CN103515700A - 一种rfid天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RFID天线，包括：环绕设置在RFID天线外周的多个倒F天线（1），用于辐射出无线电波；馈电网络（2），其信号输入端连接到天线接口5以输入要发射的信号，其多个信号输出端分别连接到所述多个倒F天线（1）；介质板（3）；贴片电阻（4），用于对馈电网络的输入端进行阻抗匹配；连接到馈电网络的信号输入端的天线接口（5）。本发明的RFID天线采用三个小型化耦合器级联设计馈电网络，采用多个倒F天线环绕馈电网络排列，实现了馈电网络和辐射结构的小型化，结构简单、圆极化工作频带宽、增益稳定。

Description

一种RFID天线

技术领域

本发明涉及一种RFID天线，属于通信天线的技术领域。特别的，涉及一种可用于射频识别的小型化、宽带圆极化RFID读写器天线。

随着物联网时代的到来，射频识别（Radiofrequencyidentification，RFID）技术将在物流、仓储、运输等方面进一步发挥作用。RFID技术中最重要的部件之一就是读写器天线，读写器天线直接影响RFID技术产业化的成本。并且，读写器天线的性能、体积和成本三者之间的矛盾也是限制RFID技术爆发式增长的瓶颈所在。因此，设计实现低成本、小体积、圆极化性能好、增益高的RFID天线具有迫切的现实意义。

现有技术中的RFID读写器天线存在尺寸大、带宽窄以及成本高的缺点。例如，有的FRID读写器天线为了实现天线小型化，采用了高介电常数的厚板材，这种天线存在的缺陷是高介电常数材料本身成本高难获取，以及使得板材厚度达到40mm，大大增加了天线的体积。在另一种FRID读写器天线中，采用的是介电常数为10.2的微波板材，同样属于价格较高的材料。虽然为了减小体积而降低板材厚度，但是也导致了轴比小于3的圆极化带宽非常窄，例如只有1.5%。因此，有必要改进现有的RFID天线的结构，使得可以采用低介电常数的板材，在保证圆极化、宽带宽的情况下实现天线的小型化和低成本化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种RFID天线，能够广泛适用于RFID技术，该天线在实现圆极化的同时，还具有以下结构简单、造价低、尺寸小、工作频带宽、增益稳定等优点。

根据本发明的一个方面，提供了一种RFID天线，包括：多个倒F天线1，环绕设置在RFID天线的外周，用于辐射出无线电波；馈电网络2，设置在介质板3上，具有一个信号输入端和多个信号输出端，该信号输入端连接到天线接口5以输入要发射的信号，该多个信号输出端分别连接到所述多个倒F天线1；介质板3，用于承载馈电网络2和多个倒F天线1；贴片电阻4，设置在馈电网络2的其他输入端，用于对馈电网络进行阻抗匹配；以及天线接口5，连接到馈电网络的信号输入端，用于输入信号给RFID天线。

其中，所述馈电网络2包括彼此级联连接的3个耦合器A、B、C，每个所述耦合器具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口，其中，耦合器A的两个输出端口分别连接到耦合器B和耦合器C的第一输入端口以形成级联结构。

优选的，每个所述耦合器都形成为宽度远小于其长度的扁平状耦合器结构。

其中，第一输入端口与第二输入端口之间的耦合线形成为长度为L的直线状耦合线，第一输出端口与第二输出端口之间的耦合线形成为长度为L的直线状耦合线；第一输入端口与第一输出端口之间的耦合线形成为宽度远小于L的弯折状耦合线，第二输入端口与第二输出端口之间的耦合线形成为宽度远小于L的弯折状耦合线。

优选的，所述弯折状耦合线的水平部分长度为a和c，竖直部分长度为b，a、b、c满足以下关系：L/2.5<a=c≤L/2；且b远小于L。

优选的，所述两条直线状耦合线之间的间隙s在0.1-6mm的长度范围内。

其中，耦合器A的第一输入端口a1构成馈电网络2的信号输入端，其连接到天线接口5以输入要发射的信号；耦合器B、C的四个输出端口b3、b4、c3、c4构成馈电网络的信号输出端，其分别连接到一个倒F天线；以及耦合器A、B、C的第二输入端口a2、b2、c2分别连接到贴片电阻以进行阻抗匹配。

