CN103594776B - 近场天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近场天线，包括：用于屏蔽外界电磁干扰的金属盒体，所述金属盒体包括一平板状的底板以及固定在所述底板上的盖体，所述盖体上开设有与所述底板正对的开口；容纳于所述金属盒体内的第一介质基板、近场耦合线圈以及用于输入射频信号到所述近场耦合线圈的输入端，所述第一介质基板邻近所述开口放置；固定设置于所述金属盒体内并位于所述底板上的第二介质基板，所述第二介质基板、所述第一介质基板以及所述底板互相平行，所述第二介质基板的上表面设置有金属贴片阵列。本发明具有增强近场范围内的磁场强度以及减小近场天线的厚度的有益效果。

Description

近场天线

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，尤其涉及一种近场天线。

背景技术

射频识别系统的读写器发射已调的射频信号到标签。标签由一根天线和芯片组成。芯片从天线上接受能量，以通过改变它的输入阻抗来调制发射信号。这样系统能够使我们同时地读或写多重标签，根据其独一无二的ID，方便并且有选择的激活远处的传感器。

目前，超高频近场射频识别技术得到了很大的关注。在超高频近场射频识别应用中的一大挑战是设计电大尺寸读写器天线，要求天线在可识别区域中有均匀而且足够强的磁场分布。传统的周长与波长差不多长的实线圈在天线的近场区不能产生统一的磁场分布。由于近场范围内的磁场的强度较小，具有100%读写率的可识别区域被限制在较狭窄的范围内。并且，采用这样种方式的读写器天线的厚度比较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术中的读写器天线产生的磁场强度较小、厚度较大的缺陷，提供一种厚度更薄、产生的磁场强度更大的近场天线。

本发明解决技术问题采用的技术手段是：提供一种近场天线，包括：

用于屏蔽外界电磁干扰的金属盒体，所述金属盒体包括一平板状的底板以及固定在所述底板上的盖体，所述盖体上开设有与所述底板正对的开口；

容纳于所述金属盒体内的第一介质基板、近场耦合线圈以及用于输入射频信号到所述近场耦合线圈的输入端，所述第一介质基板邻近所述开口放置，所述近场耦合线圈及所述输入端均安装在所述第一介质基板上，且所述近场耦合线圈安装在所述第一介质基板朝向开口的一面上；

固定设置于所述金属盒体内并位于所述底板上的第二介质基板，所述第二介质基板、所述第一介质基板以及所述底板互相平行，所述第二介质基板的上表面设置有金属贴片阵列，所述金属贴片阵列包括若干间隔相同距离的矩形的金属贴片；所述金属贴片阵列在所述第一介质基板上的垂直投影在所述近场耦合线圈内。

在本发明提供的近场天线中，所述近场耦合线圈为分段耦合线圈，并且所述近场耦合线圈包括位于同一平面上的相互耦合的内圈和外圈。

在本发明提供的近场天线中，所述内圈和所述外圈均呈矩形框体状且同轴设置。

在本发明提供的近场天线中，所述输入端包括两个用于输入信号的金属条，每个所述金属条的长度为输入信号的波长的四分之一，该两个金属条分别设置于所述第一介质基板的两面。

在本发明提供的近场天线中，所述第一介质基板和所述第二介质基板之间设置有绝缘介质填充层。

在本发明提供的近场天线中，所述第一介质基板和所述第二介质基板之间通过用绝缘材料制成的螺钉固定连接。

在本发明提供的近场天线中，每个所述金属贴片呈正方形。

在本发明提供的近场天线中，每个所述金属贴片粘贴于所述第二介质基板上。

实施本发明提供的近场天线相对于现有技术具有以下有益效果：由于本发明提供的近场天线在近场耦合线圈与金属盒体的底板之间设置有金属贴片阵列，近场耦合线圈产生的朝向底板的电磁波经过金属贴片阵列以及底板的作用 反射回去并且在近场耦合线圈处的相位变化为360度，并与近场耦合线圈产生的朝向出口方向的电磁波叠加，加强了近场范围内的磁场强度；并且与现有技术中没有设置金属贴片阵列的背腔天线相比，还减小了近场耦合线圈与金属盒体的底板之间的距离，进而减小了近场天线的厚度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例中的近场天线的立体结构示意图；

图2是本发明一实施例中的近场天线的侧视视角的平面结构示意图；

图3是本发明一实施例中的近场天线的俯视视角的平面结构示意图；

图4是本发明一实施例中的近场天线和现有技术中的背腔天线的读写率随着天线间隔标签的距离的变化趋势对比图；

图5是本发明一实施例中的近场天线和现有技术中的背腔天线的近场耦合线圈上方0.5mm平面内的最小磁场随着近场耦合线圈离金属盒体底板的距离变化而变化的变化趋势对比图；

