CN102263323B - 一种多频带射频识别天线 - Google Patents

Abstract

一种多频带射频识别天线包括辐射单元、至少两个射频芯片匹配单元、短路线和地面，辐射单元包括螺旋绕制多层线圈的第一辐射部和围绕第一辐射部未封闭金属的第二辐射部，射频芯片匹配单元包括馈电线和匹配网络，辐射单元通过短路线与地面连接，射频芯片匹配单元包括高频射频芯片匹配单元和非高频射频芯片匹配单元，高频射频芯片匹配单元连接在辐射单元的两端，非高频射频芯片匹配单元连接在辐射单元和地面之间，短路线靠近第二辐射部未封闭处；第二辐射部、非高频射频芯片匹配单元、短路线和地面构成共面倒F天线。该天线通过多频段的辐射单元复合共用，实现射频识别天线的多频带工作，且天线物理尺寸小、成本低、结构简单，损耗小。

Description

一种多频带射频识别天线

技术领域

本发明涉及一种射频识别（RFID）天线，特别涉及一种多频带的射频识别（RFID）天线。

背景技术

RFID射频识别技术是21世纪十大重要技术之一，它是一种非接触式的自动识别技术，利用射频信号及其空间耦合、传输特性，实现对目标对象自动识别并获取相关的数据，按照工作的频率可以分为低频（120k~135kHz）、高频（13.56MHz） 、超高频（860~960 MHz）以及微波（2.4G~5.8GHz）。

天线设计是射频识别技术的关键技术，伴随着RFID的广泛应用，双频或多频天线的使用越来越广泛，目前的双频或多频天线大都是将单独频率天线进行组合而成，因此组合的双频或多频天线具有物理尺寸大、成本高、结构复杂、频段的兼容性差、损耗大等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是射频识别天线同时接收多个工作频率的射频识别无线信号。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多频带射频识别天线, 包括辐射单元、至少两个射频芯片匹配单元、短路线和地面， 

所述辐射单元包括第一辐射部和第二辐射部，所述第一辐射部为螺旋绕制多层的线圈，所述第二辐射部为围绕所述第一辐射部的未封闭金属部；

所述射频芯片匹配单元包括馈电线和匹配网络，所述辐射单元通过所述短路线与所述地面连接，所述射频芯片匹配单元包括高频射频芯片匹配单元和非高频射频芯片匹配单元，所述高频射频芯片匹配单元连接在所述辐射单元的两端，所述非高频射频芯片匹配单元连接在所述辐射单元和所述地面之间，所述短路线靠近所述第二辐射部未封闭处；

所述第二辐射部、所述非高频射频芯片匹配单元、所述短路线和所述地面构成共面倒F天线。

进一步，所述第一辐射部的外端与所述第二辐射部的一端连接，所述第二辐射部的另一端与所述短路线连接。

进一步，高频射频芯片通过所述高频射频芯片匹配单元中的馈点与所述天线绑定，非高频射频芯片通过所述非高频射频芯片匹配单元中的馈点与所述天线绑定。

进一步，所述高频射频芯片匹配单元与所述第一辐射部的内端连接。

优选的，所述第一辐射部为类矩形线圈，所述未封闭金属部为中空类矩形，中空部分放置所述第一金属部。

进一步，所述非高频射频芯片匹配单元为超高频射频芯片匹配单元，超高频天线包括所述第二辐射部、所述超高频射频芯片匹配单元、所述短路线和所述地面。

进一步，高频天线包括所述第一辐射部、所述第二辐射部和所述高频射频芯片匹配单元。

进一步，高频天线的工作频率由所述第一辐射部的线圈匝数和尺寸决定。

优选的，非高频天线的辐射单元的电长度为所述非高频天线工作频率的波长长度的四分之一。 

优选的，所述第二辐射部中未封闭处对面部分为一类凹形部。

进一步，高频天线包括所述第一辐射部、所述第二辐射部和所述高频射频芯片匹配单元。

进一步，所述非高频射频芯片匹配单元为微波射频芯片匹配单元，微波天线包括第二辐射部的一部分、所述微波射频芯片匹配单元、所述短路线和所述地面，所述第二辐射部的一部分为所述类凹形部至所述第二辐射部的另一端。