优选的，所述耦合器B、C的四个输出端口b3、b4、c3、c4与对应的倒F天线之间的连接线的延伸长度相等。

其中，耦合器A的第一输出端口a3与第二输出端口a4之间具有90°相位差；耦合器B的第一输出端口b3与第二输出端口b4之间具有90°相位差；耦合器C的第一输出端口c3与第二输出端口c4之间具有90°相位差；以及耦合器A的第二输出端口a4与耦合器C的第一输入端口c1之间具有90°相位差。

其中，每个所述倒F天线包括馈电管脚101、短路管脚102和辐射臂103，馈电管脚101和短路管脚102设置在辐射臂103的一端部，其中：馈电管脚101连接到馈电网络的输出端口；短路管脚102电连接到介质板3背面的接地板；辐射臂103构成倒F天线1的辐射部，用于辐射出无线电波。

优选的，每个所述倒F天线1的辐射臂103的长度为RFID天线工作频率对应波长的四分之一左右。

其中，所述介质板3的一个表面印刷有馈电网络2，另一个表面为接地板。

如上所述，本发明提供了一种结构新颖、简单、实用的RFID天线，其馈电网络采用三个耦合器级联而成，采用耦合线结构设计耦合器，实现整个馈电网络的小型化，馈电网络的四个输出端口分别连接四个倒F天线，这种四馈电天线具有更优秀的圆极化特性和宽带性能。四个倒F天线长度约为工作频段对应波长的四分之一，因此相比于传统半波长微带天线结构，具有更小的尺寸。此外，馈电网络通过印刷电路板工艺实现，采用普通射频微波板材即可，无需价格高昂的高介电常数板材。

本发明的RFID天线的主要优点是成本低廉、结构简单、尺寸小、重量轻、圆极化工作频带宽、增益稳定，具有良好的推广应用前景。

附图说明

图1显示了现有技术的RFID天线中耦合器的结构示意图；

图2显示了本发明RFID天线的耦合器的结构示意图；

图3显示了本发明的RFID天线的结构示意图；

图4显示了本发明的RFID天线的原理示意图；

图5显示了本发明RFID天线的回波损耗实验结果；

图6显示了本发明RFID天线的轴比特性图；

图7显示了本发明RFID天线的增益特性图。

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，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1显示了现有技术的RFID天线中耦合器的结构示意图。

如图1所示，现有技术的RFID天线的定向耦合器设置有四个端口，包括两个输入端口（1端口port1和2端口port2），两个输出端口（3端口port3和4端口port4）。当1端口输入，2端口阻抗匹配时（例如，通常采用50欧姆电阻进行阻抗匹配），3端口和4端口可以实现等功率输出，并且具有90°相位差。

参见图1，现有技术的RFID天线的定向耦合器通常采用正方形结构，正方形的四个边的边长相等，例如均为长度L。这种结构的耦合器的主要缺陷是占用面积大，使得采用这种结构耦合器组成的馈电网络尺寸很大，不能实现器件的小型化。

图2显示了本发明RFID天线的耦合器的结构示意图。

如图2所示，本发明RFID天线的耦合器形成为宽度远小于其长度的扁平状耦合器结构。耦合器具有第一输入端口port1、第二输入端口port2，第一输出端口port3和第二输出端口port4。当port1端口输入，port2端口匹配阻抗时，port3端口和port4端口可以实现等功率输出，并且具有90°相位差，从而实现将信号能量以幅度等分且相位差90度的方式分配到两个输出端口。

