CN101388491A - Rfid阅读器微带矩形二单元阵列收发天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种适用于ISM频段的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线。该收发天线包括宽为W，长为L的矩形微带辐射单元以及偏馈阻抗变换器及其微带馈线L1、L2、L50，聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔层压板组成。为了使各贴片单元获得有效的辐射，当天线阵谐振在2.45GHz时，矩形贴片单元之间的间距d＝1/2λ。该天线在2.40GHz－2.52GHz频段可发射和接收固定和跳频的射频信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波射频识别(RFID)技术，尤其设计一种RFID阅读器的收发天线。
背景技术
RFID技术是自动识别技术的一种。由RFID技术形成的RFID系统主要包括阅读器与标签两部分。阅读器向标签发送无线信号，标签将存储在其内芯片数据返回给阅读器，由此达到自动识别的目的。RFID技术按频段划分可以分为：低频(125KHz)、高频(13.56MHz)、超高频(900MHz)和微波(2.45GHz)，按标签工作模式可分为：主动、被动和半主动等三种方式。主动标签有自己的电源，接收信号和发送信号均由自身电源供电；被动标签不含电源，需要阅读器通过电磁耦合(所述低频和高频RFID)或射频载波(所述超高频和微波RFID)对标签进行供电。本发明主要针对的是被动式UHF/MF RFID技术，为叙述方便，下面所使用的RFID均指被动式UHF/MF RFID。
然而，传统微带矩形天线在ISM(2.40GHz-2.52GHz)频段的相对带宽大约在0.5％-2％左右，如果RFID阅读器采用跳频收发，则该天线的带宽限制势必影响相隔8MHz的跳频信号的正常工作。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于：提供一种RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线，以期获得较尖锐的方向图和高的方向系数，实现ISM频带的完全覆盖及跳频空中信号的传输。
本发明的目的，将通过如下技术方案来实现：
RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线，其特征在于：所述收发天线包括两个物理尺寸为(40.5±0.1mm)×(39±0.1mm)的矩形辐射单元和偏馈阻抗系统，所述两个矩形辐射单元相隔一段距离，并通过偏馈阻抗变化系统相并联，构成并馈二单元贴片驻波阵。
进一步地，所述两矩形贴片单元间的距离d在所述天线阵列谐振于微带频段时的取值为：d＝1/2λ。
更进一步地，所述收发天线的矩形辐射单元贴设有聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔层压双面板，其介质厚度＝1.6mm、介电常数＝2.2。
更进一步地，所述偏馈阻抗系统的偏馈点设置于距离矩形辐射单元底边终点为S＝10.2±0.5mm的位置，且于其间设有阻抗变换器。
再进一步地，所述阻抗变换器为切比雪夫阻抗变换器，微带馈线L1在2.45GHz的阻抗为100Ω、微带馈线L2在2.45GHz的阻抗为71Ω、微带馈线L50在2.45GHz的阻抗为50Ω；所述微带馈线L2的端点具有短路补偿线TL2，其物理尺寸是(2.5±0.5)×(2.5±0.5)mm；所述微带馈线L50自底端朝上距离S1的位置设有短路补偿线TL1，其物理尺寸是(7.0±0.5)×(4.5±0.5)mm；所述微带馈线L50底端设有短路补偿线TL3，其物理尺寸为(5.0±0.5)×(4.5±0.5)mm。
本发明设计的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线，其应用的有益效果为：
该RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线能够与ISO18000-4标准的读写器空中配套使用，使得射频识别的频带拉宽到100MHz，实现了阅读器天线在2.4GHz—2.5GHz频段内发射、接收固定或跳频的射频信号，进一步拓宽了RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线在ISM频段的蓝牙系统、无线传感器系统，以及ISM频段其他无线信号传输系统的应用。
附图说明
图1是本发明RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线实施例的结构示意图；
图2是本发明RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线用矢量网络分
析仪实测的VWRS曲线图；
图3是仿真的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线3D Gain辐射方向图；
图4是仿真的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线3D辐射方向及网格剖分图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易理解，下面特结合实施例及其相关附图，作详细说明如下：
如图1所示，是本发明RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线一实施例的结构示意图。由该图可见：该RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线包括两个相并联的矩形辐射单元和偏馈阻抗系统，构成并馈二单元贴片驻波阵。其中，
该矩形辐射单元的物理尺寸为W×L，其中宽度W取值40.5±0.1mm，长度L取值39±0.1mm。且于其上贴设有介电常数＝2.2、介质厚度为＝1.6mm的聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔层压双面板。该二个矩形贴片辐射单元的彼此中心相隔一段距离d设置，其中距离d的数值取决于该收发天线所应用接收的微带频段对应波长，一般为d＝1/2λ。
