CN101304116A

CN101304116A - 射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线

Info

Publication number: CN101304116A
Application number: CNA2008100713107A
Authority: CN
Inventors: 游佰强; 林斌; 周建华; 熊兆贤; 郑建森; 汤伟; 徐伟明
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: CN101304116B

Abstract

射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线，涉及一种陶瓷平面螺旋天线。提供一种尺寸小、能够双频段工作、带宽大、回波损耗较低且具有全向辐射特性的射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线。设双面镀银陶瓷基板，陶瓷基板一面镀银层为螺旋片结构，陶瓷基板另一面镀银层为矩形阵列光子带隙结构。螺旋片结构设2条螺旋臂和1条连接臂，2条螺旋臂之间设相位差，2条螺旋臂内端为起始端，外端为终止端；连接臂设于螺旋片结构中央，连接臂两端与2条螺旋臂起始端连接，连接臂设中心孔，中心孔侧边设馈电点；矩形阵列光子带隙结构设有4行2列矩形片，每行设2片矩形片，每列设4片矩形片，每片矩形片与陶瓷基板之间设间距。

Description

射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线

技术领域

本发明涉及一种陶瓷平面螺旋天线，尤其是涉及一种用于射频识别系统的矩形阵列PBG陶瓷平面螺旋双频带天线。

背景技术

RFID射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种用射频通信实现的非接触式自动识别技术，近年来已经获得了一系列的成果。其中，一些成果已经开始在众多领域中得到实际应用，并将成为继移动通讯技术、互联网技术之后又一项影响全球经济与人类生活的新一代技术。从长远的观点看，这项技术与互联网、通讯等技术紧密结合，应用于物流、制造、公共信息服务等众多行业，可实现高效管理与运作，使之进一步提升高新技术含量和深度。

天线设计及制造技术是射频识别技术的核心关键技术之一，天线的各项特性及形态大小，极大程度地影响了射频识别系统的工作性能及应用领域，随着RFID技术系列应用的飞速发展，人们对RFID天线在宽带化、小型化、宽标定无适应性、抗破坏性、多频段多网络兼容性等方面提出了更高的要求。天线在RFID系统中具有举足轻重的地位。射频识别系统的两个常用工作频段的频率范围分别为0.902～0.928GHz和2.4～2.4835GHz，其带宽要求分别为26MHz和83.5MHz。对于RFID系统的天线设计要求具有大带宽、小尺寸，且在整个方位平面上提供均匀覆盖，增益在0dB以上。

对于目前的RFID天线，常规的微带天线尺寸明显过大，且存在工作带宽小、难以实现双频段工作等缺点，即便通过插入短路针、使用馈电环路等技术来进行改进，效果仍不理想。射频识别技术的发展，迫切需要一款天线能够同时覆盖0.902～0.928GHz和2.4～2.4835GHz这两个工作频段。相比于传统的基底材料，陶瓷基底具有介电常数高、介质损耗小等优点，使用陶瓷基底可以有效缩小天线尺寸。平面螺旋天线是随着现代通信发展的要求而发展起来的典型的低剖面、平板结构的天线，它以频带宽、重量轻、剖面低、可共形、制造成本低、辐射效率高等独特优点，得到了广泛的研究和发展。光子带隙(PBG，Photonic Band-Gap)结构由一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所组成。合理应用光子带隙结构能够改善天线的辐射特性，展宽天线的工作带宽。目前，把陶瓷基底、平面螺旋天线、矩形阵列PBG结构结合起来实现双频带工作，并应用在RFID系统中0.902～0.928GHz和2.4～2.4835GHz这两个工作频段的相关技术未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种尺寸小、能够双频段工作、带宽大、回波损耗较低且具有全向辐射特性的射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线。

本发明采用了陶瓷基底、平面螺旋天线、矩形阵列光子带隙结构相结合的技术方案。

本发明设有双面镀银陶瓷基板，陶瓷基板的一面镀银层为螺旋片结构，陶瓷基板的另一面镀银层为矩形阵列光子带隙结构。

螺旋片结构为旋涡状的螺旋结构，旋涡状的螺旋结构设有2条由内向外扩径旋转的螺旋臂和1条连接臂，2条螺旋臂的结构、尺寸、旋转方向和旋转角度均相同，2条螺旋臂之间设有相位差，相位差为180°，2条螺旋臂的内端为起始端，2条螺旋臂的外端为终止端；连接臂设于螺旋片结构的中央，连接臂的两端分别与2条螺旋臂的起始端连接，连接臂设有中心孔，中心孔的侧边设有馈电点；

矩形阵列光子带隙结构设有4行2列共8片矩形片，每行设有2片矩形片，每列设有4片矩形片，行与行之间相互平行，列与列之间相互平行，每行中的各片矩形片之间相互平行，每列中的各片矩形片之间相互平行，每片矩形片与陶瓷基板之间设有间距。

