CN101359767B - 一种电子标签读写器天线及一种rfid系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子标签读写器天线及一种RFID系统，天线用于和读写器连接，读写器通过天线发射超高频射频信号激活电子标签与读写器通信；天线可以由一个天线辐射单元组成或多个天线辐射单元串联连接组成，每个天线辐射单元的正面设置有微带线，背面相应的设置有接地面。本发明的天线受安装环境影响小、便于灵活制作、安装方便、简单实用，其可以放置在非常狭小的空间中，读写器通过该天线能与多个放置在非常狭小空间里的无源UHF频段RFID电子标签进行稳定正确的通信。尤其解决了在一个非常狭小的空间中有大面积金属围住的情况下，对该狭小空间里的多个无源UHF频段RFID电子标签无法进行稳定正确读取的问题。

Description

一种电子标签读写器天线及一种RFID系统

技术领域

本发明涉及无线射频识别技术领域，尤其涉及一种电子标签读写器天线及一种RFID系统。

背景技术

RFID(Radio Frequency Ident ification，射频识别)技术也被称为电子标签技术，是一种非接触的自动识别技术，其基本工作原理是利用射频信号和电感或电磁空间耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别。RFID系统一般包括三部分：RFID电子标签(Tag)、读写器(Reader)和计算机应用系统。

RFID系统的基本工作流程如下：读写器通过射频天线发送特定工作频率的射频信号，当电子标签进入读写器发射天线的工作覆盖区域时，其射频天线通过电感或电磁空间耦合产生感应电流，激活无源电子标签(对于有源标签而言，不需激活，始终处于工作状态)；电子标签获得的能量一部分被整流为直流电源提供给电子标签内的电子电路进行工作，另一部分被电子标签内保存的数据信息调制后经过电子标签内的天线反射回读写器；读写器通过射频天线接收到从电子标签反射回来的载波信号，对接收信号进行解调和解码，得到电子标签中保存的标识数据信息，并把该标识数据信息通过通信接口送给计算机应用系统进行处理。

按照电子标签能量供给方式的不同，电子标签可分为有源、无源和半无源三种；而按照读写器发射频率的不同，RFID系统可分为低频(135kHz以下)、高频(13.56MHz)、超高频UHF(860～960MHz)和微波(2.4GHz以上)频段等几大类。

现有的UHF频段RFID读写器配套天线一般为具有一定增益的平板天线，有圆极化的也有线极化的。由于无源UHF频段RFID系统的通信原理是需要由读写器持续不断地给无源电子标签提供工作的电能量，而且读写器提供的能量必须达到一定的门限值时，电子标签才能启动工作。所以现有的UHF频段RFID读写器配套天线的波瓣图通常是只有一个主瓣，其HPBW(Half Power Beam Width，半功率波束宽度)介于30°到70°之间，这样才能将尽量多的射频能量辐射到需要通信的电子标签的空间范围。由这样的天线和UHF频段RFID读写器配套使用只能适用于在相对比较开放的空间，比如较为宽敞的室内，和周围没有太多遮挡物的室外。

如果在一个非常狭小的空间中，且空间中至少有三个面有大面积金属(如金属机柜)围住的情况下，对在狭小空间里的多个无源UHF频段RFID电子标签进行读取时，金属对读写器发射的电磁波有很强的反射作用，通常读写器配套天线的各项指标都会发生很大变化，尤其是天线端口的VSWR(Voltage Standing Wave Ratio，电压驻波比)会急剧恶化，导致读写器天线端口与天线失配，无法正常与电子标签进行通信。并且由于在有多面金属遮挡的环境下，读写器发射的电磁波在小范围内多次被反射导致天线的辐射场变得不可预知。通过一些测试发现在这种环境下会存在一些死区，即电子标签根本接收不到读写器发射的电磁波能量。

发明内容

本发明提供了一种电子标签读写器天线及一种RFID系统，该天线受安装环境影响小、便于灵活制作，且读写器通过该天线能与多金属面空间里(如金属机柜)的电子标签稳定正确地通信。

本发明的技术方案是：一种电子标签读写器天线，所述天线用于与所述读写器连接；所述读写器通过所述天线发射超高频射频信号，激活所述电子标签与所述读写器通信。所述天线由一个天线辐射单元组成或由多个天线辐射单元串联连接组成，所述天线辐射单元的正面设置有微带线，背面对应的设置有接地面。

