CN106374218A - 一种rfid近场读写器天线 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种RFID近场读写器天线，其特征在于，所述天线的辐射导体包括：馈电单元、四分之一波长结构单元、第一全波长结构单元组和第二全波长结构单元组；所述馈电单元通过传输线与所述四分之一波长结构单元和第二全波长结构单元组相连；所述四分之一波长结构单元与所述第一全波长结构单元组相连；所述第一全波长结构单元组和第二全波长结构单元组，以馈电单元所在直线方向为对称轴，反向对称。本发明实施例提供的RFID近场读写器天线，可发出多个方向的辐射电场。

Description

一种RFID近场读写器天线

技术领域

本发明涉及天线制造领域，特别是涉及一种RFID近场读写器天线。

背景技术

RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)技术是一种非接触式的自动化技术，用来识别人或物体。射频识别的原理为：通过电子设备发出射频信号，利用空间耦合的方式，自动识别所要寻找的对象并且获得相关信息，同时可以在目标对象中写入信息。作为RFID通信系统中的收发设备，天线是系统中不可或缺的组成部分，天线性能的好坏直接影响到整个系统的质量。

举例而言，在检测传送带上包装箱内的物品时，利用RFID技术可以检测出包装箱内物品上的电子标签。通常情况下，生产物品的厂家为了节约成本，物品上的电子标签一般会设计成单极化的，即要识别出电子标签，需要天线发射的电场方向与电子标签方向成0度或180度。现有的天线如图1a和图1b所示，天线为三层平面结构，上层为辐射导体1，下层为金属地3，中间层为介质2，介质2分别与辐射导体1和金属地3紧密贴合；辐射导体1包括：馈电单元4和上、下位置对称的多个结构单元5。

现有的天线发出的辐射电场通常也是单极化的，因此要想检测出物品上的标签，天线的摆放位置需要与标签方向相匹配(即天线发出的电场方向与标签方向相同或相反)，而物品上标签的摆放位置通常是不固定的，因此，在检测标签时，利用现有的天线经常会出现漏检的情况，因此提供一种能够产生多方向辐射电场的天线是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种RFID近场读写器天线，可发出多个方向的辐射电场。

为达到上述目的，本发明实施例提供了一种RFID近场读写器天线，所述天线的辐射导体包括：馈电单元、四分之一波长结构单元、第一全波长结构单元组和第二全波长结构单元组；

所述馈电单元通过传输线与所述四分之一波长结构单元和第二全波长结构单元组相连；

所述四分之一波长结构单元与所述第一全波长结构单元组相连；

所述第一全波长结构单元组和第二全波长结构单元组，以馈电单元所在直线方向为对称轴，反向对称。

较优地，所述馈电单元包括：第一馈电传输线和与其相连的第二馈电传输线，其中，

所述第一馈电传输线位于天线一侧边缘；

第二馈电传输线的宽度大于所述第一馈电传输线；

第二馈电传输线通过传输线与所述四分之一波长结构单元和第二全波长结构单元组相连。

较优地，所述四分之一波长结构单元包括平行设置的第一四分之一波腹分段和第二四分之一波腹分段；

所述第一四分之一波腹分段的第一端通过传输线与所述馈电单元连接，所述第一四分之一波腹分段的第二端通过传输线与所述第二四分之一波腹分段的第一端连接；所述第二四分之一波腹分段的第二端与所述第一全波长结构单元组连接。

较优地，所述第一全波长结构单元组包括至少一个横向排列的全波长结构单元，各横向排列的全波长结构单元依次首尾连接；

所述第二全波长结构单元组包括至少一个横向排列的全波长结构单元，各横向排列的全波长结构单元依次首尾连接；

所述四分之一波长结构单元的长度为所述全波长结构单元长度的四分之一。

较优地，所述第一全波长结构单元组还包括至少一个纵向排列的全波长结构单元，各纵向排列的全波长结构单元依次首尾连接；

所述第二全波长结构单元组还包括至少一个纵向排列的全波长结构单元，各纵向排列的全波长结构单元依次首尾连接。

较优地，所述第一全波长结构单元组包括两个横向排列的全波长结构单元和两个纵向排列的全波长结构单元；其中，两个横向排列的全波长结构单元首尾连接，两个纵向排列的全波长结构单元首尾连接；第一个横向排列的全波长结构单元的首端与所述四分之一波长结构单元连接，第二个横向排列的全波长结构单元的尾端与第一个纵向排列的全波长结构单元的首端连接；

