圖；
[0022]圖7為本發(fā)明天線回波損耗示意圖；
[0023]圖8為本發(fā)明天線電流分布示意圖；
[0024]圖9為本發(fā)明天線高度為20mm的磁場(chǎng)幅值分布的示意圖；
[0025]圖10為本發(fā)明天線高度為30mm的磁場(chǎng)幅值分布的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明的基本思想是:天線包括四個(gè)輻射單元和一個(gè)功分饋電單元；功分饋電單元通過金屬過孔連接到所述輻射單元上；四個(gè)輻射單元采取1: 4等幅同相饋電的饋電方式，電流分布等效為同向電流分布的電大尺寸環(huán)圈天線上的電流。
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0028]本發(fā)明的近場(chǎng)射頻識(shí)別閱讀器天線，如圖1所示，由4個(gè)輻射單元和I個(gè)功分饋電單元通過組成，該4個(gè)輻射單元在天線基板上沿正方形的四邊擺放，1個(gè)功分饋電單元通過4個(gè)金屬過孔連接到4個(gè)福射單元上進(jìn)行饋電，使4個(gè)福射單元按1: 4等幅同相饋電。
[0029]這里，4個(gè)輻射單元按1: 4等幅同相饋電，則本發(fā)明的近場(chǎng)射頻識(shí)別閱讀器天線上的電流分布等效為一個(gè)具有同向電流分布的電大尺寸環(huán)圈天線，具體的，4個(gè)輻射單元可以具體為四個(gè)按1: 4等幅同相饋電的印刷偶極子天線，四個(gè)印刷偶極子天線如圖2中所示的位置擺放，等效于一個(gè)周長(zhǎng)2 λ的電大尺寸結(jié)構(gòu)的，具有同向電流分布的環(huán)圈天線。圖2中有4個(gè)傳輸線(feed),當(dāng)前電流分布(Current Distribution)如圖2中粗實(shí)線箭頭所示。所述λ為天線的工作波長(zhǎng)，是相對(duì)于頻率的取值而言的。
[0030]這里，針對(duì)四個(gè)按1: 4等幅同相饋電的印刷偶極子天線而言，印刷偶極子天線分布在多層板結(jié)構(gòu)PCB板金屬層的最上層和第二層。每一對(duì)印刷偶極子天線分兩層印刷，饋電點(diǎn)處上下兩層有一段金屬線重合。印刷偶極子天線的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，其中金屬線寬m值約為4mm左右，印刷偶極子天線上層金屬線向中心伸出長(zhǎng)度為y的金屬線，與饋電點(diǎn)過孔相接。印刷偶極子天線單個(gè)電流臂長(zhǎng)度X的值為1/4 λ，本結(jié)構(gòu)中選擇適當(dāng)X值，使天線諧振與842MHz。
[0031]這里，本發(fā)明的近場(chǎng)射頻識(shí)別閱讀器天線，該天線采用多層板結(jié)構(gòu)的印刷電路板(PCB, PrintedCircuitBoard)制成。天線基板是PCB板的介質(zhì)層，天線基板使用玻璃纖維板(FR-4)。
[0032]這里，采用本發(fā)明的有益效果為:1: 4等幅同相饋電，等效為具有同向電流分布的環(huán)圈天線，由于等效為環(huán)圈天線，該線圈上的電流方向一致，這樣可以在線圈的中心區(qū)域得到較強(qiáng)的且穩(wěn)定的磁場(chǎng)，以滿足近場(chǎng)UHF RFID系統(tǒng)需要的磁場(chǎng)。天線使用多層板結(jié)構(gòu)的PCB制成，具有低剖面、易于集成、小型化的特點(diǎn)。使用的FR-4多層PCB板成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工。相比較現(xiàn)有的天線設(shè)計(jì)，本發(fā)明的天線在滿足帶寬要求的前提下(覆蓋中國(guó)UHF RFID頻段使用范圍:840-845MHz)，更注重的是天線口面的磁場(chǎng)分布的強(qiáng)度和均勻性，清點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)較強(qiáng)且均勻時(shí)，可以保證對(duì)近場(chǎng)標(biāo)簽的可靠讀取。
