CN102916243A

CN102916243A - 应用在超高频rfid频带的高增益、小轴比圆极化天线

Info

Publication number: CN102916243A
Application number: CN2012104352458A
Authority: CN
Inventors: 文光俊; 王平
Original assignee: WUXI UESTC TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd; University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: Electronic Science And Technology Of Sichuan Foundation For Education Development, University of
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-11-05
Also published as: CN102916243B

Abstract

本发明公开一种应用在超高频RFID频带的高增益、小轴比圆极化天线，包括辐射贴片、PCB介质板和反馈网络，所述辐射贴片用四根介质圆环柱体一支撑于PCB介质板上，四根金属圆柱体探针穿过所述介质圆环柱体一，每根金属圆柱体探针的一端连接辐射贴片，另外一端穿过PCB介质板，连接位于所述PCB介质板上反馈网络的输出端口。为了提高天线的增益，取消了反馈网络的隔离电阻以及引入反射金属平面，本发明克服了目前RFID阅读器天线轴比带宽窄、中心频率处3dB的轴比夹角小以及圆极化特性低等缺点，所述RFID阅读器天线具有工作频带宽、增益高，尺寸小，轴比值小以及3dB轴比夹角大等优点，并且天线设计方法简单，加工易行。

Description

应用在超高频RFID频带的高增益、小轴比圆极化天线

技术领域

本发明涉及一种宽带高增益小轴比超高频RFID圆极化天线，属于电磁场与天线领域。

背景技术

目前，圆极化天线已经广泛地应用到各个部门，如卫星通信，全球定位系统，射频识别等方面。近几年来，产生了许多圆极化技术（如：采用圆环微带天线和增加圆极化反馈网络等）。由于超高频带能提供高速数据传输和长的阅读距离，因此被广泛用在RFID系统中。然而，可靠的阅读器是发展RFID系统的一个关键因素之一，探测范围和精确度都依赖于阅读器天线的性能。目前，每个国家都有它自己的UHF RFID操作频带，例如，中国的操作频带为840.5-844.5MHz和920.5-924.5MHz；欧洲为866-869MHz，南美和北美为902-928MHz，新加坡为866-869MHz和920-925MHz，日本为952-955MHz等，即UHF RFID的频带需要覆盖840.5-955MHz的范围。因此一个通用的阅读器天线需要满足：覆盖整个操作频带（840MHz-960MHz）、理想的操作性能以及较低的成本。

RFID阅读器天线在RFID系统中处于非常重要的位置，它的性能好坏，直接决定着RFID系统的工作情况。为了使得RFID系统达到实际应用，需要把阅读器天线设计成圆极化的形式，这是因为圆极化天线能减少在阅读器和标签之间传输的能量丢失。为了产生圆极化场的一个典型的方法就是激励起两个相互垂直的、相位相差90度的谐振场。根据目前所见的文章，采用一个反馈点的圆极化天线主要为圆环天线、切角平方贴片以及圆贴片，然而这些天线提供了小的阻抗带宽、窄的轴比带宽。为了提高这两个参数的指标，采用了许多技术，如微带线耦合缝、不等臂长的十字缝以及探针反馈等。但是这些技术虽然比较好地提高了天线的阻抗和轴比带宽，但是与需要的工作频带相差较大，所以高增益、大的阻抗带宽，大的轴比带宽以及大的轴比束宽是目前阅读器天线设计的主要目标。

当两个幅度相等且相位相差90度的垂直模式被激励时，在远场空间中就产生了圆极化场。圆极化天线的反馈结果一般分为单点反馈和多点反馈。单点反馈的圆极化天线有结构简单、容易加工、尺寸小等优点，但是单反馈单贴片圆极化天线有着本身的窄的轴比带宽和阻抗带宽（通常为1％-2％）。为了提高圆极化天线带宽，各种圆极化天线技术被研究，如：修改辐射贴片的结构，设计反馈网络的结构以及优化天线的阵列形式等等。目前，采用比较多的形式就是设计较好的反馈网络，采用多点反馈，这样的圆极化天线有很宽的轴比带宽和阻抗带宽，但是也带来了复杂的结构形式，昂贵的加工费用以及增大了天线尺寸。由此可以看出，我们在设计圆极化天线的时候，需要综合考虑天线的轴比带宽、阻抗带宽、天线尺寸以及加工复杂度等问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服目前RFID阅读器天线轴比带宽窄、3dB轴比夹角小以及圆极化特性低等缺点，综合RFID的需求，提出一款RFID阅读器天线，具有工作频带宽、增益高、尺寸小、轴比值小以及3dB轴比夹角大等优点；其设计方法简单，易于加工。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种应用在超高频RFID频带的高增益、小轴比圆极化天线，包括辐射贴片、PCB介质板和反馈网络，所述辐射贴片用四根介质圆环柱体一支撑于PCB介质板上，四根金属圆柱体探针穿过所述介质圆环柱体一，每根金属圆柱体探针的一端连接辐射贴片，另外一端穿过PCB介质板，连接位于所述PCB介质板上反馈网络的输出端口。

