CN103337711B - 基于光子晶体的超高频近场rfid读写器天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于物品级（例如珠宝，名酒，古董）标签读写的近场读写器天线。该近场天线由上层多对辐射缝隙的地板、介质板与终端开路微带馈线和下层光子晶体反射板构成。该发明充分利用多对辐射缝隙和介质板产生近场和PBG（光子晶体）反射板使天线在所用频段实现单向辐射，相较于传统金属反射板，天线的厚度大大减薄。另外该近场天线工作频率覆盖了超高频（UHF）频段RFID通信的所有频段。

Description

基于光子晶体的超高频近场RFID读写器天线

技术领域

   本发明属于天线设计技术领域，涉及超高频近场RFID读写器天线，尤其是利用PBG特性的超高频近场读写器天线。

背景技术

RFID ( Radio Frequency Identification，射频识别) 是利用射频信号通过空间耦合方式进行非接触双向数据通信，对目标进行识别并获取相关数据的一种自动识别技术。读写器天线在RFID系统中起着关键作用。读写器天线有低频（LF,135KHz以下)、高频（HF,13.56MHz）、超高频（UHF,860~960MHz）和微波频段（2.45GHz、5.8GHz）等。RFID读写器天线按作用距离来划分，可以分为近场天线和远场天线。两者分别利用近场耦合和基于电磁波反向散射两种工作方式。后者工作距离较长，但容易受周围介质环境的影响，导致其系统的功能受到极大限制。而近场耦合 RFID 系统利用磁场耦合，工作在近场区，在液体等恶劣环境下有较好的性能，因此，对它的研究得到越来越多的重视。工作于超高频的近场读写器天线非常适合于狭小空间工作。因为近场天线只有在近距离处才表现出很强的电磁场，距离稍远时，电磁场的强度急剧减弱，这种天线的远场增益很低，所以天线周围的大面积金属并不会对天线的性能产生影响。此外，超高频近场RFID读写器与（LF,135KHz以下)及高频（HF,13.56MHz）近场所读写器相比，其读写速率大大提高，特别适用于物品级RFID通信应用场合。由于超高频近场RFID读写器天线的上述特点而成为近期读写器天线研究的热点。Impinj公司提出了好几种基于耦合环的天线，Siemens公司提出了一种折合的环天线。这些天线的共同特点是采取某种方法使环上的电流保持同相位，这样感应出来的磁场最强，但是以上天线都属于谐振天线，相位补偿量和频率有关，因此带宽普遍比较窄。此外，天线的几何尺寸取决于所用基材及天线结构，天线的几何尺寸很难随应用场景而灵活调整。

发明内容

为了克服现有超高频近场读写器天线带宽较窄、天线的几何尺寸很难随应用场景而灵活调整的技术问题，本发明提供了一种天线几何尺寸（长度与宽度）可灵活调节的、宽频带超高频近场读写器天线。一基于PBG反射板的UHF近场RFID读写器天线。其技术方案如下：

一种基于PBG的近场RFID读写器天线，自上而下垂直排列有地板、介质基板、微带馈线和PBG结构，所述地板带有多对缝隙，所述微带馈线由匹配网络和多条弯折线组成。

进一步的，所述缝隙为四对。

进一步的，同一对缝隙之间的距离为3.5mm，相邻的两对缝隙之间的距离为90mm。

进一步的，所述弯折线为四条；每条弯折线上有三个弯折线单元。

进一步的，通过调节所述微带馈线使天线的输入阻抗50                                                。

进一步的，通过调节所述弯折线和缝隙之间的距离使缝隙处耦合的电场最强。

进一步的，所述PBG结构是由7x8的PBG阵列组成。

进一步的，所述单个PBG为花瓣状结构。

进一步的，所述花瓣状结构的边缘所在的圆半径为27mm，花瓣状的内部的圆柱半径为7mm，圆柱高为2mm，花瓣状的边沿空出部分是3mm。

本发明的有益效果如下：

利用阵列缝隙耦合达到近场效果和宽频带，然后利用PBG结构的带阻特性，实现天线的轻薄化。

因天线辐射单元由多组辐射缝隙及微带馈线组成，缝与缝之间的距离为天线工作波长的一半，通过调整微带馈线的长度可使各辐射缝隙相位相同。各辐射缝隙数（M）及微带馈线的段数（N）（M，N1），即天线的几何尺寸，可随天线应用的场所要求而灵活调整。