参见图2，第一输入端口与第二输入端口之间的耦合线形成为长度为L的直线状耦合线，第一输出端口与第二输出端口之间的耦合线形成为长度为L的直线状耦合线。特别的，第一输入端口与第一输出端口之间的耦合线形成为宽度远小于长度L的弯折状耦合线“a-b-c”，第二输入端口与第二输出端口之间的耦合线形成为宽度远小于长度L的弯折状耦合线“a-b-c”。

如上所述，本发明的耦合器左右两边的耦合线设计为扁平状的弯折结构，例如

形状，使得耦合器上下两边耦合线的距离尽量靠近，从而在整体上大大缩小了耦合器的尺寸和占用面积。

在图2所示的优选实施例中，耦合器左右两边弯折状耦合线的长度为a和c，宽度为b，a与c之间以及耦合器上下两边直线状耦合线之间的间隙距离为s，满足L/2.5<a=c≤L/2关系。b的长度即为弯折状耦合线的宽度，该宽度远小于长度L。优选的，b的长度设计为在制作工艺允许的情况下尽量的小，使得间隙s在工艺上可以实现在0.1-6mm的长度范围内，更优选的，使得s在0.1-2mm的长度范围内，这样确保耦合器的占用面积尽量的小，从而实现馈电网络的尺寸小型化。

本发明中，直线状耦合线的长度L值为天线工作频率对应波长的四分之一左右。

进一步，在b的长度设计为尽量小的情况下，间隙s的距离相对于a、c的长度来说可以忽略不计，优选的，弯折状耦合线的横向长度（即图2中的a或c的长度）尽量接近上下两边直线状耦合线的长度L的一半（L/2）。

本发明的上述扁平状耦合器结构具有以下技术效果。

（1）将耦合器上下两边耦合线的距离尽量拉近，显著的减小耦合器的占用面积，实现馈电网络的尺寸小型化，使得RFID天线整体电路中间空余的电路板得到充分利用，达到小型化的目的。

（2）通过将耦合器左右两边的耦合线形成为弯折状耦合结构，使得左右两边弯折结构的耦合线电长度减小到传统传输线电长度的一半（即电长度减少50%左右）。

（3）通过拉近耦合器上下两边耦合线的距离，使得原来没有电磁影响的上下两边耦合线由于靠的很近，变成了有电磁影响的耦合线结构；同时，通过左右两边弯折状耦合线的紧密连接，引入了一个新的自由参数（即耦合线的耦合系数），该参数可以自由控制耦合器的缝隙宽度和线宽，有效的优选出带宽增强的耦合器，提高了耦合器设计的灵活度。

图3显示了本发明的RFID天线的结构示意图。

参见图3，本发明的RFID天线包括以下部分：多个倒F天线1、馈电网络2、介质板3、贴片电阻4以及天线接口5。

多个倒F天线1环绕设置在RFID天线的外周，用于辐射出无线电波，构成RFID天线的辐射部。如图3所示，在本发明中，多个倒F天线1环绕设置在馈电网络2的周围，沿着馈电网络环绕排列以形成环形阵列，实现天线的宽带圆极化特性。

具体的，每个倒F天线包括馈电管脚101、短路管脚102和辐射臂103。其中，馈电管脚101和短路管脚102设置在辐射臂103的一端部，并从该端部伸出。馈电管脚101连接到馈电网络的输出端口，具体来说是通过从馈电网络输出端口延伸出来的微带线连接到馈电网络的输出端口。短路管脚102电连接到介质板3背面的接地板。馈电管脚101和短路管脚102均通过金属螺丝固定到介质板3的金属过孔上，从而实现上述的电气连接。辐射臂103构成倒F天线1的辐射部，用于辐射出无线电波，发出或接收无线信息，辐射臂103例如形成为金属臂，通过钣金或模具等金属成型手段加工。

在图3所示的优选实施例中，示例性的设置有4个倒F天线1，沿着馈电网络正方形环绕排列，但是本发明不限制于此，也可以根据实际应用情况设置2个或更多个倒F天线1，以合适的方式环绕排列在馈电网络周围，例如三角形环绕、四边形环绕、圆形环绕等。

