CN102544719B - 一种2.4g微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种2.4G微带天线，天线由辐射单元、接地面和电介质基板组成，其中，电介质基板设置于辐射单元和接地面之间并与辐射单元和接地面相接触，电介质基板为矩形，大小为长92.99mm、宽70.51mm，厚度为0.005mm～0.2mm，介电常数范围为1～100；辐射单元包括由金属制成的天线导体，天线导体包括圆形发射区和接入圆形发射区的多条多折弯导线，天线导线的圆形发射区设置2个馈电点，每个馈电点通过多折弯导线连接至信号输入口；所述的多折弯导线为矩形折弯、三角形折弯、45度折弯或梯形折弯组合；圆环发射区的2个馈电点连接来自同一信号入口的2条多折弯导线分别为馈线b和馈线c。

Description

一种2.4G微带天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种2.4G微带天线。

背景技术

微带天线概念最早在1953年提出，但直到上世纪七十年代随着微波技术的进步才逐渐发展起来，由于在结构和制造上的优势而迅速成为天线领域的重要研究方向，并在实际系统中得到了广泛的研究和应用。

提到微带天线，与之密不可分的就是RFID技术，RFID是射频识别技术的英文(Radio Frequency Identification)的缩写，射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。

下面对RFID系统及其工作原理进行简单说明：RFID系统主要包括阅读器、阅读器天线和标签。RFID系统工作过程中，阅读器会控制RFID系统中的射频模块通过阅读器天线向标签发射信号，标签对其接收到的信号进行相应的处理，得到处理结果，再将处理结果发送给阅读器，阅读器通过阅读器天线接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机，形成一个完整的通信链路。其中，标签由标签Inlay和外封装组成，标签Inlay包括标签芯片和标签天线，不同的标签芯片遵守不同的通信协议(例如，IS018000-6C协议的芯片)。

微带天线在RFID领域中通常用于抗干扰能力强的有源RFID标签的天线，且主要采用单天线的形式，微带天线的发展与RFID技术的发展密不可分。

但是，微带天线理论尚不成熟，根据射频理论的软件模拟出的天线常常和实际测试结果不吻合。并且超高频的有源RFID标签天线可设计的形状复杂多变，没有固定的规范可循，常常需要进行大量的摸索。

发明内容

本发明的目的是提供一种2.4G微带天线，用于RFID系统。

本发明的技术方案是，一种2.4G微带天线，天线由辐射单元、接地面和电介质基板组成，其中，电介质基板设置于辐射单元和接地面之间并与辐射单元和接地面相接触，电介质基板为矩形，大小为长92.99mm、宽70.51mm，厚度为0.005mm～0.2mm，介电常数范围为1～100；

辐射单元包括由金属制成的天线导体，天线导体包括圆形发射区和接入圆形发射区的多条多折弯导线，天线导线的圆形发射区设置2个馈电点，每个馈电点通过多折弯导线连接至信号输入口；

所述的多折弯导线为矩形折弯、三角形折弯、45度折弯或梯形折弯组合；

圆环发射区的2个馈电点连接来自同一信号入口的2条多折弯导线分别为馈线b和馈线c，馈线b由馈线b1和馈线b2连接而成，馈线c由馈线c1、馈线c2和馈线c3连接而成，馈线b和馈线c在节点3分开后，馈线b与馈线c之间呈90度分离，分别连接到馈电点1和馈电点2，从分开点到各自馈电点处距离之差相差1/2波长，

馈线b与馈线c之间的长度相差1/4个波长的，使得微波到达馈电点的波相差1/4个波长，经过叠加产生圆极化效果。

优选的，所述天线导体由铜铂组成，在信号入口处具有的馈线a用于调整阻抗大小，其长度决定阻抗大小，当天线阻抗为50欧姆，对应馈线a长度16.2mm。

本发明还是在理论与实践相结合的基础上设计出了一种圆极化的，用于2.4GHz的超高频频段，设计阻抗为50欧姆的RFID天线，从参数和效果上都达到了RFID产品应用的要求。

附图说明

图1是本发明实施例中的天线结构示意图

图2是本发明实施例中天线的回波损耗图

图3是本发明实施例中天线方向图

具体实施方式

本发明的天线主要由辐射单元、接地面和介质板组成，其中，介质板设置于辐射单元和接地面之间并与辐射单元和接地面相接触，辐射单元包括基板以及基板上设置的由金属制成的辐射单元。

辐射单元主要为天线导体，天线导体包括数条多折弯导线入圆形区域导线的发射区。辐射单元上设置有馈电点，每个馈电点均通过金属线连接至信号输入口。电介质基板为矩形，电介质基板的大小为长92.99mm、宽70.51mm，导线折弯为矩形折弯、三角形折弯、45度折弯或梯形折弯。在天线的信号输入口处有一条悬臂，长度范围为16mm～17mm。电介质材质为阻燃环氧玻璃布板、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、陶瓷。天线导体或馈电导体为金属丝、金属箔或者印刷导线。

