CN101536344A - 用于近场和远场无线射频识别的天线 - Google Patents

用于近场和远场无线射频识别的天线 Download PDF

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Abstract

根据本发明的一个实施例,展示了一个用于无线射频识别的天线。天线包括一个第一辐射元件利用第一电流进行无线射频识别的第一模式。天线还包括一个第二辐射元件利用一个第二电流进行无线射频识别的第二模式。尤其地,至少第一辐射元件的一部分形成第二辐射元件的一部分,且第二辐射元件的一部分形成第一辐射元件的一部分。当第一辐射元件被第一电流激活,第一辐射元件产生第一场来提供无线射频识别的第一模式,且当第二辐射元件被第二电流激活,第二辐射元件产生一个第二场来提供无线射频识别的第二模式。

Description

用于近场和远场无线射频识别的天线
技术领域
本发明主要涉及天线。尤其涉及一种应用于近场和远场无线射频识别的天线。
背景技术
无线射频(RF)通讯技术被广泛地应用在现代通讯系统中。其中一个例子就是无线射频识别(RFID)系统。在一个RFID系统中,RFID读取天线被用于向RFID标签发射RF信号和从那里接受RF信号。储存在RF标签中的信息通常是可编辑的,从而是可更新的。RFID系统因此常用于后勤应用,如用于管理在仓库中物品流动或在图书馆中的书本详细目录。
RFID系统通常被分为近场或远场RFID系统。在近场RFID系统中,在RFID读取器和标签间的通讯通常是通过磁场的电感耦合或者电场的电容耦合来实现。大多数近场的RFID系统是电感耦合系统,其中天线线圈用来产生所需要的磁场。近场RFID系统通常在低于30兆赫的频率下运行,典型地在13.56兆赫。近场RFID系统的工作距离一般少于一米。
在远场RFID系统中,在RFID读取器和标签间的通讯通过发射和接收电磁波来实现。远场RFID读取器通过天线传送RF能量至RFID标签,其中部分RF能量随后被RFID标签反射并被RFID读取器探测。远场RFID系统有一个与近场RFID系统相比更长的工作距离。一个典型地在极高频率(UHF)带宽下运行的远场RFID系统的探测距离可以超过4米。
然而,现在尚没有能够同时支持近场和远场RFID通讯的单一RFID天线。提供一个能同时支持近场和远场RFID通讯的单一RFID天线的好处在于,能够实现系统一体化整合。
因此现在存在一个能够同时支持近场和远场RFID通讯的天线的需求。
发明内容
本发明的实施例如下文所示,用于近场和远场RFID应用,并且促进系统一体化整合。
根据本发明的实施例,公开了一个用于近场和远场无线射频识别的天线。所述天线包括一个第一辐射元件用于利用第一电流运行一个无线射频识别的第一模式。所述天线还包括一个第二辐射元件用于利用一个第二电流运行无线射频识别的第二模式。特别地,至少第一辐射元件的其中一部分形成第二辐射元件元件的一部分,同时第二辐射元件的一部分形成第一辐射元件的一部分。当第一辐射元件被第一电流激活,第一辐射元件产生第一场来提供无线射频识别的第一模式,且当第二辐射元件被第二电流激活,第二辐射元件产生第二场来提供无线射频识别的第二模式。
依照本发明的另一个实施例,公开了一种用于布置无线射频识别天线的方法。所述方法包括提供第一辐射元件通过利用第一电流来运行无线射频识别的第一模式的步骤。这方法进一步包含提供第二辐射元件来通过利用第二电流运行一个无线射频识别的第二模式的步骤。特别地,至少第一辐射元件的其中一部分形成第二辐射元件元件的一部分,同时第二辐射元件的一部分形成第一辐射元件的一部分。当第一辐射元件被第一电流激活,第一辐射元件产生第一场来提供无线射频识别的第一模式,且当第二辐射元件被第二电流激活,第二辐射元件产生第二场来提供无线射频识别的第二模式。
附图说明
发明的实施例在下文中参照附图进行详细的描述,其中:
图1是根据本发明第一个实施例的天线的透视图;
图2说明了图1的天线的操作原理;
图3a展示了图1的天线在13.56兆赫的回波损耗的测定图表;
图3b展示了图1的天线在13.56兆赫的场响应的测定图表;
图3c展示了图1的天线在UHF频段的回波损耗的测定图表;