[0033]如圖3所示為本發(fā)明天線多層板結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，本發(fā)明的近場(chǎng)射頻識(shí)別閱讀器天線采用多層板結(jié)構(gòu)的PCB，PCB為兩層介質(zhì)三層金屬的結(jié)構(gòu)。具體的，每層介質(zhì)層厚度可選范圍0.5-2mm，材質(zhì)為FR-4，金屬層材料為銅。金屬層由上至下第一層為印刷偶極子天線上層，第二層為印刷偶極子天線下層和功分饋電網(wǎng)絡(luò)地板，第三層為功分饋電網(wǎng)絡(luò)。
[0034]天線還包括屏蔽盒，屏蔽盒由金屬板組成，包圍天線基板的四周及底面，屏蔽盒的尺寸選擇為:屏蔽盒的長(zhǎng)/寬緊緊包圍天線基板，高度約為3cm。加屏蔽盒的有益效果是確保天線的定向輻射，屏蔽掉不需要的輻射。
[0035]圖4為本發(fā)明功分饋電單元的示意圖，1個(gè)功分饋電單元由功分饋電網(wǎng)絡(luò)地板和功分饋電網(wǎng)絡(luò)組成，圖4中未填充區(qū)域?yàn)楣Ψ逐侂娋W(wǎng)絡(luò)地板所在區(qū)域，圖4中的填充區(qū)域?yàn)楣Ψ逐侂娋W(wǎng)絡(luò)所在的區(qū)域。
[0036]就功分饋電網(wǎng)絡(luò)而言，功分饋電網(wǎng)絡(luò)的電路設(shè)計(jì)與現(xiàn)有設(shè)計(jì)相同，針對(duì)功分饋電網(wǎng)絡(luò)的電路設(shè)計(jì)而言，由一個(gè)電感電容(LC)阻抗變化器和兩個(gè)威爾金森功分器級(jí)聯(lián)組成。LC阻抗變化，能實(shí)現(xiàn)50 Ω到25Ω的阻抗變換。威爾金森功分器通過四個(gè)金屬過孔連接到印刷偶極子天線上層，對(duì)四個(gè)印刷偶極子天線實(shí)現(xiàn)1: 4等幅同相饋電。
[0037]威爾金森功分器的性能相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示，其中W1的寬度滿足微帶線的特性阻抗為50 Ω，W2的寬度滿足微帶線特性阻抗為70.71 Ω，a、b的長(zhǎng)度用于調(diào)節(jié)四個(gè)虧點(diǎn)點(diǎn)位置，L2的長(zhǎng)度約為1/4 λ，電感值為4.7ηΗ，電容值為3.3PF，在840MHz處實(shí)現(xiàn)50 Ω到25 Ω阻抗變換。威爾金森功分器中兩個(gè)隔離電阻R的阻值為100 Ω。
[0038]威爾金森功分器的性能如圖5、圖6所示，從圖5可知:四個(gè)輸出端口的輸出幅值相同，四個(gè)輸出端口位于四個(gè)金屬過孔所在位置，在842MHz處輸入端口回波損耗小于-30dB，四個(gè)輸出端口 S參數(shù)的輸出幅值為_6dB。從圖6可知:842MHz處的四個(gè)輸出端口 S參數(shù)的相位值相同。
[0039]就功分饋電網(wǎng)絡(luò)地板而言，功分饋電網(wǎng)絡(luò)地板區(qū)別于現(xiàn)有設(shè)計(jì)，功分饋電網(wǎng)絡(luò)地板為帶有開槽的地板結(jié)構(gòu)。開槽的位置與金屬過孔的位置相對(duì)應(yīng)。
[0040]采用本發(fā)明的功分饋電單元，由于1: 4等幅同相功分饋電網(wǎng)絡(luò)使用帶有開槽的功分饋電網(wǎng)絡(luò)地板，金屬的功分饋電網(wǎng)絡(luò)地板只存在于威爾金森功分器金屬線下方，通過對(duì)功分饋電網(wǎng)絡(luò)地板的開槽來增大磁場(chǎng)耦合的途徑，磁場(chǎng)形成了更多的有效回路，可以有效的提聞磁場(chǎng)的幅值。