进一步地，所述天线辐射单元的正面还设置有与所述微带线馈电连接的接地面，背面对应的还设置有与所述接地面馈电连接的微带线。

进一步地，所述微带线和所述接地面的长度都为λ/2，所述微带线的宽度根据所述天线辐射单元的厚度、介电常数及所述微带线的特性阻抗计算；当所述天线由多个天线辐射单元组成时，各个天线辐射单元间通过长度为nλ/2的同轴电缆作馈电串联连接，其中n为整数，λ为所述超高频射频信号的波长。

进一步地，所述天线辐射单元的正面设置的所述接地面是至少两个、所述微带线是至少一个，在所述天线辐射单元的正面所述接地面和所述微带线交叉馈电连接；所述天线辐射单元的背面设置的所述微带线是至少两个、所述接地面是至少一个，在所述天线辐射单元的背面所述微带线和所述接地面交叉馈电连接；其中所述接地面形状为矩形或圆弧矩形或切角矩形。

本发明还揭示了一种RFID系统，包括读写器和天线，所述天线用于与所述读写器连接；所述读写器通过所述天线发射超高频射频信号，激活所述电子标签与所述读写器通信。所述天线由一个天线辐射单元组成或由多个天线辐射单元串联连接组成，所述天线辐射单元的正面设置有微带线，背面对应的设置有接地面。

进一步地，当所述天线有多个天线辐射单元串联连接组成时，所述RFID系统还包括功率分配器，所述天线辐射单元数分为至少两段，每段分别与所述功率分配器的输出端连接，所述功率分配器的输入端与所述读写器连接。

本发明的天线受安装环境影响小、便于灵活制作、安装方便、简单实用，其可以安装在多金属面空间里的内壁上，还可以放置在非常狭小的空间中。读写器发射的电磁波通过各个天线辐射单元的微带线和接地面在狭小的空间中形成比较均匀的辐射电磁场，该辐射电磁场可以辐射到空间里的各个电子标签。读写器通过该天线能与多个放置在多金属面空间里或非常狭小空间里的无源UHF频段RFID电子标签进行稳定正确的通信。尤其解决了在一个非常狭小的空间中且空间中至少有三个面有大面积金属围住(如金属机柜)的情况下，对该狭小空间里的多个无源UHF频段RFID电子标签无法进行稳定正确的读取的问题。

附图说明

图1是本发明电子标签读写器天线一实施例的结构示意图；

图2是本发明电子标签读写器天线一实施例的结构示意图；

图3是本发明天线辐射单元正面结构示意图；

图4是本发明天线辐射单元背面结构示意图；

图5是本发明RFID系统的结构框图。

具体实施方式

本发明解决了在一个非常狭小的空间中且空间中至少有三个面有大面积金属围住的情况下(如金属机柜)，对多个无源UHF频段RFID电子标签无法进行稳定正确的读取的问题。下面结合附图和具体实施例对本发明做一详细的阐述。

实施例一

本发明的电子标签读写器天线，用于和读写器连接，读写器通过天线发射UHF超高频射频信号，激活电子标签与读写器进行通信，本发明的电子标签读写器天线由一个天线辐射单元组成或由多个天线辐射单元串联连接组成，所述天线辐射单元的正面设置有微带线，背面对应的设置有接地面。在一具体实施例中，所述天线辐射单元可以是印刷电路板，在该印刷电路板的正面设置有微带线，背面对应的设置有接地面。

在一具体实施例中，如图1，本发明的电子标签读写器天线由8个天线辐射单元1依次串联组成，即天线辐射单元首尾依次连接组成，各个天线辐射单元首尾之间可以采用同轴电缆连接，具体连接时，是采用同轴电缆依次连接各个天线辐射单元上设置的微带线或接地面，最后一个天线辐射单元上的微带线或接地面与读写器连接。当然为了使末端天线辐射单元也能接收到读写器发射的稳定的超高频射频信号，在使用时也可以在读写器和天线之间连接功率分配器4，如图2，图中示出了两段天线，每段天线由4个天线辐射单元1串联连接组成，功率分配器4的输入端与读写器的天线端口连接，功率分配器4的2个输出端和2段天线一一连接。在实际应用中，天线辐射单元的个数及天线段数可以根据电子标签数目及环境需求进行增减，在不需要功率分配器时各段天线之间可以直接串联连接，也可以根据电子标签天线的极化方式需求进行水平极化或垂直极化方式连接。