陶瓷基板的相对介电常数最好为15。陶瓷基板最好为矩形基板，陶瓷基板的尺寸最好是长度为30mm±1mm，宽度为30mm±1mm，厚度为1.0mm±0.05mm。

矩形阵列光子带隙结构的各个矩形片的尺寸最好相同。每片矩形片的长度最好为8mm±0.1mm，宽度为3.5mm±0.1mm。每行中相邻两片矩形片的间距最好为5mm±0.1mm，每列中相邻两片矩形片的间距最好为2mm±0.1mm。矩形阵列光子带隙结构上边沿和下边沿分别与陶瓷基板上边沿和下边沿的距离最好均为5mm±0.1mm，矩形阵列光子带隙结构的左边沿和右边沿分别与陶瓷基板左边沿和右边沿的距离最好均为4.5mm±0.1mm。

螺旋片结构的2条螺旋臂的旋转角度最好大于360°。

与用于射频识别(RFID)系统的常规微带天线比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：

尺寸小、带宽大、辐射特性好、能够双频段工作，其工作频带为0.83～1.09GHz和2.17～3.15GHz，其绝对带宽分别为0.26GHz和0.98GHz，其相对带宽分别为27.16％和38.47％，可完整覆盖RFID系统中的两个常用工作频段(0.902～0.928GHz和2.4～2.4835GHz)。天线尺寸为常规微带天线尺寸的20％，达到了小型化RFID天线的目的，完全可以将其放到RFID标签或读写器里。而且本发明具有结构简单、制造工艺简单、成本低、全向辐射性能佳和易于集成等优点。能够满足RFID应用系统中对天线的具体要求。

附图说明

图1为本发明实施例的螺旋片结构示意图。

图2为本发明实施例的矩形阵列光子带隙结构示意图。

图3为本发明实施例的回波损耗(S₁₁)性能图。图3中的横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss.of the antenna(dB)。

图4为本发明实施例的H面方向图。坐标为极坐标。

图5为本发明实施例的E面方向图。坐标为极坐标。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参见图1和图2，本发明设有双面镀银陶瓷基板P，陶瓷基板P的一面所镀银层为螺旋片结构1，陶瓷基板P的另一面所镀银层为矩形阵列光子带隙结构。

螺旋片结构1为旋涡状的螺旋结构，设有2条由内向外扩径旋转的螺旋臂11和12，另设有1条连接臂13，2条螺旋臂11和12的结构和尺寸相同，并且旋转方向和旋转角度相同，2条螺旋臂11与12之间设有相位差，相位差为180°，2条螺旋臂11和12的内端为起始端，2条螺旋臂11和12的外端为终止端；连接臂13设于螺旋片结构1的中央，连接臂13的两端分别与2条螺旋臂11和12的内端连接，连接臂13设有中心孔A，中心孔A的侧边设有馈电点；

矩形阵列光子带隙结构设有4行2列共8片尺寸相同的矩形片2，每行设有2片矩形片2，每列设有4片矩形片2，行与行之间相互平行，列与列之间相互平行，每行中的各片矩形片之间相互平行，每列中的各片矩形片之间相互平行，每片矩形片2与陶瓷基板P之间设有间距。

陶瓷基板P的相对介电常数为15。陶瓷基板P为矩形基板，其尺寸是长度为30mm±1mm，宽度为30mm±1mm，厚度为1.0mm±0.05mm(图中未标出尺寸)。

矩形片2的长度为8mm±0.1mm，宽度为3.5mm±0.1mm。每行中相邻两片矩形片的间距为5mm±0.1mm，每列中相邻两片矩形片的间距为2mm±0.1mm。矩形阵列光子带隙结构上边沿和下边沿分别与陶瓷基板上边沿和下边沿的距离均为5mm±0.1mm，矩形阵列光子带隙结构的左边沿和右边沿分别与陶瓷基板左边沿和右边沿的距离均为4.5mm±0.1mm(图中未标出尺寸的公差范围)。