进一步，所述非高频射频芯片匹配单元为超高频射频芯片匹配单元，超高频天线包括第二辐射部的一部分、所述超高频射频芯片匹配单元、所述短路线和所述地面，所述第二辐射部的一部分为所述第二辐射部去掉所述类凹形部一端凸起后剩余的部分。

进一步，高频天线包括所述第一辐射部、所述第二辐射部和所述高频射频芯片匹配单元。

本发明的优点在于通过多频段的辐射单元复合共用，实现射频识别天线的多频带工作，且天线物理尺寸小、成本低、结构简单，损耗小。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1为现有技术中共面倒F天线的结构示意图；

图2为现有技术中高频天线的结构示意图；

图3为本发明多频带射频识别天线的结构框图；

图4为本发明多频带射频识别天线应用于双频率时的结构示意图；

图5为图4中超高频天线部分的结构示意图；

图6为图4中高频天线部分的结构示意图；

图7为本发明多频带射频识别天线应用于三频率时的结构示意图；

图8为图7中微波天线部分的结构示意图；

图9为图7中超高频天线部分的结构示意图；

图10为图7中高频天线部分的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

参见图1所示，典型的共面倒F天线的主要有辐射单元1、短路线2、地面5、馈电线4、匹配网络3组成。当辐射单元1具有电流时，将引起地面电流的激励，最终的辐射场是由辐射单元电流及它在地面上的镜像电流共同形成。通过调节辐射单元1的尺寸和形状来确定共面倒F天线的谐振频率，辐射单元1的电长度需要满足谐振频率的1/4波长。共面倒F天线的馈电线4和短路线2可以等效为一段双线传输线，通过改变馈电线4和短路线2的横向尺寸或它们之间的距离，来实现天线的阻抗匹配。该共面倒F天线能够实现微波频段和超高频频段天线的设计。

参见图2所示，传统的高频天线主要通过线圈绕制的方式实现，射频芯片匹配单元连接在线圈10的两端，线圈10的内端跨过线圈与射频芯片匹配单元连接，但与线圈不相交。射频芯片匹配单元包括并联的高频芯片61和高频天线匹配网络31。

多频带的RFID天线的结构示意图如图3所示，其中，多频带的RFID天线的辐射单元11包含了三个频段的辐射，实现了三个频段的谐振，即多频带的RFID天线的工作频率可以是高频（13.56MHz） 、超高频（860~960 MHz）以及微波（2.4G~5.8GHz）频段的任意两种或三种。辐射单元11的一部分折叠构成线圈天线的形式,构成高频天线辐射单元111，与高频芯片602组成LC谐振回路,从而达到13.56MHz的谐振或者其他高频工作频率的谐振，实现天线的高频工作。辐射单元11的一部分，包括线圈天线的一部分，又可构成超高频天线辐射单元112或者微波天线辐射单元113，从而实现天线在微波频段和超高频频段的工作，实现了多频带RFID天线的设计。至少两个以上的射频芯片匹配单元，这里分别为高频射频芯片匹配单元和非高频射频芯片匹配单元，其中，非高频射频芯片匹配单元和短路线2并联在辐射单元11和地面5之间。高频匹配单元连接在高频天线的辐射单元111的两端，包括馈电线和高频匹配网络302，高频射频芯片匹配单元通过两个馈点7与高频射频芯片602连接，实现芯片和天线的绑定；非高频射频芯片匹配单元包括馈电线和非高频匹配网络301，非高频射频芯片匹配单元通过两个馈点7与非高频射频芯片602（超高频或者微波射频芯片）连接，实现芯片和天线的绑定。