进一步的，该天线容纳于天线罩和金属地平面构成的空腔内，其PCB介质板通过介质圆环柱体二支撑于金属地平面上。

特别的，所述每根探针直接连接50欧姆的微带线，紧接着连接100欧姆的微带线，最后，通过一个阻抗变换器连接到50欧姆的同轴电缆，所述同轴电缆穿过天线罩，其内芯连接反馈网络，外导体连接金属地平面。

特别的，所述探针的长度为25mm～35mm,直径为0.5mm～3mm。

特别的，介质圆环柱体一的直径为2mm～3mm，介质圆柱环一的介电常数为2～3。

特别的，介质圆环柱体二的直径为3mm～12mm。

特别的，所述辐射贴片为正方形铝板，其维度为128mm×128mm(～0.3904λ×0.3904λ)，厚度为0.5毫米。

特别的，反馈网络被刻蚀在介电常数为3.2的PCB介质板的底面，与金属地平面隔离0.5mm～3mm的空气介质，所述PCB介质板的宽度60mm～120mm，长度100mm～150mm。

本发明的实质在于控制每个端口处之间的相位差（最佳值为90度），从而导致空间中的电场矢量在与传播方向垂直的平面上按照右手或左手螺旋旋转，从而形成圆极化特性，又由于引入反射面结构和取消100欧姆的隔离电阻，天线的增益将很大地提高，进而得到本发明所述的宽带高增益小轴比的RFID圆极化天线。

本发明的有益效果：

1、本发明所述的天线，其工作的阻抗带宽和轴比带宽更宽，并且增益高、轴比值小以及轴比夹角值大等优点；

2、本发明所述的天线，其谐振频率可以简单地调整辐射贴片的尺寸，快速地达到需要的频率范围。

3、本发明所述的天线，其结构简单、加工容易，具有更广的应用前景。

4、本发明所述的天线，其所用到的各项技术均为现存的成熟技术，为其批量加工提供了技术支持。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明所述天线作进一步详细说明。

图1(a)本发明提供的宽带高增益小轴比RFID阅读器天线的正面结构图；

图1(b)本发明提供的宽带高增益小轴比RFID阅读器天线的俯视结构图；

图2本发明所述天线电磁波电场由四个线极化电场组成的示意图；

图3本发明提供的反馈网络的原理图。

图4本发明提供增益的测试值(在+z方向)随频率的变化情况。

图5本发明提供的Smith原图。

图6本发明提供的辐射贴片电流图，进而证明圆极化原理。

图7本发明提供的在宽边方向上轴比值随频率的变化情况。

图8本发明提供的在870MHz、915MHz和950MHz频点处辐射方向图。

图中：1、辐射贴片；2、PCB介质板；3、探针；4、反馈网络；5、介质圆环柱体一；6、介质圆环柱体二；7、天线罩；8、金属地平面；9、同轴电缆；

具体实施方式

图1给出了本发明所述天线的一种具体实施结构。在此天线设计中，设计的中心频率为f0=915MHz(λ=327.9mm)。此天线的整个构成包括0.5毫米厚的辐射贴片1，一个PCB介质板2，一个反馈网络4，一个同轴电缆9，和四个金属圆柱体探针3，四个介质圆环柱体一5和四个介质圆环柱体二6，一个天线罩7和一个2毫米厚的金属地平面8。辐射贴片1为一个正方形贴片，其维度为128mm×128mm(～0.3904λ×0.3904λ)。辐射贴片1用四根长度为25毫米的介质圆环柱体一5支撑，四根金属圆柱体探针3穿过介质圆环柱体一5，每根金属圆柱体探针3的一端连接辐射贴片1，另外一端穿过PCB介质板2，连接反馈网络4的输出端口。在此设计中，每个探针反馈贴片的原理与普通同轴线反馈贴片天线的原理相同，因此，所有的反馈探针3需要直接连接50欧姆的微带线，紧接着连接100欧姆的微带线，最后，通过一个阻抗变换连接到50欧姆的同轴电缆9。同轴电缆9穿过天线罩7，其内芯连接反馈网络4，外导体连接金属地平面8，如图1(a)及图1(b)所示。