2条螺旋臂11和12的旋转角度为450°，即1.25圈。

参见表1，表1给出了本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况。

表1

影响因数	工作频段0.83～1.09GHz，2.17～3.15GHz	S₁₁/dB0.83～1.09GHz，2.17～3.15GHz	两工作频段的绝对带宽	两工作频段的相对带宽
影响因数	工作频段0.83～1.09GHz，2.17～3.15GHz	S₁₁/dB0.83～1.09GHz，2.17～3.15GHz	两工作频段的绝对带宽	两工作频段的相对带宽	陶瓷基板尺寸30mm±1mm×30mm±1mm	不受影响，仍可覆盖	引起波动不超过2％。优于-10dB	优于0.25GHz和0.9GHz	优于27％和38％
陶瓷基板相对介电常数为15、基板厚度为1.0mm、镀银层厚度等误差控制在5％以内	保证频段覆盖	引起波动不超过1％，优于-10dB	优于0.25GHz和0.9GHz	优于27％和38％	陶瓷基板尺寸30mm±1mm×30mm±1mm	不受影响，仍可覆盖	引起波动不超过2％。优于-10dB	优于0.25GHz和0.9GHz	优于27％和38％
陶瓷基板相对介电常数为15、基板厚度为1.0mm、镀银层厚度等误差控制在5％以内	保证频段覆盖	引起波动不超过1％，优于-10dB	优于0.25GHz和0.9GHz	优于27％和38％	两条螺旋线起始点的间隙为4mm±0.05mm，螺旋线最大外径R为13mm±0.1mm	保证频段覆盖	引起波动不超过1％，优于-10dB	优于0.25GHz和0.9GHz	优于27％和38％
矩形银金属片的尺寸8mm±0.1mm×3.5mm±0.1mm	保证频段覆盖	引起波动不超过2％。优于-10dB	优于0.25GHz和0.9GHz	优于27％和38％	两条螺旋线起始点的间隙为4mm±0.05mm，螺旋线最大外径R为13mm±0.1mm	保证频段覆盖	引起波动不超过1％，优于-10dB	优于0.25GHz和0.9GHz	优于27％和38％
矩形银金属片的尺寸8mm±0.1mm×3.5mm±0.1mm	保证频段覆盖	引起波动不超过2％。优于-10dB	优于0.25GHz和0.9GHz	优于27％和38％	每行中两个矩形银金属片的间距为5mm±0.1mm，每列中任意两个矩形银金属片的间距为2mm±0.1mm	保证频段覆盖	引起波动不超过2％。优于-10dB	优于0.25GHz和0.9GHz	优于27％和38％
矩形阵列光子带隙结构与陶瓷基板左右两边沿的距离为4.5mm±0.1mm，矩形阵列光子带隙结构与陶瓷基板上下两边沿的距离为5mm±0.1mm	保证频段覆盖	引起波动不超过2％。优于-10dB	优于0.25GHz和0.9GHz	优于27％和38％	每行中两个矩形银金属片的间距为5mm±0.1mm，每列中任意两个矩形银金属片的间距为2mm±0.1mm	保证频段覆盖	引起波动不超过2％。优于-10dB	优于0.25GHz和0.9GHz	优于27％和38％

注：1.表中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联性，给出的是均衡特性，可根据需求特殊设计；2.需采用高性能微波低耗双面镀银陶瓷基板，tgδ＜0.002。

参见图3，图3给出了本发明实施例的回波损耗(S₁₁)性能图。从图3可以看出，天线的工作频带覆盖了0.83～1.09GHz和2.17～3.15GHz，工作频带内的回波损耗都在-10dB以下，两个工作频带内的最小回波损耗分别为-19.13dB和-16.16dB。天线回波损耗(S₁₁)性能在整个通频带内满足要求，天线的绝对带宽分别为0.26GHz和0.98GHz，其相对带宽分别为27.16％和38.47％，远优于常规的微带天线，可完整覆盖RFID系统中的两个常用工作频段(0.902～0.928GHz和2.4～2.4835GHz)。

参见图4，图4中可见，天线有两个瓣，一个在300°～60°之间，另一个在120°～240°之间。两个瓣基本上覆盖了大部分角度，所以本发明具有全向辐射特性。

参见图5，图5中可见，天线主瓣在300°～60°之间。

将图4与图5对比可以看出，方向图上半部分的形状基本一致。

从天线回波损耗(S₁₁)性能图可以看出，天线已经覆盖了0.83～1.09GHz和2.17～3.15GHz这两个频带，达到了射频识别(RFID)系统对于天线的要求。从天线的H面和E面方向图可以看出，天线具有全向辐射特性。

Claims

1.射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线，其特征在于设有双面镀银陶瓷基板，陶瓷基板的一面镀银层为螺旋片结构，陶瓷基板的另一面镀银层为矩形阵列光子带隙结构；

2.如权利要求1所述的射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线，其特征在于陶瓷基板的相对介电常数为15。

3.如权利要求1所述的射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线，其特征在于陶瓷基板为矩形基板。

4.如权利要求3所述的射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线，其特征在于矩形基板的尺寸是长度为30mm±1mm，宽度为30mm±1mm，厚度为1.0mm±0.05mm。

5.如权利要求1所述的射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线，其特征在于矩形阵列光子带隙结构的各片矩形片的尺寸相同。

6.如权利要求1所述的射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线，其特征在于每片矩形片的长度为8mm±0.1mm，宽度为3.5mm±0.1mm。

7.如权利要求1所述的射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线，其特征在于每行中相邻两片矩形片的间距为5mm±0.1mm，每列中相邻两片矩形片的间距为2mm±0.1mm。

8.如权利要求1所述的射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线，其特征在于矩形阵列光子带隙结构上边沿和下边沿分别与陶瓷基板上边沿和下边沿的距离均为5mm±0.1mm。

9.如权利要求1所述的射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线，其特征在于矩形阵列光子带隙结构的左边沿和右边沿分别与陶瓷基板左边沿和右边沿的距离均为4.5mm±0.1mm。

10.如权利要求1所述的射频识别系统矩形阵列光子带隙陶瓷平面螺旋双频带天线，其特征在于螺旋片结构的2条螺旋臂的旋转角度大于360°。