所述的多频带的RFID天线可以同时进行两种频率芯片的绑定，即实现了两个频段的标签同时工作。

所述的多频带的RFID天线的基材可以为FR4、PVC、铝蚀刻、铜蚀刻等。

实施例1

参见图4所示，本实施例公开的双频天线的结构图，它包括：辐射单元12、短路线20、馈电线、匹配网络、地面50、以及射频芯片的馈点7。辐射单元12通过馈电线和短路线20连接到地面上。当辐射单元12具有电流时，将引起地面电流的激励，最终的场是由辐射单元电流及它在地面上的镜像电流共同形成。高频射频芯片602和超高频射频芯片601通过馈点实现与天线的绑定。辐射单元12包括第一辐射部和第二辐射部，第一辐射部为螺旋绕制多层的线圈，第二辐射部为围绕所述第一辐射部的未封闭金属部。射频芯片匹配单元包括馈电线和匹配网络，辐射单元通过短路线20与地面50连接，所述射频芯片匹配单元连接在辐射单元12和地面50之间，所述短路线20靠近第二辐射部未封闭处。第一辐射部的外端与所述第二辐射部的一端连接，所述第二辐射部的另一端与所述短路线连接，所述高频射频芯片匹配单元与所述第一辐射部的内端连接。

为了更好说明如何实现的双频功能，特将该双频天线的超高频和高频天线进行了分别表示，分别如图5、图6所示。阴影部分所示分别为处于工作频率中的天线结构。图5所示的是超高频天线的结构，阴影部分的辐射单元122电长度满足860~960MHz频段的1/4波长，构成共面倒F天线，能够在860~960MHz频段产生谐振，此时的超高频天线包括第二辐射部、超高频射频芯片匹配单元、短路线和地面。图6所示的是高频天线的结构，工作频率为13.56MHz的线圈天线，天线的辐射单元121包括第一辐射部和第二辐射部，整个天线还包括高频射频芯片匹配单元，即高频的馈电线和匹配单元。从图5、图6可以清楚看出辐射单元有一部分进行了复合共用，能够实现天线体积的小型化，并可以实现双频标签的工作。在本实施例中，第一辐射部为类矩形线圈，所述未封闭金属部为中空类矩形，中空部分放置所述第一金属部。

实施例2

参见图7所示，为本实施例公开的三频天线的结构图，组成结构如图四所述，与图四中的双频天线的不同之处在于辐射单元13可以实现三个频段的谐振，辐射单元13的第二辐射部中未封闭处对面部分为一类凹形部9，该三频天线在各个工作频率的天线结构具体如图8、图9和图10所示。图8所示的是微波的天线结构，包括第二辐射部的一部分、微波射频芯片匹配单元、短路线和地面，所述第二辐射部的一部分为所述类凹形部至所述第二辐射部的另一端，即与短路线连接的一端。图9所示的是超高频的天线结构，包括第二辐射部的一部分、超高频射频芯片匹配单元、短路线和地面，所述第二辐射部的一部分为所述第二辐射部去掉所述类凹形部一端凸起后剩余的部分。微波天线的辐射单元133和超高频天线的辐射单元132的电长度分别满足微波（可以为2.45GHz）和超高频（860~960MHz）频段的1/4波长，能够实现微波和超高频频段的谐振，图10所示的是高频的天线结构，阴影部分的辐射单元131为工作频率为高频，例如13.56MHz的线圈天线，高频天线包括所述第一辐射部、所述第二辐射部和所述高频射频芯片匹配单元。

其他频段的多频方案实施可以通过调节辐射单元的尺寸和形状来完成，工作频率需调整辐射单元的尺寸，使其电长度满足该频率的1/4波长长度，其阻抗可以通过调整馈电线和短路线的横向尺寸或它们之间的距离来实现匹配设计。对于高频部分（线圈天线部分），辐射单元对天线的谐振频率的影响方面包括：1、线圈的匝数； 2、线圈内外直径的算术平均 ；3、线圈的空心度。在其他条件一定的情况下，线圈的匝数越多，谐振频率越低；线圈内外直径的算术平均越大，谐振频率越低；线圈的空心度越大，谐振频率越高。对于超高频和微波部分，辐射单元的形状决定了天线的电长度，电长度越大，谐振频率越低。由于该多频方案是将传统的共面倒F天线和线圈天线设计为一个整体，从而实现多频的功能，因此线圈部分除了满足其他频段的要求，还需使其线圈匝数和线圈尺寸满足高频天线的设计需求，使其实现多频带的复用，达到物理尺寸小、成本低、结构简单的目的。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (11)