由此可见该天线受安装环境影响小、便于灵活制作、安装方便、简单实用，其可以安装在多金属面空间里的内壁上，还可以放置在非常狭小的空间中，读写器发射的电磁波通过各个天线辐射单元的微带线和接地面在狭小的空间中形成比较均匀的辐射电磁场，该辐射电磁场可以辐射到空间里的各个电子标签。读写器通过该天线能与多个放置在多金属面空间里或非常狭小空间里的无源UHF频段RFID电子标签进行稳定正确的通信。

在一具体实施例中，每个天线辐射单元正面设置的微带线为1个，背面设置的接地面为1个。在一具体实施例中，每个天线辐射单元正面和背面分别设置有微带线和接地面，其中正面设置的微带线和接地面分别为1个，背面设置的微带线和接地面分别为1个，并且正面设置的微带线和背面设置的接地面对应设置，正面设置的接地面和背面设置的微带线对应设置。在一具体实施例中，每个天线辐射单元背面设置的接地面为至少两个、微带线为至少一个，在天线辐射单元的正面微带线和接地面交叉馈电连接；每个天线辐射单元的背面对应设置的接地面为至少一个、微带线为至少两个，在天线辐射单元的背面接地面和微带线交叉馈电连接。

如图3，是一具体实施例的示意图，在该实施例中，每个天线辐射单元1的正面设置有2个微带线7和1个接地面8，微带线7和接地面8馈电连接。如图4，在天线辐射单元1的背面匹配对应的依次设置有馈电连接微带线7和接地面8，其中天线辐射单元正面的微带线和背面的接地面一一对应设置，背面的微带线和正面的接地面一一对应设置。这样在天线辐射单元正面设置的各个微带线和背面对应设置的各个接地面之间，或在天线辐射单元正面设置的各个接地面和背面对应设置的各个微带线之间形成一个比较均匀的辐射电磁场，读写器通过该天线可以有效的辐射超高频射频信号到狭小空间里的电子标签。

在实际应用中，天线辐射单元的一端可以通过同轴电缆与读写器连接，具体连接时同轴电缆的芯线焊接到天线辐射单元1的过孔6上，同轴电缆的皮线焊接到微带线7的顶端。各个天线辐射单元连接时，在一实施例中可以通过同轴电缆依次将天线辐射单元正面的过孔和微带线串联连接，即同轴电缆一端的芯线与其中一个天线辐射单元正面一端的过孔6焊接，其皮线焊接到该天线辐射单元正面一端的微带线的顶端，同轴电缆另一端的芯线与另外一个天线辐射单元正面一端的过孔6焊接，其皮线焊接到该天线辐射单元正面一端的微带线的顶端。

在一具体实施例中，在天线辐射单元上还设置有安装孔5，天线的各个天线辐射单元通过安装孔5可以固定在外框3上，外框3对天线辐射单元起到固定作用，也可以不用外框3来固定天线辐射单元，而结合实际应用的场地或实际应用的机柜直接将天线辐射单元固定在场地或机柜上。

需要说明的是，每个天线辐射单元上设置的微带线和接地面的个数可以为一个或多个，根据实际需要来设定个数。当天线辐射单元的正面和背面分别设置有多个接地面和多个微带线时，每个天线辐射单元正面交叉馈电连接的微带线和接地面和背面交叉馈电连接的微带线和接地面是一一对应的，微带线和接地面的长度是一样的。每个天线辐射单元上设置的微带线的形状可以不同，但要满足条件：微带线的特性阻抗在70到100欧姆之间，长度在0.35λ到0.65λ之间。

在一具体实施例中，每个天线辐射单元可以设置有三个微带线7和三个接地面8，每个微带线和接地面的长度都为λ/2，其中λ为超高频射频信号的波长，当天线有多个天线辐射单元组成时，天线辐射单元之间通过长度为λn/2的同轴电缆馈电连接，n为整数，同轴电缆的长度可以根据实际需要来调整。同轴电缆的阻抗在一实施例中可以是50Ω，微带线的特性阻抗可以是100Ω。

