CN106229612A - 一种轮询波束扫描rfid读写器天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轮询波束扫描RFID读写器天线阵，适用于射频识别轮询读写器天线阵。本发明包括天线模块、天线馈电网络模块、轮询配置模块和电源模块。所述的电源模块与轮询配置模块连接，为其提供+5V电源。所述的天线模块包括N个倒F天线，所述的天线馈电网络模块采用N/2个威尔金森功分器对每两个倒F天线进行连接，所述的威尔金森功分器通过同轴线与轮询配置模块连接，轮询配置模块之间可以串联以实现一个RFID读写器配置多个轮询波束扫描RFID读写器天线阵。本发明具有驻波特性好、覆盖范围大、抗金属环境应用、读取稳定性高的特点，可应用于仓库、图书馆管理、档案馆中，特别是对货架或者书架不同位置的货物或者书籍进行周期性读取。

Description

一种轮询波束扫描RFID读写器天线阵
技术领域
本发明涉及一种适用于射频识别轮询读写器天线阵，具体涉及一种应用于多标签在金属环境中100％读取的RFID轮询读写器天线阵。
背景技术
射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是一种通过无线射频方式进行的非接触式的双向数据通信，从而达到目标识别的目的。射频识别系统一般有电子标签(Tag)、读写器(Reader)。RFID系统通过天线发射和接收电磁波来实现读写器对电子标签的识别，天线是决定整个RFID系统读取可靠性和稳定性的关键因素。
读写器一般包括天线模块、射频通道模块、控制处理模块。其中射频通道模块和控制处理模块集成在读写器中。然而，读写器天线通常以单个的形式出现，或者通过多个读写器天线的切换获得识读不同区域的标签信息。但是在工业应用中，一个天线的覆盖范围是有限的，而且在复杂环境(如多障碍物、金属腔环境等)情况下，读取距离将缩短，且会产生读取空洞，不利于大量电子标签稳定和快速地读取。
为了解决以上问题，需要一种结构简单、性能可靠、成本低廉的读写器天线，研究轮询波束扫描读写器天线阵具有很高的实际商业价值。
发明内容
本发明的目的是克服现有单一读写器天线在金属腔环境下易产生多目标读取空洞，造成读取可靠性不足的问题。针对具体实际应用提出了一种轮询波束扫描RFID读写器天线阵。该读写器天线阵通过轮询配置模块对天线模块进行切换馈电，从而达到波束扫描的功能。该读写器天线阵具有驻波特性好、覆盖范围大、抗金属环境应用、读取稳定性高的特点，可应用于仓库、图书馆管理、档案馆中，特别是对货架或者书架不同位置的货物或者书籍进行周期性读取。
本发明所述的轮询波束扫描RFID读写器天线阵，包括天线模块、天线馈电网络模块、轮询配置模块和电源模块。所述的电源模块与轮询配置模块连接，为其提供+5V电源。所述的天线模块包括N(N为偶数)个倒F天线，倒F天线通过在天线一端接短路进行小型化，同时在倒F天线的短路端弯折延伸，从而实现支撑。所述的天线馈电网络模块采用N/2个威尔金森功分器对每两个倒F天线进行连接，所述的威尔金森功分器通过同轴线与轮询配置模块连接，轮询配置模块之间可以串联以实现一个RFID读写器配置多个轮询波束扫描RFID读写器天线阵。
轮询配置模块包括多路复用子模块和控制信号子模块。控制信号子模块是由方波时钟信号发生器和计数器构成。时钟信号用以确定轮询的周期，计数器用于产生周期性的控制信号。多路复用子模块根据控制信号子模块输入的控制信号控制天线馈电网络中威尔金森功分器的连接与断开的情况，而从对天线模块进行选择性轮询驱动。
本发明的优点在于：
(1)天线模块采用倒F天线结构，实现天线结构的小型化。
(2)通过轮询配置模块对天线模块进行轮询馈电，达到扫描波束的效果。
(3)读写器天线阵获得了-20°、0°、25°的波束扫描功能，实现金属腔环境下多个电子标签的同时读取，提高了读取的稳定性和可靠性。
(4)本发明提供轮询波束扫描RFID读写器天线阵具有成本低、易于加工、多角度波束扫描的特点；
(5)通过-20°、0°、25°三个波束方向的扫描叠加，减小了RFID系统在金属柜中读取空洞概率。
(6)轮询配置模块之间可以多个串联，实现一个RFID读写器配置多个轮询波束扫描RFID读写器天线阵。
附图说明
图1是本发明中天线模块的立体结构示意图。
图2是本发明中倒F天线的立体结构示意图。
图3是本发明的读写器天线阵的仿真S参数图。
图4A～4C是本发明的仿真增益图。
图5是本发明的轮询波束扫描RFID读写器天线阵整体组成示意图。
图6是本发明中信号控制子模块产生的信号图。
图中：
1、辐射贴片； 2、金属支撑片；3、塑料支柱；4、威尔金森功分器；
5、馈电探针；6、FR4介质板；7、金属短路片； 8、金属底板；
9、多路复用子模块； 10、信号控制子模块； 11、计数器；12、时钟信号发生器；
13、电源模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作具体说明。
本发明提供一种轮询波束扫描RFID读写器天线阵，采用轮询配置模块对天线模块进行轮询馈电，达到扫描波束的效果。本发明提供的轮询波束扫描RFID读写器天线阵，包括天线模块、天线馈电网络模块、轮询配置模块和电源模块。
如图1，所述的天线模块采用6个倒F天线，6个倒F天线插在一块FR4介质板6上。如图2所示，所述的倒F天线包括辐射贴片1、金属支撑片2、塑料支柱3、馈电探针5、FR4介质板6、金属短路片7和金属底板8。所述金属支撑片2和金属短路片7均插入FR4介质板6上，塑料支柱3连接辐射贴片1与FR4介质板6，实现支撑效果。馈电探针5与威尔金森功分器4连接。金属底板8位于FR4介质板6上表面，天线馈电网络模块位于FR4介质板6下表面，金属底板8用于隔离天线模块和天线馈电网络模块。
天线馈电网络模块包括3个威尔金森功分器4，且设计在一块FR4介质板6下表面，每2个倒F天线通过馈电探针5与1个威尔金森功分器4连接。每个威尔金森功分器4末端都开有过孔，通过同轴线与轮询配置模块连接。
轮询配置模块由多路复用子模块9和控制信号子模块10构成，如图5，控制信号子模块10包括时钟信号发生器12和计数器11。控制信号子模块10与多路复用子模块9连接，多路复用子模块9与天线馈电网络模块的威尔金森功分器4通过同轴线连接。
轮询配置模块的工作方式为：控制信号子模块10使用时钟信号发生器12产生的方波驱动时钟计数器11，产生周期性高低电平的控制信号，如图6所示，曲线CLK为时钟信号发生器产生的方波信号，曲线A和曲线B为方波信号通过时钟计时器后产生两种控制信号。多路复用子模块9采用多路复用子模块，根据控制信号子模块10输入的控制信号控制天线馈电网络模块中的威尔金森功分器4的接通与断开，从而实现天线模块的轮询工作。
电源模块13分别与多路复用子模块9和控制信号子模块10连接，为轮询配置模块提供+5V电源电压。
本发明的读写器天线阵以2×3方式排列，工作在887～937MHz频段，如图3所示，图中S11、S22和S33分别表示3个倒F天线的回波损耗参数，覆盖中国、欧洲、韩国标准，通过轮询配置模块对天线模块进行轮询馈电，天线回波损耗小于-10dB，实现-20°、0°、25°的三个方向波束扫描，3个波束方向增益分别为9.1dBi、9.3dBi、9.2dBi，如图4A～4C所示，图中Phi表示phi＝0°表示YOZ面，phi＝90°为XOZ面，扩大了读写器天线阵的覆盖范围，实现在金属腔环境下中多个标签的100％同时读取，极大提高读写器天线阵在金属环境下的读取率，降低读取空洞。
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。