所述第二全波长结构单元组包括两个横向排列的全波长结构单元和两个纵向排列的全波长结构单元；其中，两个横向排列的全波长结构单元首尾连接，两个纵向排列的全波长结构单元首尾连接；第一个横向排列的全波长结构单元的首端通过传输线与所述馈电单元连接，第二个横向排列的全波长结构单元的尾端与第一个纵向排列的全波长结构单元的首端连接。

较优地，所述全波长结构单元为U型结构，包括：波节分段、第一波腹分段和第二波腹分段；

其中，所述第一波腹分段和第二波腹分段分别与所述波节分段的两端对称连接；

所述波节分段、第一波腹分段和第二波腹分段的长度和为第一预设值；所述第一预设值为，所述天线的工作波长除以第二预设值的值；所述天线的工作波长为真空中电磁波的波速除以所述天线的工作频率；所述第二预设值为所述天线介质介电常数的平方根。

较优地，所述介质的材料为介电常数为4.4的玻璃纤维环氧树脂。

较优地，所述工作频率为860MHZ-960MHZ。

较优地，所述第一预设值为160mm。

本发明实施例提供的RFID近场读写器天线，在辐射导体和金属地之间加上超高频电压或电流时，在现有技术中，由于辐射导体中上、下两路是相互对称的，则上、下两路产生的辐射电场的电场方向是一致的，因此最终的合方向只能为一个固定的线极化方向；而本实施例中，由于上、下两路不对称，相差四分之一全波结构单元，即相位相差90°，在外加电压随时间变化时，上、下两路分别发出的辐射电场的大小和方向的变化差异不同，不能相互抵消，因此最终辐射电场的合方向随相位在变化，因此发出的辐射电场具有多个方向。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为现有技术中天线辐射导体的结构示意图；

图1b为现有技术中天线的层状结构示意图；

图2为本发明实施例提供的RFID近场读写器天线中辐射导体的结构示意图；

图3为距离RFID近场读写器天线10mm处的辐射电场分布示意图；

图4为距离RFID近场读写器天线500mm处的辐射电场分布示意图；

图5为RFID近场读写器天线中第一全波长结构单元组的表面电流分布图；

图6为RFID近场读写器天线远场增益曲线图；

图7为RFID近场读写器天线的|S11|参数曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供了一种可以发出多个方向辐射电场的RFID近场读写器天线，其结构与现有的天线结构类似，该天线为三层平面结构，上层为辐射导体，下层为金属地，中间层为介质，介质分别与辐射导体和金属地紧密贴合。为了降低原料的成本和加工难度，辐射导体和金属地的材料为覆铜，介质的材料优选为介电常数为4.4的玻璃纤维环氧树脂。与现有天线的不同之处在于，辐射导体的具体结构不同。

如图2所述，为本发明实施例提供的RFID近场读写器天线中辐射导体的结构示意图，该辐射导体包括：馈电单元4、四分之一波长结构单元6、第一全波长结构单元组7和第二全波长结构单元组8。

其中，所述馈电单元4通过传输线(即图2中馈电单元4右侧竖直设置的导体部分)与所述四分之一波长结构单元6和第二全波长结构单元组8相连；所述四分之一波长结构单元6与所述第一全波长结构单元组7相连；所述第一全波长结构单元组7和第二全波长结构单元组8，以馈电单元4所在直线方向为对称轴，反向对称。

具体地，馈电单元4包括：第一馈电传输线和与其相连的第二馈电传输线；其中，所述第一馈电传输线位于天线一侧边缘(即图2中左侧边缘的传输线)，第二馈电传输线为第一馈电传输线右侧的传输线。