采用光子晶体（PBG）的反射板取代常规的金属反射板，实现了天线的小型化与轻薄化。缝隙天线阵中为了确保天线前向辐射与反射波的同相性，常规的金属反射板与天线辐射缝隙阵面的间距通常需要满足四分之一波长。因为电磁波在金属反射板处反射会引起180度的相差。而光子晶体（PBG）的反射板可看作理想磁导体，电磁波在光子晶体（PBG）的反射板的反射引起的相差为零。因此，光子晶体（PBG）的反射板与天线阵面的间距理论上可为0，采用光子晶体（PBG）的反射板取代常规的金属反射板从而可大大降低天线的厚度，实现天线的轻薄化。

附图说明

图1为基于PBG的近场RFID读写器天线的结构示意图；

图2为该基于PBG的近场RFID读写器天线的俯视图；

图3为微带馈线的结构示意图图；

图4为微带馈线上弯折线的局部图；

图5为PBG结构的结构示意图；

图6为PBG的结构单元的立体图；

图7为PBG结构的阵列图；

图8为天线仿真参数S11曲线图；

图9为用矢量网络分析仪的实测天线的S11曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

    如图1和2所示，本发明的基于PBG（光子晶体）的近场RFID读写器天线，自上而下包括带多对缝隙100a的地板100、介质基板101、微带馈线102和PBG结构103，并且自上而下是垂直排列。

其中带缝隙100a的地板100是普通地板上挖出四对缝隙100a，缝隙长287.5mm,宽3.9mm。同一对缝隙之间的距离为3.5mm。相邻的两对缝隙之间的距离为90mm。地板的长480mm，宽为420mm。

介质基板101为介电常数为2.55，厚度为0.8mm，长480mm，宽420mm。

如图3和4所示，微带馈线102是由匹配网络和四条弯折线组成，而每条弯折线上有三个弯折线单元102f，调节弯折线可以调节相位。匹配网络由矩形102a、102b、102c和102d。矩形102a为长25mm，宽2.73mm；矩形102b为长150mm，宽0.7mm；矩形102c为长39.4mm，宽1.2mm；矩形102d为长17.23mm，宽1.2mm；矩形102e为长115mm，宽0.7mm。弯折线单元102f的详细尺寸如下：矩形102f1为长49.3mm，宽0.7mm。矩形102f2和102f4长为12mm，宽0.7mm。矩形102f3长为60.4mm，宽为0.7mm。矩形102f5长为29.5mm，宽为0.7mm。矩形102f6长为54mm，宽0.7mm。另外微带馈线102的终端开路线到弯折线的终端为长77.5mm，宽度也为0.7mm的矩形带。

    如图所示5-7所示，PBG结构103是由7x8的阵列组成，其长为480mm，宽为420mm。单个PBG的大小为60x60mm2，其花瓣状结构的边缘103a所在的圆半径为27mm，花瓣状的内部的圆柱103b半径为7mm，圆柱高为2mm，花瓣状的边沿空出部分是3mm。

如图8和9所示，分别为天线仿真参数S11曲线图和用矢量网络分析仪的实测天线的S11曲线图。

Claims (8)

1.一种基于PBG的近场RFID读写器天线，自上而下垂直排列有地板（100）、介质基板（101）、微带馈线（102）和PBG结构（103），其特征在于：所述地板（100）带有多对缝隙（100a），所述微带馈线（102）由匹配网络和多条弯折线组成；所述单个PBG为花瓣状结构。

2.如权利要求1所述的基于PBG的近场RFID读写器天线，其特征在于：所述缝隙（100a）为四对。

3.如权利要求2所述的基于PBG的近场RFID读写器天线，其特征在于：同一对缝隙（100a）之间的距离为3.5mm，相邻的两对缝隙（100a）之间的距离为90mm。

4.如权利要求1所述的基于PBG的近场RFID读写器天线，其特征在于：所述弯折线为四条；每条弯折线上有三个弯折线单元（102f）。

5.如权利要求1或4所述的基于PBG的近场RFID读写器天线，其特征在于：通过调节所述微带馈线（102）使天线的输入阻抗为50                                                。

6.如权利要求1所述的基于PBG的近场RFID读写器天线，其特征在于：通过调节所述弯折线和缝隙（100a）之间的距离使缝隙处耦合的电场最强。

7.如权利要求1所述的基于PBG的近场RFID读写器天线，其特征在于：所述PBG结构（103）是由7x8的PBG阵列组成。

8.如权利要求1所述的基于PBG的近场RFID读写器天线，其特征在于：所述花瓣状结构的边缘（103a）所在的圆半径为27mm，花瓣状结构的内部的圆柱（103b）半径为7mm，圆柱高为2mm，花瓣状结构的边沿空隙部分是3mm。