辐射臂103的长度根据天线的实际制造尺寸适当调整，通常使得该长度在天线的整体尺寸范围内尽量长，优选的，辐射臂103的长度保持为天线工作频率对应波长的1/4左右。另外，馈电管脚101或短路管脚102构成倒F天线1的高度，通常高度约在8～20mm的范围内。

馈电网络2设置在介质板3上，用于对多个倒F天线1提供信号。具体来说，馈电网络2用于将输入的射频信号执行能量等分（等功率输出）并以顺序相位差90度的方式从四个输出端口输出。本发明的优选实施例中，馈电网络2包括彼此级联连接的3个耦合器。具体来说，参见图3，馈电网络2包括3个耦合器A、B、C，耦合器A具有第一输入端口a1、第二输入端口a2、第一输出端口a3和第二输出端口a4，耦合器B具有第一输入端口b1、第二输入端口b2、第一输出端口b3和第二输出端口b4，耦合器C具有第一输入端口c1、第二输入端口c2、第一输出端口c3和第二输出端口c4。耦合器A的第一输出端口a3连接到耦合器B的第一输入端口b1，耦合器A的第二输出端口a4连接到耦合器C的第一输入端口c1，由此构成级联结构，共同形成馈电网络。

耦合器A的第一输入端口a1构成馈电网络的信号输入端，其连接到天线接口5以输入要发射的信号。耦合器B、C的输出端口b3、b4、c3、c4构成馈电网络的信号输出端，其分别连接到一个倒F天线，从而通过倒F天线将馈电网络输出的信号发射出去。耦合器A、B、C的第二输入端口a2、b2、c2分别连接到贴片电阻以进行阻抗匹配。

优选的，耦合器B、C的输出端口b3、b4、c3、c4与对应的倒F天线之间连接线的延伸长度相等，该长度优选的设置为在RFID天线整体尺寸允许的情况下尽量的短。

介质板3用于承载馈电网络2和倒F天线1。介质板3的一个表面印刷有馈电网络2，另一个表面为接地板，例如接地的金属板。本发明中介质板3可以采用介电常数为2.2、2.55、2.6、3.48、4.4、10.2等的介质板。通常，介电常数为10.2的介质板属于价格高、原料少的材料，大量使用会导致天线成本增加；介电常数为4.4～4.6的介质板稳定性表现不理想。介电常数为2.2的介质板价格便宜、原料充足，稳定性可靠。本发明的优选实施例中，介质板3采用介电常数2.2的射频板材上，尺寸优选为106mm×106mm，但是不限制于此。

贴片电阻4，设置在馈电网络中各耦合器的第二输入端口，用于对馈电网络进行阻抗匹配。在图3的示例中，贴片电阻4采用50欧姆的贴片电阻，分别设置在耦合器A的2端口a2、耦合器B的2端口b2以及耦合器C的2端口c2，用于对这些耦合器的输入进行阻抗匹配。

天线接口5连接到馈电网络的输入端，用于输入信号给RFID天线。具体的，天线接口5连接到耦合器A的输入端a1，RFID天线通过天线接口5连接到RFID读写器上，将RFID读写器发出的信号输送给RFID天线并发射出去。图3中，天线接口5示例性的设置在RFID天线的中间位置，但不限制于此，而是可以根据实际需要设置在RFID天线中间或者边缘。本发明的优选实施例中，天线接口5实施为SMA（Sub-Miniature-A）接口模式的无线电天线接口。

图4显示了本发明的RFID天线的原理示意图。

下面，参照图3和图4描述本发明的RFID天线的原理。

如图3和图4所示，输入信号从耦合器A的第一输入端口a1输入，第二输入端口a2接负载阻抗（例如50欧姆贴片电阻），第一输出端口a3连接到耦合器B的第一输入端口b1，第二输出端口a4通过连接线连接到耦合器C的第一输入端口c1。这里，耦合器A的第一输出端口a3与第二输出端口a4之间设置成具有90°相位差。