接地面在一实施例中可以是矩形或切角矩形(如图3)或圆弧矩形，只要符合长宽比例的类矩形即可。接地面的宽度与接地面的特性阻抗有关。微带线的宽度ω可以根据天线辐射单元的厚度h和介电常数ε_r、微带线的特性阻抗z₀计算，下面是一个实施例中在天线辐射单元正面和背面匹配固定有微带线和接地面时，微带线宽度的计算方法。

在微带线的厚度t相对于天线辐射单元的厚度可以忽略不计时：

当z₀>44-2ε_r时；

$\frac{\mathrm{\ω}}{h}={[\frac{\exp \left(A\right)}{8}-\frac{1}{4\exp \left(A\right)}]}^{-1}$ …………①

其中 $A=\frac{Z_0\sqrt{2({\mathrm{\ϵ}}_r+1)}}{119.9}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2({\mathrm{\ϵ}}_r+1)}(\ln \frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\ln \frac{4}{\mathrm{\π}})$ …………②

根据以上①②两个公式即可求出微带线的宽度ω；

当z₀<44-2ε_r时；

$\frac{\mathrm{\&omega;}}{h}=\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}[(B-1)-\ln (2B-1)]+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r-1}{\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&epsiv;}}_r}[\ln (B-1)+0.293-\frac{0.517}{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}]$ ......③

其中 $B=\frac{59.95{\mathrm{\&pi;}}^2}{Z_0\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}}$ ............④

根据以上③④两个公式即可计算出微带线的宽度ω。

在微带线的厚度t相对于天线辐射单元的厚度不能忽略不计时：

此时对上述两种情况下求出的微带线的宽度ω要进行修正，修正公式如下：

$\frac{\mathrm{\&omega;}}{h}\&GreaterEqual;\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}$ 时， $\frac{{\mathrm{\&omega;}}_e}{h}=\frac{\mathrm{\&omega;}}{h}+\frac{t}{\mathrm{\&pi;h}}(1+\ln \frac{2h}{t})$ ............⑤

$\frac{\mathrm{\&omega;}}{h}\&le;\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}$ 时， $\frac{{\mathrm{\&omega;}}_e}{h}=\frac{\mathrm{\&omega;}}{h}+\frac{t}{\mathrm{\&pi;h}}(1+\ln \frac{4\mathrm{\&pi;\&omega;}}{t})$

根据以上修正公式⑤即可求出在微带线的厚度t不能忽略时的微带线的宽度ω_e。

实施例二

本发明还揭示了一种RFID系统，包括读写器和天线，天线和读写器连接，读写器通过天线发射UHF超高频射频信号，激活电子标签与读写器进行通信。该实施例中，RFID系统中的天线和实施例一中的天线原理结构一样，在此不赘述。

由于天线包括至少一个天线辐射单元，当天线由多个天线辐射单元串联使用时，末端的天线辐射单元所得到的读写器的辐射功率会很少，将影响对电子标签的识别效率，在末端天线辐射单元附近的电子标签将不能稳定正确地与读写器通信。作为一种改进，在一具体实施例中，本发明的RFID系统还包括功率分配器，可以将多个天线辐射单元分为至少两段(段数根据实际需要来设定)，如图5，该实施例中是将多个天线辐射单元分为两段，所述功率分配器其连接在两段天线1、天线2和所述读写器之间，功率分配器4的输入端与读写器的天线端口连接，其2个输出端分别与两段天线一一连接，将读写器发射的超高频射频信号等分成相等的若干份输出到各段天线，可以解决末端的天线辐射单元所得到的超高频射频信号功率会很少的问题。

实施例三

本发明还揭示了一种用于承载贴有电子标签的设备的机柜，在机柜内壁固设有天线，所述天线用于与读写器连接，所述读写器通过所述天线发射超高频射频信号，激活所述电子标签与所述读写器通信；所述天线包括设置有微带线和接地面的天线辐射单元，微带线和接地面对应设置在所述天线辐射单元的正面和背面，该天线辐射单元可以为一个或多个。该实施例中，承载电子标签的机柜中的天线与实施例一、实施例二中的天线原理结构一样，在此不赘述。