本实施例中，当辐射导体与金属地之间外加超高频电压或电流后，馈电单元4是能量的输入端，为了保证输入的能量不反射回来，要求第一馈电传输线的宽度应使得此传输线阻抗为50欧姆，而第二馈电传输线的宽度应使得此传输线阻抗为35欧姆，因此，第二馈电传输线的宽度大于第一馈电传输线，同时，第二馈电传输线的宽度还可以保证在分成上下两路时能量不被反射回来，而且输入到上、下两路的能量更加平均。

具体地，第二馈电传输线通过传输线与所述四分之一波长结构单元6和第二全波长结构单元组8相连。优选地，馈电单元的右端可与传输线的中点垂直连接，此时连接处将该传输线分为长度相等的上半部分和下半部分，保证了该传输线发出的辐射电场上下对称。

如图2所示，四分之一波长结构单元6包括平行设置的第一四分之一波腹分段(图中左侧竖直设置的导体部分)和第二四分之一波腹分段(图中右侧竖直设置的导体部分)；第一四分之一波腹分段的第一端通过传输线与馈电单元4连接，第一四分之一波腹分段的第二端通过传输线与第二四分之一波腹分段的第一端连接，第二四分之一波腹分段的第二端与第一全波长结构单元7连接。

由上述可知，上、下两路的区别仅在于：上路比下路多出一个四分之一波长结构单元6，即两个四分之一波腹分段。

具体地，如图2所示，第一全波长结构单元组7包括至少一个横向排列的全波长结构单元9，各横向排列的全波长结构单元9依次首尾连接；第二全波长结构单元组8包括至少一个横向排列的全波长结构单元9，各横向排列的全波长结构单元依次首尾连接。本实施例中，由于第二全波长结构单元组8和第一全波长结构单元组7反向对称设置，则二者中横向排列的全波长结构单元9的数量相等。

其中，所述全波长结构单元为U型结构，包括：波节分段、第一波腹分段和第二波腹分段；其中，所述第一波腹分段和第二波腹分段分别与所述波节分段的两端对称连接。

其中，所述波节分段、第一波腹分段和第二波腹分段的长度和为第一预设值；所述第一预设值为，所述天线的工作波长除以第二预设值的值；所述天线的工作波长为真空中电磁波的波速除以所述天线的工作频率；所述第二预设值为所述天线介质介电常数的平方根。

举例而言，全波长结构单元的总长度可通过如下方式获得：

现实生活中，RFID近场读写器天线通常工作在频率为860MHZ-960MHZ的频段，假设工作频率为920MHZ，真空中电磁波的波速为3×10⁸m，则天线的工作波长为

$\frac{3\×{10}^8}{920\×{10}^6}=0.326m.$

由于介质优选采用介电常数为4.4的玻璃纤维环氧树脂，则第二预设值为

则全波长结构单元的总长度(即第一预设值)为

$\frac{0.326}{2.01}=0.16m=160mm$

由上述可知，全波长结构单元的总长度的物理意义为天线在介质中工作的一个完整的波长，即一个全波长结构单元对应一个完整波长。

具体地，为了保证每个全波长结构单元发出的辐射电场的对称性，第一波腹分段和第二波腹分段采用对称设置的方式，因此第一波腹分段和第二波腹分段的长度相等，则可设定第一波腹分段和第二波腹分段的长度为70mm，波节分段的长度为20mm。本实施例中，全波长结构单元为横向排列，即天线发出的辐射电场的电场方向为横向的。

另外，为了使天线发出的辐射电场可产生多个方向，要求四分之一波长结构单元6的长度为全波长结构单元长度的四分之一。

具体地，由于一个全波长结构单元对应一个完整波长，如果将一个完整波长看成是360度，则四分之一波长结构单元6对应90度。由此可知，天线的上、下两路产生的辐射电场的相位相差90度。