耦合器B的第一输出端口b3与第二输出端口b4之间设置成具有90°相位差，分别与倒F天线1和倒F天线2连接。

耦合器C的第一输出端口c3与第二输出端口c4之间设置成具有90°相位差，分别与倒F天线3和倒F天线4连接。

进一步，将耦合器A和C之间的连接线设置成具有移相功能，使得相位变化90°，从而使得耦合器A的第二输出端口a4与耦合器C的第一输入端口c1之间具有90°相位差。

通过采用上述馈电网络的设置结构，可以实现耦合器C的c1端口与耦合器B的b1端口之间具有180°相位差。另外，耦合器B的b3与b4之间具有90°相位差，耦合器C的c3与c4端口之间具有90°相位差。结果，使得倒F天线1、倒F天线2、倒F天线3、倒F天线4依次具有90°相位差，即四个天线的接口相对相位分别是0°、90°、180°、270°，由此实现馈电网络的功能。

如上所述，本发明提出了一种耦合线的新型耦合器结构，大大减小了耦合器的尺寸和占用面积。进一步，本发明提出通过3级耦合器级联形成具有4端口输出的馈电网络，4个输出端口输出信号的幅度相等，相对相位分别0°、90°、180°和270°，从而实现馈电网络功能。进一步，本发明采用四个倒F天线配合馈电网络，实现小型化、宽带圆极化的RFID天线。

实际使用过程中，将信号源连接到RFID天线的天线接口，激励信号通过馈电网络为四个倒F辐射单元馈电，四个倒F天线共同作用将电磁波的能量辐射出去，完成无线通信的功能。

下面介绍本发明RFID天线的一个优选实施例。

在本发明的一个优选实施例中，RFID天线的工作频率设置在915MHz，采用介电常数2.65、厚度为1mm的介质板，介质板的整体尺寸为106mm×106mm。

每个倒F天线的辐射臂103的长度为75mm，辐射臂103的宽度为2mm，厚度为1mm。倒F天线的馈电管脚101和短路管脚102的高度为10mm，宽度为3mm，厚度为1mm。

耦合器A、B、C中，直线状耦合线的长度L值优选为55mm，弯折状耦合线的长度a=c=24mm，弯折状耦合线的宽度b=7mm，此时，上下两边直线状耦合线之间的间隙s=1mm。

以上各个部件的参数取值仅表示本发明RFID天线的一个优选实施例，不构成对本发明的限制。

下面介绍本发明的RFID天线进行试验和仿真试验的结果。

图5显示了本发明RFID天线的回波损耗实验结果。

参见图5，图中的横坐标为频率分量，单位为MHz，纵坐标为幅度分量，单位为dB。采用本发明的RFID天线进行信号辐射，工作频段设置在850～1025MHz范围内，通过实验测量RFID天线的回波损耗情况。通过图5可以看出，本发明RFID天线在工作频带内的回波损耗小于-15dB，具有优异的频率特性。

图6显示了本发明RFID天线的轴比特性图。

参见图6，图中横坐标为频率分量，单位为MHz，纵坐标为幅度分量，单位为dB。采用本发明的RFID天线进行信号辐射，工作频段设置在720～1000MHz范围内，通过实验测量RFID天线的轴比特性。通过图6可以看出，本发明RFID天线在工作频带内的轴比小于3dB，具有优异的轴比特性。

图7显示了本发明RFID天线的增益特性图。

参见图7，图中横坐标为频率分量，单位为MHz，纵坐标为幅度分量，单位为dB。采用本发明的RFID天线进行信号辐射，工作频段分别设置在850～1025MHz和720～1000MHz范围内，通过实验测量RFID天线的增益特性。通过图7可以看出，本发明RFID天线在上述两个带宽的公共带宽内增益平滑稳定，具有良好的增益稳定性。

综上所述，本发明提供了一种小型宽带圆极化的RFID天线，其利用耦合线结构设计小型化耦合器，通过三个小型化耦合器级联形成馈电网络，实现馈电网络的小型化。进一步，采用多个倒F天线实现辐射结构的小型化，从而实现RFID天线整体尺寸的小型化。同时，通过馈电网络和多个倒F天线环形组阵，实现了宽带圆极化特性。

