超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线
技术领域
本发明涉及物联网技术中射频识别(Radio Frequency Identification,简称RFID)技术领域,特别涉及一种超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线。
背景技术
物联网技术是继互联网技术之后,未来信息技术发展的重要方向。射频识别(Radio Frequency Identification,简称RFID)技术则是物联网的核心技术之一。RFID技术是利用无线信号进行非接触的双向通信,可以自动识别目标,获取目标相关数据和信息的技术。它在人类日常生活有广泛应用,可用于金融系统的身份识别、大型超市和仓库的物品管理、交通运输系统车辆监控、工业生产中的安全盟控和供应链管理、医疗卫生系统信息管理、图书档案管理及军事防御等诸多领域,可以极大的提高人类生产和生活的便捷性、安全性和效率,对中国建设资源节约型和环境友好型社会亦有极大的推动作用。
依据技术类型不同,工作距离在几十厘米到几十米范围内RFID系统可以工作在不同的频率,按照工作频率可以分为低频(LF,125~135KHz)、高频(HF,13.56MHz)、超高频(UHF,840~960MHz)和微波(MW,2.4~2.5GHz)等系统。LF和HF频段RFID技术均采用近场工作原理,当前已经比较成熟,在日常生活中,各种门卡、银行卡、公交卡等都是其具体应用,但由于近场电磁储能衰减很快,其读写区域和距离不大,通常在几十厘米的范围内。
UHF频段RFID系统依据各国标准不同,其工作频率主要分布在840~960MHz范围,对应工作波长在33cm左右,读写器天线的尺寸通常在十几到几十厘米量级或更大,读写器天线的尺寸从根本上决定了整个读写器系统的尺寸。
由于各国在UHF频段下,RFID系统的工作频率不同,约在840~960MHz范围内。通过设计高带宽的读写器天线,满足各国的频率标准,可以有效提高天线的通用性、便捷性,降低天线的制作和转换成本。因而高带宽、通用读写器天线设计也是国际上的研究热点之一。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线,以实现天线小型化并覆盖目前国际上的整个UHF频段。
(二)技术方案
为达到上述目的,本发明提供了一种超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线,该读写器天线包括基板材料1、平面天线2、共面波导3、串联匹配电感4、对地并联匹配电容5和UHF频段RFID读写器电路模块6,其中:平面天线2在基板材料1的上表面,UHF读写器电路模块6及共面波导3在基板材料1的下表面,在上下表面印刷部件通过第一导电通孑L7实现电气连接;UHF频段RFID读写器电路模块6与平面天线2共地,通过基板材料1上的第二导电通孔7’实现共地连接,并且二者通过共面波导3实现连接和馈电。
上述方案中,所述平面天线2是由倒F型天线经由多次平面构型增加天线谐振长度后演变而来。
上述方案中,通过在倒F型天线的地平面边沿添加直角折形微带线,增加天线的谐振长度。通过在倒F型天线的地平面开矩形缝隙,在天线地平面边沿形成了微带线,进一步增加了天线的谐振长度。
上述方案中,通过在倒F原型天线的末端添加微带线并与直角折形微带线构成缝隙电容耦合;亦或通过缝隙间焊接集总电容元件,进一步增加耦合强度。通过在微带线上开矩形缝隙,提高天线的极化特性。
上述方案中,通过在天线上加载并联对地的叉指电容和串联折线电感,实现天线的精确阻抗匹配。
上述方案中,所述共面波导3由中心信号线301和两侧地平面302、303构成;所述UHF频段RFID读写器电路模块6经由共面波导3的中心信号线301及第一导电通孔7与平面天线2连接,对平面天线2实现馈电;所述共面波导3两侧的地平面302、303则通过第二导电通孔7’与平面天线2的地平面8连接。
上述方案中,所述串联匹配电感4为折线型,所述对地并联匹配电容5为叉指型,二者均通过印刷电路制作,用来实现对电感值、电容值的精确控制。对于串联匹配电感4,是通过改变线长、线宽及折线单元数目来改变电感值的大小;对于对地匹配电容5,是通过改变叉指电容的间隙、长度、叉指单元数目来改变电容值的大小。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本发明具有以下有益效果:
1、针对目前UHF频段RFID读写器天线尺寸较大的特点,本发明在倒F型天线的基础上,通过平面构型,在有限的面积内增加整个天线的谐振长度,实现天线的小型化。
2、本发明提供的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线,将UHF频段RFID读写器电路模块与天线集成在同一块基板上,进一步缩减了整个UHF频段RFID读写器系统的体积;同时,该天线具有超带宽特性,并覆盖目前国际的整个UHF频段840MHz~960MHz。
3、本发明提供的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线,通过加载并联对地的叉指电容和串联折线电感,实现天线的阻抗匹配,提高带宽性能;此外,该超宽带天线结构,也可用于其它频段的天线或阵列天线设计。
4、本发明提供的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线,通过并联叉指对地电容、串联折线型电感进行阻抗的精确匹配,拓展了天线的工作带宽。
5、本发明提供的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线,与现有技术比,具有体积小、结构简单、工作带宽大、制造成本低、加工一致性高等特点。
附图说明
图1为依照本发明实施例的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线的结构示意图;
图2为图1所示读写器天线由倒F型天线结构演变而来的说明图;
图3为图1所示读写器天线在不同直角折线长度下的回波损耗图;
图4为图1所示读写器天线在不同串联匹配电感下的仿真回波损耗及工作带宽;
图5为图1所示读写器天线的仿真三维增益图;
图6为图1所示读写器天线的仿真结果与测量结果的比较示意图。
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明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
本发明提供的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线,是由传统的倒F型天线经多次变形而来,其核心设计思路是通过天线的平面构型,在有限的面积内增加天线的谐振长度,从而降低工作频率,其中,在所述天线的地平面的边沿添加直角折形微带线,增加整个天线的谐振长度;通过在倒F原型天线的末端,添加微带线并与直角折形微带线构成缝隙电容耦合;亦或通过缝隙间焊接集总电容元件,进一步增加耦合强度。在倒F原型天线的地平面上开凿矩形缝隙,从而在天线地平面边沿形成了微带线,进一步增加了天线的谐振长度。
在本发明提供的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线中,表面电流有相互垂直的两个流向,通过在所述天线开槽所形成的微带线上再次开凿矩形缝隙,形成两条微带线,提高具有较弱表面电流的一个方向的表面电流强度,进而提高天线的极化特性。
如图1所示,图1为依照本发明实施例的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线的结构示意图,该读写器天线包括基板材料1、平面天线2、共面波导3、串联匹配电感4、对地并联匹配电容5和UHF频段RFID读写器电路模块6,其中:平面天线2在基板材料1的上表面,UHF读写器电路模块6及共面波导3在基板材料1的下表面,在上下表面印刷部件通过第一导电通孔7实现电气连接;UHF频段RFID读写器电路模块6与平面天线2共地,通过基板材料1上的第二导电通孔7’实现共地连接,并且二者通过共面波导3实现连接和馈电。
其中,平面天线2是由倒F型天线经由多次平面构型增加天线谐振长度后演变而来。通过在倒F型天线的地平面边沿添加直角折形微带线,增加天线的谐振长度。通过在倒F型天线的地平面开矩形缝隙,在天线地平面边沿形成了微带线,进一步增加了天线的谐振长度。通过在倒F原型天线的末端添加微带线并与直角折形微带线构成缝隙电容耦合;亦或通过缝隙间焊接集总电容元件,进一步增加耦合强度。通过在微带线上开矩形缝隙,提高天线的极化特性。通过在天线上加载并联对地的叉指电容和串联折线电感,实现天线的精确阻抗匹配。
共面波导3由中心信号线301和两侧地平面302、303构成;所述UHF频段RFID读写器电路模块6经由共面波导3的中心信号线301及第一导电通孔7与平面天线2连接,对平面天线2实现馈电;所述共面波导3两侧的地平面302、303则通过第二导电通孔7’与平面天线2的地平面8连接。