图6是本发明一实施例中的一对相邻的金属贴片与底板的等效电路图。

具体实施方式

图1示出了本发明一实施例中的近场天线的结构示意图，该近场天线为电大尺寸近场天线用于射频识别的读写器。其包括金属盒体10、第一介质基板20、第二介质基板30、近场耦合线圈40、金属贴片阵列50、输入端60。

同时参照图2，金属盒体10用于屏蔽外界电磁干扰。第二介质基板30设置于金属盒体10内并位于底板11上，用于供金属贴片阵列50安装于其上并将金属贴片阵列50与金属盒体10的底板11隔开。第一介质基板20设置于金属盒体10内并邻近金属盒体10的开口，用于供近场耦合线圈40安装于其朝向开口的一面上。近场耦合线圈40用于在近场范围内产生均匀的磁场。输入 端60设置在第一介质基板20上，并用于输入信号给近场耦合线圈40。

金属贴片阵列50用于和金属盒体10的底板11一起将近场耦合线圈40产生的朝向金属盒体10的底板11方向的电磁波反射回去，并且当反射回去的电磁波在近场耦合线圈40处的相位改变量刚好为360度。这使得反射回去的电磁波与近场耦合线圈40产生的朝向金属盒体10的开口方向的电磁波叠加，从而增强近场范围内的磁场强度。

对于没有设置金属贴片阵列50的天线，也即是背腔天线，电磁波在被反射板反射时的瞬间相位改变为180度，因此要使得反射回去的电磁波在耦合线圈处的相位改变为360度，反射板距离耦合线圈的最小距离为波长的四分之一。而本发明中，由于金属贴片阵列50的存在，近场耦合线圈40距离金属盒体10的底板11的距离远小于波长的四分之一，因此，本发明相对于现有技术，还减小了近场天线的厚度。

具体地，该金属盒体10呈长方体结构，其包括一矩形平板状的底板11以及固定在底板11上的盖体（未标号），该盖体上开设有与底板11正对的开口。当然，该金属盒体10也可以为其他形状，但底板11皆应为平板状。可以理解地，该金属盒体10也可以采用非金属材料制成，并在该非金属材料表面上喷涂金属涂料。

该第一介质基板20和第二介质基板30均可以为PCB板或者FR4材料制成的基板。该第一介质基板20和第二介质基板30均呈矩形且均互相平行且正对，并且第一介质基板20和第二介质基板30还与底板11平行。可以理解地，第一介质基板20和第二介质基板30也可以为其他形状。第一介质基板20和第二介质基板30之间设置有绝缘介质填充层，以达到将第一介质基板和第二介质基板隔开预定距离的目的。或者，第一介质基板20和第二介质基板30之间通过用绝缘材料制成的螺钉固定连接，以达到将第一介质基板和第二介质基板隔开预定距离的目的。

如图3所示，近场耦合线圈40为分段耦合线圈，其包括互相耦合且位于 同一平面上的内圈41和外圈42。内圈41和外圈42均呈矩形框体状的且分别由一圈由金属条形成的弯折线，该两圈弯折线互相耦合，内圈41和外圈42均分成长度相等的若干段，内圈41和外圈42的同轴设置。该金属条的横截面是矩形或者正方形。采用分段耦合线圈可以减少沿着近场耦合线圈40的电流相位的累积，这样在两个相邻部分的相位延迟接近零，电流就可以沿着同一方向传输。因为分段耦合线圈上的电流是同相的，所以采用这种分段耦合线圈可以在近场范围内产生均匀的磁场分布，有助于实现100%的读写率。信号输入该分段耦合线圈后，由内圈41的一段金属条耦合到外圈42的一段金属条，然后再由外圈耦合到内圈41的一段金属条，依次类推，信号并以此方法在该分段耦合线圈内流动。

可以理解地，内圈41和外圈42也可以不在同一个平面内，并且内圈41和外圈42的形状并不限于矩形，还可以为椭圆形或者圆形。

对于该第一介质基板20与金属贴片阵列之间距离的选择采用计算机软件仿真得到，通过计算机软件仿真，可以得到一个最佳位置，在该位置上距离最小且近场范围内的磁场强度也较强。

输入端60包括两个用于输入信号的金属条，每个金属条的长度为输入信号的四分之一波长，该两个金属条分别设置于第一介质基板20的两面，当然也可以在同一个面上。该两个金属条并分别与内圈41的相邻的两段金属条电连接。并且电接触点分别位于该两段金属条的上下两面。采用这种长度的金属条作为信号输入端可以将信号以更低损耗地传输到近场耦合线圈40上。进一步地，每一条金属条还可以做成折线形，只要每一金属条的总长度为四分之一波长即可。这样可以节约空间，将该近场天线的尺寸做得更小。