1.一种多频带射频识别天线，包括辐射单元、至少两个射频芯片匹配单元、短路线和地面，其特征在于，

所述辐射单元包括第一辐射部和第二辐射部，所述第一辐射部为螺旋绕制多层的线圈，所述第二辐射部为围绕所述第一辐射部的未封闭金属部；

所述射频芯片匹配单元包括馈电线和匹配网络，所述辐射单元通过所述短路线与所述地面连接，所述至少两个射频芯片匹配单元包括高频射频芯片匹配单元和非高频射频芯片匹配单元，所述高频射频芯片匹配单元连接在所述辐射单元的两端，所述辐射单元的两端分别是所述第一辐射部的最内层线圈的端口和所述辐射单元与所述非高频射频芯片匹配单元连接的端部，所述端部为与短路线连接的所述第二辐射部未封闭金属部开口处的第二端口，所述非高频射频芯片匹配单元连接在所述第二端口和所述地面之间；

所述第二辐射部、所述非高频射频芯片匹配单元、所述短路线和所述地面构成共面倒F天线；

其中，所述第一辐射部的外端与所述第二辐射部的第一端口连接，所述第一辐射部的外端是指所述第一辐射部的最外层线圈的端口，所述第二辐射部的第一端口是指未封闭金属部开口处的其中一个端口，所述第二辐射部的第二端口是指未封闭金属部开口处的另一个端口。

2.根据权利要求1所述的多频带射频识别天线，其特征在于，高频射频芯片通过所述高频射频芯片匹配单元中的馈点与所述天线绑定，非高频射频芯片通过所述非高频射频芯片匹配单元中的馈点与所述天线绑定。

3.根据权利要求1所述的多频带射频识别天线，其特征在于，所述第一辐射部为类矩形线圈，所述未封闭金属部为中空类矩形，中空部分放置所述第一辐射部。

4.根据权利要求1所述的多频带射频识别天线，其特征在于，所述非高频射频芯片匹配单元为超高频射频芯片匹配单元，超高频天线包括所述第二辐射部、所述超高频射频芯片匹配单元、所述短路线和所述地面。

5.根据权利要求1所述的多频带射频识别天线，其特征在于，高频天线包括所述第一辐射部、所述第二辐射部和所述高频射频芯片匹配单元。

6.根据权利要求1所述的多频带射频识别天线，其特征在于，高频天线的工作频率由所述第一辐射部的线圈匝数和尺寸决定。

7.根据权利要求1所述的多频带射频识别天线，其特征在于，非高频天线的辐射单元的电长度为所述非高频天线工作频率的波长长度的四分之一。

8.根据权利要求3所述的多频带射频识别天线，其特征在于，所述第二辐射部中未封闭处对面部分为一类凹形部。

9.根据权利要求8所述的多频带射频识别天线，其特征在于，高频天线包括所述第一辐射部、所述第二辐射部和所述高频射频芯片匹配单元。

10.根据权利要求8所述的多频带射频识别天线，其特征在于，所述非高频射频芯片匹配单元为微波射频芯片匹配单元，微波天线包括第二辐射部的一部分、所述微波射频芯片匹配单元、所述短路线和所述地面，所述第二辐射部的一部分为所述类凹形部至所述第二辐射部与短路线连接的一端。

11.根据权利要求8所述的多频带射频识别天线，其特征在于，所述非高频射频芯片匹配单元为超高频射频芯片匹配单元，超高频天线包括第二辐射部的一部分、所述超高频射频芯片匹配单元、所述短路线和所述地面，所述第二辐射部的一部分为所述第二辐射部去掉所述类凹形部一端凸起后剩余的部分。

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