图3d展示了图1的天线在UHF频段的增益和轴比的测定图表;
图4a至图4b说明了图1天线的另一个实施例。
图5a和图5b说明了图1天线的第一和第二辐射元件的典型布置;
图6a和图6b说明了图1天线的第二辐射元件的典型布置。
具体实施方式
参照附图,根据本发明的实施例公开了一个用于近场和远场无线射频识别(RFID)的天线。
为了简洁而且清楚的目的,本发明的用于近场和远场RFID应用在下文中仅进行有限的描述。然而这并不妨碍这项发明的不同实施例用于其他要求相似操作行为作为近场和远场RFID的应用。对于本发明实施例的操作和运行原理通常适用于所有不同实施例。
在下文中提供的详细的描述和在图1至图6图示的说明中,相似的元件以相似的参考数字识别。
发明的实施例在下文用在近场和远场RFID应用进行了详细的描述。
参照图1,如本发明第一个实施例所展示的天线100。天线100有一个第一辐射元件102。第一辐射元件102用于产生一个磁场来给RFID标签通电并探测来自RFID标签的信号。
第一辐射元件102更优选地形成在一个基板104的第一边103上。基板104更适宜是平坦的。基板104可选用的例子是印制电路板(PCBs)和诸如泡沫的绝缘材料做成的板。
关于天线100的下列描述,将根据一个X轴,一个Y轴和一个Z轴的参照系。所述的三根轴是相互垂直的。X和Y轴沿着基板104延伸且与之重合。
第一辐射元件102包括一个回路元件106。回路元件106更优选的是连续的且有一定的几何形状,如一个多边形、一个椭圆、一个半圆或一个圆。回路元件106此外有一个第一自由端108和一个第二自由端110。
一个阻抗匹配网络112优选地与第一辐射元件102的第一和第二自由端108、110连接,从而使得第一和第二自由端108,110相互连接。阻抗匹配网络112提供在天线100和第一输入口(没有展示)间匹配阻抗。第一输入口被用来向第一辐射元件102提供第一电流来产生第一场。第一场给RFID标签提供电力,并探测来自RFID标签的RFID信号。被探测到的RFID信号然后被第一输入口通过第一辐射元件102接收。第一输入口更优选地与第一辐射元件通过阻抗匹配网络112的输入端114a,114b连接。
第一辐射元件102适合在高频率(HF)模式下运行且能够为近场RFID应用产生磁场。第一辐射元件102的最好的操作频率是调整频率为13.56兆赫。
参照图1,天线100还包括一个第二辐射元件116。第二辐射元件116有一个与第一辐射元件102末梢连接至阻抗匹配网络112的接地部分118。接地部分118优选地装在基板104的同一侧103,作为第一辐射元件102。接地部分118有一定的几何形状,如多边形、椭圆或圆。接地部分118的几何形状是与第一辐射元件102的几何形状无关的。
接地部分118优选地有一个环形的槽122,包括第一槽124a和装在里面的第二槽124b的。环形槽122更优选地有一个几何形状如多边形、圆或椭圆。每个第一和第二槽124a、124b更优选地沿着斜线126的方向从环形槽122充分地对角地延伸。第一和第二槽124a和124b更优选地彼此相向延伸。接地部分118更适宜关于斜线126完全对称。
每个第一和第二槽124a、124b和环形槽122更优选地具有一致的宽度。第一和第二槽124a、124b更优选的在尺寸上相近。
一个阻抗匹配槽128优选地安装在接地部分用来匹配第二辐射元件116和第二输入口130的阻抗。第二输入口130被与第二辐射元件116连接。阻抗匹配槽128优选地形成在第一辐射元件102的第一部分120附近,且优选地沿着那里具有一致的宽度。以这种方法,第一辐射元件的第一部分120的一部分安装在第二辐射元件116的接地部分118的一部分上,用来限定一个第一和第二辐射元件102,116间的共同部分。
第二输入口130更适宜装在基板104的第二边105上,与在基板104的第一边103相对。第二输入口130用来向第二辐射元件116提供第二电流通以产生第二场。第二场产生一个电磁场用来在无线或微波频率范围内传播电磁辐射。