此外，本发明RFID天线中馈电网络结构适合采用印刷电路板工艺（PCB）和金属成型，相比于芯片形式的馈电网络来说，具有本发明结构特性的馈电网络可以大大降低生产成本。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (12)

1.一种RFID天线，包括：

多个倒F天线（1），环绕设置在RFID天线的外周，用于辐射出无线电波；

馈电网络（2），设置在介质板（3）上，具有一个信号输入端和多个信号输出端，该信号输入端连接到天线接口（5）以输入要发射的信号，该多个信号输出端分别连接到所述多个倒F天线（1）；

介质板（3），用于承载馈电网络（2）和多个倒F天线（1）；

贴片电阻（4），设置在馈电网络（2）的其他输入端，用于对馈电网络进行阻抗匹配；以及

天线接口（5），连接到馈电网络的信号输入端，用于输入信号给RFID天线。

2.根据权利要求1所述的天线，所述馈电网络（2）包括彼此级联连接的3个耦合器A、B、C，每个所述耦合器具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口，其中，耦合器A的两个输出端口分别连接到耦合器B和耦合器C的第一输入端口以形成级联结构。

3.根据权利要求2所述的天线，每个所述耦合器都形成为宽度远小于其长度的扁平状耦合器结构。

4.根据权利要求3所述的天线，其中，

第一输入端口与第二输入端口之间的耦合线形成为长度为L的直线状耦合线，第一输出端口与第二输出端口之间的耦合线形成为长度为L的直线状耦合线；

第一输入端口与第一输出端口之间的耦合线形成为宽度远小于长度L的弯折状耦合线，第二输入端口与第二输出端口之间的耦合线形成为宽度远小于长度L的弯折状耦合线。

5.根据权利要求4所述的天线，所述弯折状耦合线的长度为a和c，宽度为b，a、b、c满足以下关系：

          L/2.5<a=c≤L/2；且

          b远小于L。

6.根据权利要求5所述的天线，所述两条直线状耦合线之间的间隙s在0.1-6mm的长度范围内。

7.根据权利要求2所述的天线，其中，

耦合器A的第一输入端口（a1）构成馈电网络（2）的信号输入端，其连接到天线接口（5）以输入要发射的信号；

耦合器B、C的四个输出端口（b3、b4、c3、c4）构成馈电网络的信号输出端，其分别连接到一个倒F天线；以及

耦合器A、B、C的第二输入端口（a2、b2、c2）分别连接到贴片电阻以进行阻抗匹配。

8.根据权利要求2所述的天线，所述耦合器B、C的四个输出端口（b3、b4、c3、c4）与对应的倒F天线之间的连接线的延伸长度相等。

9.根据权利要求2-8中任一项所述的天线，其中，

耦合器A的第一输出端口（a3）与第二输出端口（a4）之间具有90°相位差；

耦合器B的第一输出端口（b3）与第二输出端口（b4）之间具有90°相位差；

耦合器C的第一输出端口（c3）与第二输出端口（c4）之间具有90°相位差；以及

耦合器A的第二输出端口（a4）与耦合器C的第一输入端口（c1）之间具有90°相位差。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的天线，每个所述倒F天线包括馈电管脚（101）、短路管脚（102）和辐射臂（103），馈电管脚（101）和短路管脚（102）设置在辐射臂（103）的一端部，其中：

馈电管脚（101）连接到馈电网络的输出端口；

短路管脚（102）电连接到介质板（3）背面的接地板；

辐射臂（103）构成倒F天线（1）的辐射部，用于辐射出无线电波。

11.根据权利要求10所述的天线，每个所述倒F天线（1）的辐射臂（103）的长度为RFID天线工作频率对应波长的四分之一左右。

12.根据权利要求1-8中任一项所述的天线，所述介质板（3）的一个表面印刷有馈电网络（2），另一个表面为接地板。

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