Claims (4)

1.一种轮询波束扫描RFID读写器天线阵，其特征在于：包括天线模块、天线馈电网络模块、轮询配置模块和电源模块，所述的电源模块与轮询配置模块连接，为其提供+5V电源；所述的天线模块包括N个倒F天线，所述的天线馈电网络模块采用N/2个威尔金森功分器对每两个倒F天线进行连接，所述的威尔金森功分器通过同轴线与轮询配置模块连接，轮询配置模块之间串联以实现一个RFID读写器配置多个轮询波束扫描RFID读写器天线阵。
2.根据权利要求1所述的一种轮询波束扫描RFID读写器天线阵，其特征在于：所述的轮询配置模块包括多路复用子模块和控制信号子模块，控制信号子模块是由方波时钟信号发生器和计数器构成；时钟信号用以确定轮询的周期，计数器用于产生周期性的控制信号；多路复用子模块根据控制信号子模块输入的控制信号控制天线馈电网络中威尔金森功分器的连接与断开的情况，而从对天线模块进行选择性轮询驱动。
3.根据权利要求1所述的一种轮询波束扫描RFID读写器天线阵，其特征在于：所述的倒F天线包括辐射贴片、金属支撑片、塑料支柱、馈电探针、FR4介质板、金属短路片和金属底板，所述金属支撑片和金属短路片均插入FR4介质板上，塑料支柱连接辐射贴片与FR4介质板；馈电探针与威尔金森功分器连接；金属底板位于FR4介质板上表面，天线馈电网络模块位于FR4介质板下表面，金属底板用于隔离天线模块和天线馈电网络模块。
4.根据权利要求1所述的一种轮询波束扫描RFID读写器天线阵，其特征在于：所述的天线馈电网络模块包括三个威尔金森功分器，且设计在一块FR4介质板下表面，每两个倒F天线通过馈电探针与一个威尔金森功分器连接；每个威尔金森功分器末端都开有过孔，通过同轴线与轮询配置模块连接。
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