串联匹配电感4为折线型,所述对地并联匹配电容5为叉指型,二者均通过印刷电路制作,用来实现对电感值、电容值的精确控制。对于串联匹配电感4,是通过改变线长、线宽及折线单元数目来改变电感值的大小;对于对地匹配电容5,是通过改变叉指电容的间隙、长度、叉指单元数目来改变电容值的大小。
再次参照图1,图1中实线表示基板材料1上表面印刷的部件,虚线则表示基板材料1下表面印刷的部件;在上下表面印刷部件需要电气连接时,通过导电通孔实现;平面天线2在基板材料1的上表面,UHF读写器电路模块6及共面波导3在基板材料1的下表面。
读写器电路模块6通过共面波导3对平面天线2进行馈电;共面波导3由中心信号线301和两侧地平面302和303组成;读写器电路模块6经由共面波导3的中心信号线301及通孔7与平面天线2连接,对平面天线2实现馈电;共面波导3两侧的地平面302和303则通过通孔7’与平面天线2的地平面8连接。
串联匹配电感4为折线型,对地并联匹配电容5为叉指型,它们均通过印刷电路制作,可实现电感值、电容值的精确控制;对于串联匹配电感4可通过改变线长、线宽及折线单元数目来改变电感值的大小;对于对地匹配电容5可通过改变叉指电容的间隙、长度、叉指单元数目来改变电容值的大小。
请结合图2,本发明提供的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线,可看成由传统倒F型天线演变而来;图2(a)是传统的倒F型天线,9是F型辐射单元,10是倒F型天线的地平面;在图2(b)中,在地平面10’的右上边缘添加直角折线型微带线11,其在水平方向的长度为11’,微带线11可增加天线的谐振长度;为了有效的实现对微带线11部分的激励,在原倒F型天线的末端9’添加微带线12,使得微带线12与微带线11间形成缝隙电容耦合,微带线13与微带线11之间的间隙13可以改变耦合强度;必要情况下,也可在间隙13间添加集总电容13’,以增强电容耦合强度;图2(c)是在图2(b)的基础上:通过在地平面10’上开凿矩形框14,形成微带线15,进一步增加天线的谐振长度;图2(d)是在图2(c)的微带线15上,开凿矩形框16,形成另外一条微带线17,以增强竖直方向的表面电流大小,从而达到增强天线极化特性的目的。在图2(d)中,叉指电容18为叉指形,折线电感19为折线形,均通过印刷电路板制作,可优化天线的阻抗匹配,满足高带宽要求。
图3所示,是直角折线11的在不同长度11’情况下(对应图2(d)中天线结构,但未添加用于阻抗匹配的叉指电容18、折线电感19),天线回波损耗的仿真结果;图3中曲线21、曲线22、曲线23分别对应直角折线11的水平方向长度11’为40mm、30mm、20mm的仿真结果;可以发现,随着长度11’的增加,天线的谐振频率会降低,说明直角折线11的长度可以有效改变天线的工作频率,该直角折线的平面构型对于缩减天线尺寸是有效的。
图4所示,是在对地并联叉指匹配电容18固定、改变串联匹配电感19情况下,天线的回波损耗;匹配电感19的电感值通过图2(d)电感单元的长度20来调节;图4中曲线24、曲线25、曲线26分别对应电感长度20为3.5mm、4.0mm、4.5mm时的仿真结果;可发现,调节匹配元器件对天线的工作频率、工作带宽都有比较显著的影响。因此,通过印刷电路技术,制作精确的匹配电容、匹配电感对天线的阻抗匹配很重要。
图5所示,是本发明实施的测量结果与仿真结果,测量结果27与仿真结果28的带宽范围基本一致。在测量结果27中,在853MHz~874MHz的一段频率范围内,回波损耗稍微超出-10dB,在859MHz处最高为-9.65dB。若不考虑在此小频段范围内回波损耗超出-10dB,此天线在-10dB回波损耗下的工作频率范围为:717MHz~1204MHz,带宽为487MHz,以中心频率计算相对工作带宽约为:
2×(1024-717)/(1024+717)=55.9%
以25%以上的相对带宽为超带宽的定义,此天线完全满足超带宽要求。
图6所示,是本发明实施例的天线仿真增益图,图中XYZ直角坐标轴与图1中直角坐标轴对应。主要辐射方向在X轴正半轴、Y轴负半轴所在区域,沿XY平面呈对称结构;最大辐射方向为XY平面内315度方向(即与X轴正半轴、Y轴负半轴夹角均45度方向),最大增益为2.8dBi。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,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。