反馈网络是由一个阻抗变换器，90度的相位延迟和180度的相位延迟组成，其等价的电路模型如图3所示。为了避免低的辐射效率，100欧姆的隔离电阻被取消。通过仔细选择四个反馈点的位置和仔细优化阻抗变换器参数，天线的输入阻抗能被调节去获得宽的阻抗带宽。

圆极化天线的实现原理:

通常圆极化天线需要辐射两个相位差90度且相互垂直的线极化电场。天线结构如图1(a)及图1(b)所示，设向+z轴传播的电磁波电场由四个线极化电场组成，如图2所示。随着时间和位置的改变，这四个线极化电场可以用公式表示为：

E1＝E₁₀sin(ωt-βz) （1）

E3＝E₃₀sin(ωt-βz+180) （3）

其中，E_10，E_20,E_30,E₄₀分别为四个线极化电场的幅度。

为E1和E2电场间的相位差。因此，

因此，在z=0处，式（5）变为：

∴根据圆极化的概念：

| E_{x} | = | E_{y} | &DoubleRightArrow; E_{10} + E_{30} = E_{20} + E_{40}

因此，现设定根据式（6），有，

\sin^{2} (ωt) = \frac{E_{x}^{2}}{{(E_{10} + E_{30})}^{2}}

\cos^{2} (ωt) = &PlusMinus; \frac{E_{y}^{2}}{{(E_{20} + E_{40})}^{2}}

即：

其对应为右旋圆极化波和左旋圆极化波。图4给出了该天线提供增益的测试值(在+z方向)随频率的变化情况。图5给出了该天线的Smith原图。

图6给出了该天线在915MHz频点处的辐射贴片电流图，进而证明圆极化原理，从图中，可以看出：随着时间的推移，电流的方向从x轴选择到y轴，即形成右手圆极化波。因此，进一步证明了天线圆极化辐射的原理。

图7给出了该天线在宽边方向上轴比值随频率的变化情况。

图8给出了该天线在870MHz、915MHz和950MHz频点处辐射方向图。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种应用在超高频RFID频带的高增益、小轴比圆极化天线，包括辐射贴片、PCB介质板和反馈网络，其特征在于，所述辐射贴片用四根介质圆环柱体一支撑于PCB介质板上，四根金属圆柱体探针穿过所述介质圆环柱体一，每根金属圆柱体探针的一端连接辐射贴片，另外一端穿过PCB介质板，连接位于所述PCB介质板上反馈网络的输出端口。

2.根据权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，该天线容纳于天线罩和金属地平面构成的空腔内，其PCB介质板通过介质圆环柱体二支撑于金属地平面上。

3.根据权利要求2所述的圆极化天线，其特征在于，所述每根探针直接连接50欧姆的微带线，紧接着连接100欧姆的微带线，最后，通过一个阻抗变换器连接到50欧姆的同轴电缆，所述同轴电缆穿过天线罩，其内芯连接反馈网络，外导体连接金属地平面。

4.根据权利要求2所述的圆极化天线，其特征在于，所述探针的长度为25mm～35mm,直径为0.5mm～3mm。

5.根据权利要求2所述的圆极化天线，其特征在于，介质圆环柱体一的直径为2mm～3mm，介质圆柱环一的介电常数为2～3。

6.根据权利要求2所述的圆极化天线，其特征在于，介质圆环柱体二的直径为3mm～12mm。

7.根据权利要求2所述的圆极化天线，其特征在于，所述辐射贴片为正方形铝板，其维度为128mm×128mm(～0.3904λ×0.3904λ)，厚度为0.5毫米。

8.根据权利要求1至7所述的任一种圆极化天线，其特征在于，反馈网络被刻蚀在介电常数为3.2的PCB介质板的底面，与金属地平面隔离0.5mm～3mm的空气介质，所述PCB介质板的宽度60mm～120mm，长度100mm～150mm。