在该实施例中，所述机柜还包括功率分配器，在所述机柜内壁固设有至少两段所述天线；所述功率分配器的输入端与所述读写器连接，各个输出端与各段所述天线一一连接。

综上所述，本发明的天线由一个天线辐射单元组成或由多个天线辐射单元串联连接组成。每个天线辐射单元的正面和背面可以分别设置一个或多个微带线和接地面，该接地面和微带线以交叉馈电形式连接而成。该天线受安装环境影响小、便于灵活制作、安装方便、简单实用，其可以安装在多金属面空间里的内壁上，还可以放置在非常狭小的空间中，读写器发射的电磁波通过各个天线辐射单元的微带线和接地面在狭小的空间中形成比较均匀的辐射电磁场，该辐射电磁场可以辐射到空间里的各个电子标签。读写器通过该天线能与多个放置在多金属面空间里或非常狭小空间里的无源UHF频段RFID电子标签进行稳定正确的通信。尤其解决了在一个非常狭小的空间中且空间中至少有三个面有大面积金属围住的情况下(如金属机柜)，对该狭小空间里的多个无源UHF频段RFID电子标签无法进行稳定正确的读取的问题。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电子标签读写器天线，所述天线用于与所述读写器连接；所述读写器通过所述天线发射超高频射频信号，激活电子标签与所述读写器通信；其特征在于：所述天线由一个天线辐射单元组成或由多个天线辐射单元串联连接组成，其中，所述天线辐射单元的正面设置有微带线和接地面，背面对应的设置有接地面和微带线，正面的微带线和接地面交叉馈电连接，背面的微带线和接地面交叉馈电连接；正面的微带线和背面的接地面一一对应设置，正面的接地面和背面的微带线一一对应设置。

2.根据权利要求1所述的电子标签读写器天线，其特征在于：所述微带线和所述接地面的长度都为λ/2，所述微带线的宽度根据所述天线辐射单元的厚度、介电常数及所述微带线的特性阻抗计算；当所述天线由多个天线辐射单元组成时，各个天线辐射单元间通过长度为nλ/2的同轴电缆作馈电串联连接，其中n为整数，λ为所述超高频射频信号的波长。

3.根据权利要求1所述的电子标签读写器天线，其特征在于：所述天线辐射单元的正面设置的所述接地面是至少两个、所述微带线是至少一个；所述天线辐射单元的背面设置的所述微带线是至少两个、所述接地面是至少一个；其中所述接地面形状为矩形或圆弧矩形或切角矩形。

4.根据权利要求1或2或3所述的电子标签读写器天线，其特征在于：所述天线辐射单元是印刷电路板。

5.一种RFID系统，包括读写器和天线，所述天线用于与所述读写器连接；所述读写器通过所述天线发射超高频射频信号，激活电子标签与所述读写器通信；其特征在于：所述天线由一个天线辐射单元组成或由多个天线辐射单元串联连接组成，其中，所述天线辐射单元的正面设置有微带线和接地面，背面对应的设置有接地面和微带线，正面的微带线和接地面交叉馈电连接，背面的微带线和接地面交叉馈电连接；正面的微带线和背面的接地面一一对应设置，正面的接地面和背面的微带线一一对应设置。

6.根据权利要求5所述的RFID系统，其特征在于：所述微带线和所述接地面的长度都为λ/2，所述微带线的宽度根据所述天线辐射单元的厚度、介电常数及所述微带线的特性阻抗计算；当所述天线有多个天线辐射单元组成时，各个天线辐射单元间通过长度为nλ/2的同轴电缆作馈电串联连接，其中n为整数，λ为所述超高频射频信号的波长。

7.根据权利要求5所述的RFID系统，其特征在于：当所述天线有多个天线辐射单元串联连接组成时，所述RFID系统还包括功率分配器，所述天线辐射单元数分为至少两段，每段分别与所述功率分配器的输出端连接，所述功率分配器的输入端与所述读写器连接。

8.根据权利要求5或6或7所述的RFID系统，其特征在于：所述天线辐射单元的正面设置的所述接地面是至少两个、所述微带线是至少一个；所述天线辐射单元的背面设置的所述微带线是至少两个、所述接地面是至少一个；其中所述接地面形状为矩形或圆弧矩形或切角矩形。

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