CN103050778A - 集成平面阻抗匹配巴伦的射频识别近场天线 - Google Patents

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Abstract

一种集成平面阻抗匹配巴伦的射频识别近场天线，设有：天线主体部件、阻抗变换部件、馈线和介质板，天线主体部件包括双面带线、8个电阻和一个过孔，这些元器件构成双面平衡结构，双面带线与上下面板上的电阻串联实现阻抗匹配，且因双面两条带线的传输电流反向，在天线正上方和正下方形成两个磁场，通过磁场耦合使两侧都能读写标签，使用便利。阻抗变换部件为介质板上下面板上分别印制的一根U形弯折线，通过弯折引入分布电容和电感实现阻抗变换。馈线是双面平行带线，下侧介面板的带线在馈点处较宽，通过渐变逐渐减小到与上侧介面板带线相同的宽度。本发明为整体平面结构，占用空间小、便于放置；且其远场增益小，磁场分布均匀，盲区少。

Description

集成平面阻抗匹配巴伦的射频识别近场天线
技术领域
本发明涉及一种工作于超高频段的射频识别近场读写天线，确切地说，涉及一种用于射频识别系统中的集成平面阻抗匹配巴伦的射频识别近场天线，属于射频识别系统中的读写天线技术领域。
背景技术
由于超高频射频识别系统具有传输数据快、电子标签的灵活性强、标签存贮的数据量大等优点，因此超高频射频识别系统在智能化识别、传感、跟踪等物联网技术方面得到了广泛应用。作为射频识别系统的重要组成部件，天线性能的好坏直接影响射频识别系统的工作性能与效率，因此，设计性能优异的读写天线是射频识别系统设计的重要技术步骤之一。
目前，大多数的超高频射频识别系统的近场读写天线主要采用环形结构，为了解决电流反向问题，通常使用分段或引入电容的方法产生相位延迟，以保证整个圆环电流同向而产生耦合磁场。但是，这类天线的远场增益大，可能对远区的标签造成误读。在2012年在IEEE发表的论文《A Robust UHF Near-FieldRFID Reader Antenna》中，作者使用共面平行带线传输电流，在其末端加入电阻实现阻抗匹配，使其远场增益得到有效抑制。由于天线采用平衡结构，需要使用巴伦进行平衡—不平衡转换以及阻抗变换。但是，上述论文并没有涉及巴伦的设计，若要将天线投入使用，需要单独购买巴伦，这就增加了天线的成本，而且，外加的巴伦可能导致天线形成非平面结构，使得天线的占用空间增大，不利于天线的放置。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对上述现有超高频近场天线技术的多种缺陷和不足，提供一种集成平面阻抗匹配巴伦的射频识别近场读写天线，该天线为整体平面结构，占用空间小、便于放置；且其远场增益小，磁场分布均匀，盲区少；天线的两侧都能读写标签，使用便利。
为了达到上述目的，本发明提供了一种集成平面阻抗匹配巴伦的射频识别近场天线，其特征在于：该天线由天线主体部件（1）、阻抗变换部件（2）、馈线（3）和介质板（4）所组成，其中：
天线主体部件（1）设有：双面带线（1a）、其总电阻值为200欧姆的8个电阻（1b）和一个过孔（1c），所述双面带线中的一条带线和4个电阻相互串接印制在介质板（4）的上侧面板，另一条带线和其余4个电阻相互串接印制在介质板（4）的下侧面板，两侧面板上的8个电阻藉由过孔（1c）相互串接连通；采用上述连接方式，使得双面带线（1a）、过孔（1c）和8个电阻（1b）共同构成双面平衡结构，该双面带线（1a）特征阻抗为200欧姆，通过与上下两侧面板上的8个电阻（1b）串联实现阻抗匹配，因该双面两条带线的传输电流反向，故在该天线的正上方和正下方形成两个相应的磁场，通过磁场耦合实现两侧读写标签功能；
阻抗变换部件（2）是由分别印制于介质板（4）的上下两侧面板上的各自一根U形弯折线所组成，且该2根弯折线分别连接各自面板上的双面带线，并通过弯折引入分布电容和电感来实现50欧姆～200欧姆的阻抗变换；
馈线（3）是一根双面平行带线，为了能在馈点处焊接射频连接器SMA（Sub-Miniature-A）的天线接头，位于介质板（4）下侧面板的带线在馈点处较宽，通过渐变逐渐减小到与介质板上侧面板的带线相同的宽度，馈线（3）与阻抗变换部件（2）相连接，以便向天线主体部件（1）馈电。
本发明的优点为：整体为简单的平面结构，易放置，容易实现。在保证2012年IEEE发表的《A Robust UHF Near-Field RFID Reader Antenna》中提及的天线性能基础上，将天线主体部件、阻抗变换部件和馈线整体集成于介质板的两侧面板，其中双面结构的馈线与阻抗匹配部件的U形弯折线相当于一个巴伦，能够实现平衡—不平衡转换和阻抗变换的功能，这样就不需要单独购买巴伦，使得该天线整体呈简单的平面结构，占用空间小、便于放置。尤其是该天线的两侧都能读写标签，使用非常便利，其推广应用前景看好。
附图说明
图1是本发明集成平面阻抗匹配巴伦的射频识别近场天线整体结构俯视图。
图2是本发明射频识别近场天线的馈线和阻抗匹配部件结构组成示意图。
图3是本发明射频识别近场天线的侧视图。
图4是本发明射频识别近场天线实施例S参数仿真结果和测试结果示意图。
图5是本发明射频识别近场天线实施例Phi=90度的测试和仿真方向图。