下面对该有源标签天线的工作原理进行说明，在实际应用中，由于铜的价格比较便宜，为了节约成本，优先会选用铜作为导电金属，这样，天线主体主要包括三部分：上表面的铺铜辐射面、下表面的铺铜地面，位于上表面和下表面中间的介质板。

上表面的辐射面厚度为0.035ms，通过对该金属面进行处理，可以使得该金属面成为天线发射单元，具体地，可以采用蚀刻工艺、沉积工艺、印刷天线工艺等加工工艺。

在辐射单元中，圆环状发射区域有两个馈电点，且两个馈电点相位之差为90度，当信号辐射过程中，因为圆环发射区的两馈电点来自同一信号入口，而在分开交叉点处两导线呈45度角向两个方向，从分开点到各自馈电点处距离之差相差0.5λ，所以当信号分开进入两个馈电点时因为导线的长度不同实现相位差，这样就满足了圆极化的条件，实现了圆极化。该种圆极化形式的增益很高，带宽也很宽。

下表面的铺铜区域是一个完整的铺铜地面，这样，天线主体内的上表面和下表面之间就形成了微带天线的结构，并且下表面的铺铜对于天线的抗干扰性起很大作用。

本发明主要从天线结构图、S11(回波损耗)、增益方向和极化方向来说明天线的设计原理与效果。

天线的设计形状如图1所示，设计为圆形的PCB天线，其中主要由天线基板、基板背面的铺铜网格、天线的金属走线组成，最后形成圆形双极化发射区域。

其中天线基板的大小为92.99mm×70.51mm，厚度为0.005mm～0.2mm，介电常数范围为1～100。

基板背面的铺铜主要作为提高抗干扰能力。

天线的金属走线主要由铜铂组成，在信号入口处的馈线a用于调整阻抗大小，其长度决定阻抗大小，本天线阻抗为50欧姆，对应馈线a长度16.2mm。

圆环发射区的2个馈电点连接来自同一信号入口的2条多折弯导线分别为馈线b和馈线c，馈线b由馈线b1和馈线b2连接而成，馈线c由馈线c1、馈线c2和馈线c3连接而成，馈线b和馈线c在节点3分开后为了达到双极化效果垂直，馈线b与馈线c之间呈90度分离，最后连接到馈电点1和馈电点2。

馈电点1与馈电点2相差1/4圆。

馈线b与馈线c之间的长度是相差1/4个波长的，这样微波到达馈电点的波将相差1/4个波长，经过叠加产生圆极化效果。

天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率。当天线工作频率偏离设计频率时，天线与传输线的匹配变坏，致使传输线上电压驻波比增大，天线效率降低。本天线的设计输入阻抗为50欧。

如图2所示，天线的S11，当天线在2.445GHz的频点上，回波损耗最小，达到-30.1613db。这个值的位置决定了天线的谐振频率，其大小决定天线对空间电磁波的吸收情况。

如图3所示，天线的辐射呈圆形面包圈状，并且在x、y轴上辐射强度最小，在z轴上辐射强度最大。辐射强度范围为3.7848E+00～1.3308E+01。

极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。按天线所辐射的电场的极化形式，可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平极化和垂直极化；圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。本天线为圆极化天线，极化方向的强度沿y、x、z方向依次减弱。

Claims (2)

1.一种2.4G微带天线，其特征在于，天线由辐射单元、接地面和电介质基板组成，其中，电介质基板设置于辐射单元和接地面之间并与辐射单元和接地面相接触，电介质基板为矩形，大小为长92.99mm、宽70.51mm，厚度为0.005mm～0.2mm，介电常数范围为1～100；

辐射单元包括由金属制成的天线导体，天线导体包括圆形发射区和接入圆形发射区的多条多折弯导线，天线导线的圆形发射区设置2个馈电点，每个馈电点通过多折弯导线连接至信号输入口；

所述的多折弯导线为矩形折弯、三角形折弯、45度折弯或梯形折弯组合；

圆形发射区的2个馈电点连接来自同一信号入口的2条多折弯导线分别为馈线b和馈线c，其中，

馈线b由馈线b1和馈线b2连接而成，馈线c由馈线c1、馈线c2和馈线c3连接而成，馈线b和馈线c在节点3分开后，馈线b与馈线c之间呈90度分离，分别连接到馈电点1和馈电点2，从分开点到各自馈电点处距离之差相差1/2波长，

馈线b与馈线c之间的长度相差1/4个波长的，使得微波到达馈电点的波相差1/4个波长，经过叠加产生圆极化效果。

2.如权利要求1所述的2.4G微带天线，其特征在于，所述天线导体由铜铂组成，在信号入口处具有的馈线a用于调整阻抗大小，其长度决定阻抗大小，当天线阻抗为50欧姆，对应馈线a长度16.2mm。