[0041]圖7為本發(fā)明天線回波損耗示意圖，如圖7所示，天線諧振頻率為842MHz，阻抗帶寬為838-845MHZ，可以覆蓋中國(guó)使用范圍(840_845MHz)。圖8為本發(fā)明天線電流分布示意圖，如圖8所示，印刷偶極子天線上的電流分布可以保持同向。
[0042]圖9為本發(fā)明天線高度為20mm的磁場(chǎng)幅值分布的示意圖，圖10為本發(fā)明天線高度為30mm的磁場(chǎng)幅值分布的示意圖。如圖9、圖10可知:不同高度下磁場(chǎng)幅值分布的均勻性可以滿足近場(chǎng)UHF RFID系統(tǒng)的磁場(chǎng)要求，高度為20mm處的軸向磁場(chǎng)分量最大為6.45dBA/m,高度為30mm處的軸向磁場(chǎng)分量最大為4.23dBA/m。對(duì)于使用Gen2芯片的標(biāo)簽，天線閱讀區(qū)域的磁場(chǎng)達(dá)到_20dBA/m時(shí)，可以保證能夠使芯片獲得做夠的驅(qū)動(dòng)能量，系統(tǒng)可以有效的工作。因此可以看出，閱讀器天線滿足磁場(chǎng)強(qiáng)度要求的區(qū)域很大。
[0043]以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種近場(chǎng)射頻識(shí)別閱讀器天線，其特征在于，所述天線包括四個(gè)輻射單元和一個(gè)功分饋電單元；所述功分饋電單元通過金屬過孔連接到所述福射單元上； 所述四個(gè)輻射單元采取1: 4等幅同相饋電的饋電方式，電流分布等效為同向電流分布的電大尺寸環(huán)圈天線上的電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于，所述四個(gè)輻射單元在天線基板上沿正方形的四邊擺放，所述電流分布等效為周長(zhǎng)2 λ同向電流分布的電大尺寸環(huán)圈天線的電流，所述λ為天線的工作波長(zhǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線，其特征在于，所述天線的結(jié)構(gòu)為:多層板結(jié)構(gòu)的印刷電路板PCB，所述多層板結(jié)構(gòu)具體為兩層介質(zhì)三層金屬的結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線，其特征在于，所述四個(gè)輻射單元進(jìn)一步為兩對(duì)按1: 4等幅同相饋電的印刷偶極子天線，每一對(duì)印刷偶極子天線分兩層印刷，分別位于所述PCB的第一個(gè)金屬層和第二個(gè)金屬層。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線，其特征在于，所述功分饋電單元包括功分饋電網(wǎng)絡(luò)地板、功分饋電網(wǎng)絡(luò)；所述功分饋電網(wǎng)絡(luò)地板位于所述PCB的第二個(gè)金屬層，所述功分饋電網(wǎng)絡(luò)位于所述PCB的第三個(gè)金屬層。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的天線，其特征在于，所述天線還包括屏蔽盒，所述屏蔽盒包圍所述天線基板的四周及底面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的天線，其特征在于，所述功分饋電網(wǎng)絡(luò)地板為帶有開槽的地板結(jié)構(gòu)，開槽的位置與所述金屬過孔的位置相對(duì)應(yīng)。
【文檔編號(hào)】H01Q1/36GK103682584SQ201210361445
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月25日
【發(fā)明者】馮春楠, 張欣, 杜江, 王金龍, 馬濤, 吳群, 丁旭民 申請(qǐng)人:中興通訊股份有限公司