本发明实施例提供的RFID近场读写器天线，在辐射导体和金属地之间加上超高频电压或电流时，在现有技术中，由于辐射导体中上、下两路是相互对称的，则上、下两路产生的辐射电场的电场方向是一致的，因此最终的合方向只能为一个固定的线极化方向；而本实施例中，由于上、下两路不对称，并相差90°，因此，上、下两路分别发出的辐射电场的大小和方向的变化差异不同，不能相互抵消，因此最终辐射电场的合方向随着相位在变化，因此实现了多方向的辐射电场，在实际检测电子标签时，由于存在多个方向的辐射电场，可避免漏读电子标签。

优选地，如图2所示，第一全波长结构单元组7还包括至少一个纵向排列的全波长结构单元10，各纵向排列的全波长结构单元10依次首尾连接；所述第二全波长结构单元组8还包括至少一个纵向排列的全波长结构单元10，各纵向排列的全波长结构单10元依次首尾连接。在本实施例中，全波长结构单元为纵向排列，即发出的辐射电场的电场方向为纵向的。

优选地，第一全波长结构单元组还可以同时包含横向排列和纵向排列的全波长结构单元，此时，天线可以产生更为丰富的电场辐射方向。

如图2所示，第一全波长结构单元组7包括两个横向排列的全波长结构单元9和两个纵向排列的全波长结构单元10；其中，两个横向排列的全波长结构单元9首尾连接，两个纵向排列的全波长结构单元10首尾连接；第一个横向排列的全波长结构单元9的首端与所述四分之一波长结构单元连接，第二个横向排列的全波长结构单元9的尾端与第一个纵向排列的全波长结构单元10的首端连接。

所述第二全波长结构单元组8包括两个横向排列的全波长结构单元9和两个纵向排列的全波长结构单元10；其中，两个横向排列的全波长结构单元9首尾连接，两个纵向排列的全波长结构单元10首尾连接；第一个横向排列的全波长结构单元9的首端通过传输线与所述馈电单元连接，第二个横向排列的全波长结构单元9的尾端与第一个纵向排列的全波长结构单元10的首端连接。

本实施例中，由于天线既可以产生横向辐射电场，也可以产生纵向辐射电场，因此，两个方向合成后，可得到合方向为±45度的辐射电场，较现有技术中的辐射电场的电场方向多了45度、135度、225度和315度的方向。

优选地，可以通过增加全波长结构单元的数量，以增大读写的面积，在实际应用中可保证大面积的读写作业。

如图3所示，为距离RFID近场读写器天线10mm处的辐射电场分布示意图，其中，各个箭头方向表示空间不同位置处辐射电场的电场方向，由图中可知，在某些位置辐射电场的电场方向是连续变化的，因此，本实施例提供的RFID近场读写器天线，可发出多个方向的辐射电场。

如图4所示，为距离RFID近场读写器天线500mm处的辐射电场分布示意图，其中，随相位的变化，电场方向可实现360度的旋转，在实际读取电子标签时，可读取任意摆放位置的电子标签，避免漏读情况的发生。

同时，在读取电子标签时，为了保证不误读电子标签，要求天线的工作在近场区域，即在天线附近时，电场强度很强，随着距离的增加，电场强度急剧衰减。如图5所示，为RFID近场读写器天线中第一全波长结构单元组的表面电流分布图。图中箭头表示某一时刻的第一全波长结构单元组7表面电流方向，该方向的表面电流会产生相同方向的电场，a处单元的表面电流同向，会在远离天线表面的区域同相叠加形成与之同相的电场；同理，b处单元会产生与b处表面电流方向相同的电场。由于天线的工作于驻波状态，c处为天线表面电流的波节点，在该处表面电流发生反相，在远离天线表面的区域会产生与b处相反的电场；同理，在远离天线表面的区域，d处表面电流所产生的反相电场会抵消a处所产生的电场。通过调节a，b，c，d处长度的比值可以使彼此产生的远场电场相互抵消，从而降低天线在远场的场强，实现天线的低增益，进而使天线产生近场效应。

如图6所示，为RFID近场读写器天线远场增益曲线图，其中，横坐标表示工作频率，纵坐标表示增益的值。由图可知，在远场距离范围，工作频率920MHZ附近的增益在-12～-13dB之间，可以说增益值很小，因此，当电子标签处于远处时，由于增益很小，天线会不能读取电子标签，避免了误读情况的发生。