该金属贴片阵列50包括若干金属贴片，该若干金属贴片粘贴在第二介质基板30上。金属贴片均呈矩形，优选为正方形。该若干金属贴片间隔相同距离，该距离与近场耦合线圈40发出的电磁波的波长有关。金属贴片阵列50的反射波的相位瞬间发生改变，根据相位改变的大小，确定近场耦合线圈40 的放置的位置，使之发出的朝向开口方向的电磁波与反射回来的电磁波的相位的改变量加起来等于360度的倍数。这样反射波与近场耦合线圈40产生的向上的辐射波产生干涉现象，将向上的辐射波增强，从而可以增加磁场的强度。

相邻两块金属贴片与金属盒体10的底板11的等效电路如图6所示，相邻两块金属贴片的间隙等效为第一电容C1,它们与金属盒体10的底板11分别等效为第二电容C2,流经底板11的电流等效为电感L的电流。

根据公式工作频率与C1，C2以及L都有关。当金属贴片之间的间隙变小时,第一电容C1变大,工作频率f变小。当第二介质基板30的厚度变大时，L变大，这样工作频率变小。

定量的结构尺寸可以通过仿真软件来观察金属贴片阵列50表面反射波的相位变化来确定。得到的参数需要放在整个近场天线系统中来进行仿真调整以确定它的最终尺寸。

金属贴片的个数的上限是由金属盒体10的尺寸决定，也即是一排上的金属贴片的总长度要小于底板11的宽度，而金属贴片个数的下限由近场耦合线圈40的尺寸决定，也即是一排上的金属贴片的总长度要与近场耦合线圈40的宽度相当。

在本实施例中，第一介质基板20和第二介质基板30均为FR4材料，第一介质基板20的厚度为0.5mm，第二介质基板30的厚度为3.1mm，第一介质基板20的底面到底板11的距离为30mm。金属贴片阵列50包括四快正方形的金属贴片。根据这个模型产生的磁场能在距离天线36mm的距离范围内实现100%的读写率。

如图4所示，采用本发明的设置有金属贴片阵列50的近场天线的读写率为100%的区域大于现有技术中没有设置金属贴片阵列50的背腔天线的读写率为100%的区域。因此，在相同尺寸的条件下，本发明还可以增大具有100%读写率的区域范围。

100%的读写率通常是由在可读写区域内最小的磁场来决定的，如图5表示 的是本发明的近场天线和没有设置金属贴片阵列50的背腔式天线在可读区域内的某一平面上模拟的最小磁场，此平面在第一介质基板20上方0.5mm处。

应当理解的是，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种近场天线，其特征在于，包括：

用于屏蔽外界电磁干扰的金属盒体（10），所述金属盒体（10）包括一平板状的底板（11）以及固定在所述底板（11）上的盖体，所述盖体上开设有与所述底板（11）正对的开口；

容纳于所述金属盒体（10）内的第一介质基板（20）、近场耦合线圈（40）以及用于输入射频信号到所述近场耦合线圈（40）的输入端（60），所述第一介质基板（20）邻近所述开口放置，所述近场耦合线圈（40）及所述输入端（60）均安装在所述第一介质基板（20）上，且所述近场耦合线圈（40）安装在所述第一介质基板（20）朝向所述开口的一面上；

固定设置于所述金属盒体（10）内并位于所述底板（11）上的第二介质基板（30），所述第二介质基板（30）、所述第一介质基板(20)以及所述底板(11)互相平行，所述第二介质基板(30)的上表面设置有金属贴片阵列(50)，所述金属贴片阵列(50)包括若干间隔相同距离的矩形的金属贴片。

2.根据权利要求1所述的近场天线，其特征在于，所述近场耦合线圈(40)为分段耦合线圈，并且所述近场耦合线圈(40)包括相互耦合的内圈（41）和外圈（42）。

3.根据权利要求2所述的近场天线，其特征在于，所述内圈（41）和所述外圈（42）均呈矩形框体状且同轴设置。

4.根据权利要求3所述的近场天线，其特征在于，所述输入端(60)包括两个用于输入信号的金属条，每个所述金属条的长度为输入信号的波长的四分之一，该两个金属条分别设置于所述第一介质基板(20)的两面。

5.根据权利要求1所述的近场天线，其特征在于，所述第一介质基板（20）和所述第二介质基板（30）之间设置有绝缘介质填充层。

6.根据权利要求1所述的近场天线，其特征在于，所述第一介质基板（20）和所述第二介质基板（30）之间通过用绝缘材料制成的螺钉固定连接。

7.根据权利要求1所述的近场天线，其特征在于，每个所述金属贴片呈正方形。

8.根据权利要求1所述的近场天线，其特征在于，每个所述金属贴片粘贴于所述第二介质基板（30）上。