第二辐射元件116适合在超高频(UHF)或微波频的模式下运行。第二辐射元件116因此能够产生无线电波,以在远场RFID应用中使用。第二辐射元件102的典型操作频段是在860至870兆赫,902至928兆赫,950至960兆赫,2.4G赫兹至5G赫兹波段。第二辐射元件116经过优化配置以便于产生圆形偏振辐射。
第一和第二辐射元件102,116优选地由铜制成,并更优选地形成一个连续的金属带或导电金属丝。第一和第二辐射元件102,116也能够由导电墨水做成并通过印刷技术制成。
此外,第一和第二辐射元件102,116能够被弯成弧形,与用来在上方安装天线的弧形的表面或基板相符合。
图2展示了沿着Y轴天线100的侧视图。在天线100的运行期间,第一电流通过输入端114a,114b流过第一辐射元件102,且第二电流通过第二输入口130流过第二辐射元件116。第一电流激活第一辐射元件的回路元件106来以此产生一个在近场RFID应用的磁场200。
磁场200使在天线100的操作距离中使用的高频RFID标签204通电并进一步提供能量。高频RFID标签204随后产生包括内部存储标签数据的RFID信号。RFID信号依次被第一输入口通过第一辐射元件102接收。
第二电流激活第二辐射元件116,以此产生远场电磁辐射202用于探测和感应UHF RFID标签208。远场电磁辐射是从天线100双向辐射开,如图2所示。
天线100能够便利地同时产生磁场和电磁场用来分别支持近场和远场RFID应用。天线100可以用来整合有分别在HF和UHF模式下运行的天线模块RFID系统。
图3a是一个图表,展示了在13.56兆赫下运行的天线100测定的回波损耗。这个测定的结果展示了天线100在测定的13.56兆赫频率下有一个完美匹配的阻抗匹配特性。
图3b展示了在13.56兆赫运行下的天线100的场响应。
图3c展示了测定的天线100在UHF频段运行的回波损耗。测定的在902兆赫至928兆赫UHF带宽方面的回波损耗少于-15dB。
图3d是另一个图表,展示了在UHF频段下运行的天线100测定的增益和轴比。最大增益4.5Bic沿着Z轴正向被获得(0=0°,
Figure A200680055993D0009085849QIETU
),而3.5dBic的增益是沿着Z轴负方向获得。测定的沿着Z轴正负方向的轴比分别少于1dB和2dB。
图4至图6说明了天线100另一个实施例的典型布置,并且在下文中进行描述。
关于图4a和图4b,阻抗匹配元件112被显示与第一辐射元件102的不同部分连接。图4b尤其展示了第二辐射元件116能够与第一辐射元件102的两个相邻的部分连接。图4c和4d显示第一辐射元件102的回路元件106能够与第二辐射元件116的接地部分118的不同部分连接。
图5a展示了第一辐射元件102的回路元件106和第二辐射元件116的接地部分118可选择的几何形状。图5b展示了第一辐射元件102包括两个有用于增加磁场200的空间范围的不同几何形状,且相互连接的回路元件106。第一辐射元件102能够由两个以上回路元件106组成,用于进一步增加磁场200的范围。
图6a和6b展示了第二辐射元件116,包括一个平板散热器600和一个接地块602。平板散热器600和接地块602优选是平的并且相互平行的。平板散热器600更优选的是包括有两个对角呈斜面倒角的长方形。所述平板散热器600和接地块602进一步是空间分离的,并且通过一个连接器(没有显示)相互连接。
参照图6a,接地块602直接被与第一辐射元件102的回路元件106连接,且还与平板散热器600在一个形成在平板散热器600上的输入点604上连接。参照图6b,平板散热器600被直接与第一辐射元件102的回路元件106连接,且还与接地块602在平板散热器600的输入点604上连接。如在图6a和6b的实施例中展示的天线100能够产生圆形的偏振辐射。由本发明的实施例如图6a和6b所示产生的电磁辐射单向的从天线100发射出去。
以先前提到的方法中,公开了一个RFID系统的天线,用于近场和远场RFID应用中使用。尽管只有一些发明的实施例被展示,这对于一个所属技术领域的技术人员能够根据这个发明的公开的内容,显而易见地有许多变化和/或修改能够在不背离发明的范围和精神的情况下做出。比如,第二辐射元件能够被做成一个螺旋型的辐射器来产生双向的圆形偏振辐射来支持远场RFID应用。