另外，现有技术中，天线|S11|参数表示反射系数特性，用于表征天线的端口匹配的好坏，|S11|参数的值越大，说明天线反射回来的能量越大，这样的天线的发射能量越低，现有的天线|S11|参数以-10dB为门限值，低于该门限值的天线满足现实生活中的实际要求。

如图7所示，为RFID近场读写器天线的|S11|参数曲线图，其中，横坐标表示工作频率，纵坐标表示|S11|参数的值。由图可知，在工作频率920MHZ附近，天线|S11|参数的值小于-23dB，因此，本实施例提供的RFID近场读写器天线的效率远远超过实际的要求，发射效率很高，应用范围广泛。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种RFID近场读写器天线，其特征在于，所述天线的辐射导体包括：馈电单元、四分之一波长结构单元、第一全波长结构单元组和第二全波长结构单元组；

所述馈电单元通过传输线与所述四分之一波长结构单元和第二全波长结构单元组相连；

所述四分之一波长结构单元与所述第一全波长结构单元组相连；

所述第一全波长结构单元组和第二全波长结构单元组，以馈电单元所在直线方向为对称轴，反向对称。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈电单元包括：第一馈电传输线和与其相连的第二馈电传输线，其中，

所述第一馈电传输线位于天线一侧边缘；

第二馈电传输线的宽度大于所述第一馈电传输线；

第二馈电传输线通过传输线与所述四分之一波长结构单元和第二全波长结构单元组相连。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述四分之一波长结构单元包括平行设置的第一四分之一波腹分段和第二四分之一波腹分段；

所述第一四分之一波腹分段的第一端通过传输线与所述馈电单元连接，所述第一四分之一波腹分段的第二端通过传输线与所述第二四分之一波腹分段的第一端连接；所述第二四分之一波腹分段的第二端与所述第一全波长结构单元组连接。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一全波长结构单元组包括至少一个横向排列的全波长结构单元，各横向排列的全波长结构单元依次首尾连接；

所述第二全波长结构单元组包括至少一个横向排列的全波长结构单元，各横向排列的全波长结构单元依次首尾连接；

所述四分之一波长结构单元的长度为所述全波长结构单元长度的四分之一。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述第一全波长结构单元组还包括至少一个纵向排列的全波长结构单元，各纵向排列的全波长结构单元依次首尾连接；

所述第二全波长结构单元组还包括至少一个纵向排列的全波长结构单元，各纵向排列的全波长结构单元依次首尾连接。

6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述第一全波长结构单元组包括两个横向排列的全波长结构单元和两个纵向排列的全波长结构单元；其中，两个横向排列的全波长结构单元首尾连接，两个纵向排列的全波长结构单元首尾连接；第一个横向排列的全波长结构单元的首端与所述四分之一波长结构单元连接，第二个横向排列的全波长结构单元的尾端与第一个纵向排列的全波长结构单元的首端连接；

所述第二全波长结构单元组包括两个横向排列的全波长结构单元和两个纵向排列的全波长结构单元；其中，两个横向排列的全波长结构单元首尾连接，两个纵向排列的全波长结构单元首尾连接；第一个横向排列的全波长结构单元的首端通过传输线与所述馈电单元连接，第二个横向排列的全波长结构单元的尾端与第一个纵向排列的全波长结构单元的首端连接。

7.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述全波长结构单元为U型结构，包括：波节分段、第一波腹分段和第二波腹分段；

其中，所述第一波腹分段和第二波腹分段分别与所述波节分段的两端对称连接；

所述波节分段、第一波腹分段和第二波腹分段的长度和为第一预设值；所述第一预设值为，所述天线的工作波长除以第二预设值的值；所述天线的工作波长为真空中电磁波的波速除以所述天线的工作频率；所述第二预设值为所述天线介质介电常数的平方根。

8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述介质的材料为介电常数为4.4的玻璃纤维环氧树脂。

9.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述工作频率为860MHZ-960MHZ。

10.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述第一预设值为160mm。