该偏馈阻抗系统包括微带馈线L1、L2、L50构成的切比雪夫阻抗变换器，当收发天线工作在2.45GHz的频段内时，微带馈线L1的阻抗为100Ω、微带馈线L2的阻抗为71Ω、微带馈线L50的阻抗为50Ω。此外，所谓微带馈线L50自底端朝上距离S1(16.9±0.5mm)的位置设有短路补偿线TL1，其物理尺寸可选(7.0±0.5)×(4.5±0.5)mm范围内的矩形线框；并在微带馈线L50底端设有短路补偿线TL3，其物理尺寸可选为(5.0±0.5)×(4.5±0.5)mm范围内的矩形线框；另外，在微带馈线L2的端点也设有短路补偿线TL2，其物理尺寸可选(2.5±0.5)×(2.5±0.5)mm范围内的矩形线框。
为了获得较尖锐的方向图和较高的方向系数，该收发天线确定了优化的馈电方式和馈电位置：馈电采用偏心馈电方式，微带馈线偏向一边可以得到较好的匹配，增加了有效带宽。但在偏馈时，为了使得谐振阻抗能与馈线相匹配，必须辅以阻抗变换器来调节。需要说明的是，上述的偏向一边不是无止尽的肆意偏离，其偏馈点设置在距离矩形辐射单元底边终点为S的位置，S取值10.2±0.5mm。
如图2至图4所示，是本发明RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线经实验测试的数据图示。本发明的收发天线通过微带短路线的补偿，基于有限元算法(FEM)仿真复杂结构电磁场的通用软件Ansoft Designer V2，HFSS的仿真与优化，使微带短路线TL1，TL2，TL3，S，S1得以最佳化设置，展宽了RFID阅读器微带收发线的带宽。由图2可见，该微带矩形二单元阵列收发天线可以在ISM频带(2.40GHz-2.52GHz)内完全覆盖，并取得理想的VWRS。另由图3和图4所示的3D仿真图可见，该微带矩形二单元阵列收发天线具有较高的方向系数及较尖锐的信号方向强度，在射频信号的接收与发射时，RFID阅读器与标签间具有更高的准确性。
通过实验及仿真可以得出：本发明的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线可在ISM频段实现125个频道的收发，实现相隔8MHz的跳频空中接口信号传输，并提供5-7.5db的天线增益。其更可拓展应用在ISM频段的蓝牙系统，无线传感器系统，以及ISM频段的其他无线信号传输系统。
以上仅是对本发明设计的详细描述，对本案保护范围不构成任何限制，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (11)
1.RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线，其特征在于：所述收发天线包括两个矩形辐射单元和偏馈阻抗系统，所述两个矩形辐射单元相隔一段距离，并通过相并联的偏馈阻抗变化系统，构成并馈二单元贴片驻波阵。
2.根据权利要求1所述的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线，其特征在于：所述矩形辐射单元的物理尺寸为W×L，其中宽度W取值40.5±0.1mm，长度L取值39±0.1mm。
3.根据权利要求1所述的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线，其特征在于：所述两矩形贴片单元间的距离d在所述天线阵列谐振于微带频段时的取值与该频段波长的关系为：d＝1/2λ。
4.根据权利要求1所述的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线，其特征在于：所述收发天线的矩形辐射单元贴设有聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔层压双面板，其介质厚度＝1.6mm。
5.根据权利要求1所述的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线，其特征在于：所述收发天线的矩形辐射单元贴设有聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔层压双面板，其介电常数＝2.2。
6.根据权利要求1所述的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线，其特征在于：所述偏馈阻抗系统设有阻抗变换器。
7.根据权利要求6所述的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线，其特征在于：所述阻抗变换器为切比雪夫阻抗变换器，微带馈线L1在2.45GHz的阻抗为100Ω、微带馈线L2在2.45GHz的阻抗为71Ω、微带馈线L50在2.45GHz的阻抗为50Ω。
8.根据权利要求7所述的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线，其特征在于：所述微带馈线L2的端点具有短路补偿线TL2，其物理尺寸为(2.5±0.5)×(2.5±0.5)mm。
9.根据权利要求7所述的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线，其特征在于：所述微带馈线L50自底端朝上距离S1的位置设有短路补偿线TL1，其中S1取值16.9±0.5mm，TL1的物理尺寸为(7.0±0.5)×(4.5±0.5)mm。
10.根据权利要求7所述的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线，其特征在于：所述微带馈线L50底端设有短路补偿线TL3，其物理尺寸为(5.0±0.5)×(4.5±0.5)mm。
11.根据权利要求1所述的RFID阅读器微带矩形二单元阵列收发天线，其特征在于：所述偏馈阻抗系统的偏馈点设置于距离矩形辐射单元底边终点为S的位置，S取值10.2±0.5mm。
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