图6是本发明射频识别近场天线实施例在频率为920MHz，z=30mm处的z方向的磁场分布仿真示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1～图3，介绍本发明集成平面阻抗匹配巴伦的射频识别近场读写天线的结构组成，设有：天线主体部件（1）、阻抗变换部件（2）、馈线（3）和介质板（4）四大部件（图1和图2中，带有底色的图案为介面板上侧面板的印制电路，只有轮郭线的图案为介面板下侧面板的印制电路）。其中：
天线主体部件（1）是由双面带线（1a），其总电阻值为200欧姆、型号为0805的8个电阻（1b）和一个过孔（1c）所组成（参见图1所示），双面带线中的一条带线和4个电阻相互串接印制在介质板（4）的上侧面板，另一条带线和其余4个电阻相互串接印制在介质板（4）的下侧面板，两侧面板上的8个电阻藉由过孔（1c）相互串接连通。藉由上述连接方式，使得双面带线（1a）、过孔（1c）和8个电阻（1b）共同构成双面平衡结构，该双面带线（1a）特征阻抗为200欧姆，通过与上下两侧面板上的8个电阻（1b）串联实现阻抗匹配，因为该双面两条带线的传输电流是反向的，故在该天线的正上方和正下方形成两个相应的磁场，通过磁场耦合实现读写标签功能。
阻抗变换部件（2）是由分别印制于介质板（4）的上下两侧面板上的各自一根U形弯折线所组成（参见图2所示），且该两根弯折线分别连接各自面板上的双面带线，并通过弯折引入分布电容和电感来实现50欧姆到200欧姆的阻抗变换。馈线（3）是一根双面平行带线，为了能在馈点处焊接射频连接器SMA（Sub-Miniature-A）的天线接头，位于介质板（4）下侧面板的带线在馈点处较宽，通过渐变逐渐减小到与介质板上侧面板的带线相同的宽度，馈线（3）与阻抗变换部件（2）相连接，以便向天线主体部件（1）馈电。
介质板（4）的材质是型号为FR-4的环氧玻璃布层压板（参见图3所示）。
本发明已经进行了仿真实施试验，下面介绍实施例的基本情况：
图1、图2和图3中所标符号的几何尺寸数值分别为：W=70mm，L=110mm，a=17mm，b=12mm，c=55mm，d=23mm，e=20mm，f=3.92mm，g=8mm，i=5mm，j=3.5mm，k=1.7mm，m=5mm，n=14mm，h=1.5mm。本发明可以根据实际需要对双面带线（1a）的长度（即所标符号为c的尺寸）进行调整，使得该天线能够适用于不同的应用场景。
通过测试表明：本发明天线可以工作于超高频频段，其输入阻抗为50Ω，且在860MHz到960MHz之间的回波损耗小于-20dB，其仿真和测试结果参见图4所示。该天线具有线极化特性，通过9662电子标签测得该天线远场读卡范围为40cm至70cm，使用近场标签J42测得近场平均读卡距离为3.5cm。图5为本发明天线实施例的仿真和测试方向图，测试结果表明：该天线正反两侧面板都具有辐射特性，能够实现双面读写标签的功能，且其远场增益很小，不大于-3dB。图6为本发明天线在频率f=920MHz，z=30mm处z方向的磁场分布仿真图，该磁场分布较为均匀，读写盲区少。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何简单修改和等同替换，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种集成平面阻抗匹配巴伦的射频识别近场天线，其特征在于：该天线由天线主体部件（1）、阻抗变换部件（2）、馈线（3）和介质板（4）所组成，其中：
天线主体部件（1）设有：双面带线（1a）、其总电阻值为200欧姆的8个电阻（1b）和一个过孔（1c），所述双面带线中的一条带线和4个电阻相互串接印制在介质板（4）的上侧面板，另一条带线和其余4个电阻相互串接印制在介质板（4）的下侧面板，两侧面板上的8个电阻藉由过孔（1c）相互串接连通；采用上述连接方式，使得双面带线（1a）、过孔（1c）和8个电阻（1b）共同构成双面平衡结构，该双面带线（1a）特征阻抗为200欧姆，通过与上下两侧面板上的8个电阻（1b）串联实现阻抗匹配，因该双面两条带线的传输电流反向，故在该天线的正上方和正下方形成两个相应的磁场，通过磁场耦合实现两侧读写标签功能；
阻抗变换部件（2）是由分别印制于介质板（4）的上下两侧面板上的各自一根U形弯折线所组成，且该2根弯折线分别连接各自面板上的双面带线，并通过弯折引入分布电容和电感来实现50欧姆～200欧姆的阻抗变换；
馈线（3）是一根双面平行带线，为了能在馈点处焊接射频连接器SMA的天线接头，位于介质板（4）下侧面板的带线在馈点处较宽，通过渐变逐渐减小到与介质板上侧面板的带线相同的宽度，馈线（3）与阻抗变换部件（2）相连接，以便向天线主体部件（1）馈电。
2.根据权利要求1所述的射频识别近场天线，其特征在于：所述介质板（4）是采用型号为FR-4的环氧玻璃布层压板制成。
3.根据权利要求1所述的射频识别近场天线，其特征在于：所述天线主体部件（1）中封装的8个电阻（1b）的型号为0805。
4.根据权利要求1所述的射频识别近场天线，其特征在于：所述天线工作于超高频频段，其在860MHz～960MHz之间的回波损耗小于-20dB，该天线具有线极化特性，其近场和远场的读卡距离分别为3.5cm和40～70cm；该天线正反两侧都有辐射特性，能实现双面读写标签功能，且远场增益很小，不大于-3dB，天线磁场分布均匀，读写盲区少。
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