Claims (30)

1.一种用于无线射频识别的天线,所述天线包括:
一个第一辐射元件用于利用第一电流运行一个无线射频识别的第一模式;
一个第二辐射元件用于利用一个第二电流运行无线射频识别的第二模式;
其特征在于,至少第一辐射元件的其中一部分形成第二辐射元件元件的一部分,同时第二辐射元件的一部分形成第一辐射元件的一部分;
当第一辐射元件被第一电流激活,第一辐射元件产生第一场来提供无线射频识别的第一模式,且当第二辐射元件被第二电流激活,第二辐射元件产生第二场来提供无线射频识别的第二模式。
2.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,在第一和第二电流中的至少一部分激活第一辐射元件的至少一部分之中,形成第二辐射元件的一部分,以及
激活第二辐射元件的至少一部分之中,形成第一辐射元件的一部分。
3.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述第一场是一个磁场,且无线射频识别的所述第一模式是近场无线射频识别。
4.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述第二场是一个电磁场,且无线射频识别的第二模式是远场无线射频识别。
5.根据权利要求4所述的天线,其特征在于,电磁辐射是圆形偏振的。
6.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,第二辐射元件发射出双向的电磁辐射。
7.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,第二辐射元件发射出单向的电磁辐射。
8.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,第二辐射元件有一个平板散热器和一个接地块,平板散热器和接地块通过一个输入口被相互连接。
9.根据权利要求8所述的天线,其特征在于,所述的接地块形成了第一辐射元件的一部分。
10.根据权利要求8所述的天线,其特征在于,每个平面散热器和接地块是完全平坦的。
11.根据权利要求8所述的天线,其特征在于,平面散热器是和接地块完全空间隔离的是空间隔离的。
12.根据权利要求8所述的天线,其特征在于,第二辐射元件通过输入口激活。
13.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,第一辐射元件与阻抗匹配电路匹配成对。
14.根据权利要求13所述的天线,其特征在于,第一辐射元件通过阻抗匹配电路激活。
15.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,第一辐射元件包括至少一个回路元件。
16.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,第一辐射元件被塑形成多边形、椭圆形、圆形和半圆形的其中一种。
17.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,第二辐射元件有一个独立于第一辐射元件几何形状的几何形状,包括多边形、椭圆形和圆形的其中一种。
18.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,每个第一和第二辐射元件是平的。
19.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,是第一和第二辐射元件被弯成弧形来与在上方安装第一和第二辐射元件的弧形表面相符合。
20.根据权利要求1所述的天线,其特征在于,所述天线是完全整体的。
21.一个布置用于无线射频识别的天线的方法,方法包括下列步骤:
提供第一辐射元件通过利用第一电流来运行无线射频识别的第一模式;
提供第二辐射元件来通过利用第二电流运行一个无线射频识别的第二模式;
其特征在于:至少第一辐射元件的其中一部分形成第二辐射元件元件的一部分,同时第二辐射元件的一部分形成第一辐射元件的一部分;
当第一辐射元件被第一电流激活,第一辐射元件产生第一场来提供无线射频识别的第一模式,且当第二辐射元件被第二电流激活,第二辐射元件产生第二场来提供无线射频识别的第二模式。
22.根据权利要求21所述的方法,其特征在于,提供第二辐射元件来进行无线射频识别的第二模式的步骤,还包括提供一个平面散热器和一个接地块,平面散热器和接地块通过一个输入口相互连接。
23.根据权利要求21所述的方法,其特征在于,提供一个平面散热器和一个接地块的步骤,还包括将接地块形成作为第一辐射元件至少一部分的组成部分的步骤。
24.根据权利要求21所述的方法,其特征在于,还包括提供一个与第一辐射元件匹配成对阻抗匹配电路的步骤。
25.根据权利要求21所述的方法,其特征在于,还包括提供圆形偏振电磁辐射的步骤。
26.根据权利要求21所述的方法,其特征在于,提供第二辐射元件用于无线射频识别的第二模式的步骤,还包括提供由第二辐射元件产生的双向的电磁辐射的步骤。
27.根据权利要求21所述的方法,其特征在于,提供一个用于无线射频识别的第二模式的第二辐射元件的步骤,还包括提供由第二辐射元件产生的单向的电磁辐射的步骤。
28.根据权利要求21所述的方法,其特征在于,第一和第二电流的至少一部分激活第一辐射元件的至少一部分之中,形成第二辐射元件的一部分;以及激活第二辐射元件的至少一部分之中,形成第一辐射元件的一部分。
29.根据权利要求21所述的方法,其特征在于,第一场是一个磁场;且无线射频识别的第一模式是近场无线射频识别。
30.根据权利要求21所述的方法,其特征在于,第二场是一个电磁场;且无线射频识别的第二模式是远场无线射频识别。
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