CN106785453B - 一种可变换阵列的rfid智能天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信天线的技术领域，公开了一种可变换阵列的RFID智能天线，包括：天线单元，作为RFID天线的辐射器件，用于辐射出电磁波信号；阵列变换驱动机构，用于变换至少一个天线单元相对其它天线单元的位置关系；信号处理电路，用于对接入的信号进行处理后输出给天线单元。包括一个用于接入信号的信号输入端，和与天线单元数量相等的输出端，每个信号输出端连接一个天线单元，信号处理电路根据指令变换对某一天线单元输出的信号的相位。天线根据不同的阵列组合，信号处理电路可以根据所需的应用场景，进行智能配置所需的相位，通过馈电网络，输入到天线单元，天线单元辐射的电磁波相互叠加减弱，形成相应所需的辐射方向图。

Description

一种可变换阵列的RFID智能天线

技术领域

本发明属于通信天线的技术领域。涉及一种RFID天线，特别的，涉及一种超高频射频识别的工业应用领域的智能天线。

背景技术

近年来,各个产业领域应用射频识别(Radio Frequency Identifi-cation,RFID)的事例越来越多,在物流、医疗、国防、交通、实时监控等新型商业模式当中的应用不断增加。智能建筑，智能医疗，智能农业，智能校园，智能社区等等，这些新的概念不断改变我们的生活，在生活便利的同时，也将物联网的概念带人生活。RFID技术是物联网发展的基础，愈演愈烈的物联网产业及其推广，是建立在RFID技术的大量应用和RFID产业飞速发展的基础之上。

射频识别是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，无线电的信号是通过无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签传送出去，以自动辨识与追踪物品。

射频识别技术相对于传统的识别技术，最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料等，不需要人工干预，可以在恶劣环境下工作，操作简单，阅读速度极快，可以识别多个标签，使用寿命长，数据传输快。射频识别技术由于其特有的优势，结合当今时代信息技术的发展，已经对全球供应链产生了深远的影响，甚至是一场革命。

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，天线性能的优劣决定系统能否正常工作或者功能是否顺利运行，影响读写距离、鲁棒性等系统性指标。因此，设计实现适应多种项目环境的智能天线对于RFID技术在各行业的推进，具有迫切的现实意义。

天线为辐射接收电磁波的设备，主要作用是使导行波与自由空间波之间的相互转换，是RFID系统中重要的组成部分，RFID系统天线包括阅读器天线和标签天线，它们是系统收发信号的工具，天线决定了阅读器和电子标签之间信息传输的方式和传输的距离。

由于对RFID技术的应用需求不断扩大，RFID系统中的天线设计业需要得到不断发展，以设计出满足各种应用要求的高性能天线。RFID系统作为巨大应用和发展潜力的一种识别系统，对天线的设计提出了前所未有的要求，涉及天线的结构形状、尺寸大小、体积重量、实现方式、带宽特性、方向图特性、极化特性、多天线间互耦和天线的电磁散射等因素。

发明内容

为了解决RFID在多种复杂的电磁环境中应用，并能提高以及适应在不同环境中的RFID识别效果。

本发明的目的是提供一种RFID天线，能够广泛适用于RFID技术的应用，该天线可以通过机械转盘结构，实现多种阵列天线自动组合，并且根据所组成的天线阵列结构，通过配置相应的软件程序，控制各个天线单元的信号相位，实现相控阵智能天线的功能。

根据本发明的一个方面，提供了一种可变换阵列的RFID天线，包括：

天线单元，作为RFID天线的辐射器件，用于辐射出电磁波信号；

阵列变换驱动机构，用于变换至少一个天线单元相对其它天线单元的位置关系；

信号处理电路，用于对接入的信号进行处理，并将处理后信号输出给天线单元，包括一个用于接入信号的信号输入端，和与天线单元数量相等的输出端，每个信号输出端连接一个天线单元，信号处理电路根据指令变换向某一天线单元输出的信号的相位。

在本发明中，阵列变换驱动机构和信号处理电路及天线单元共同组成了天线波束成形器，通过控制输入到各天线单元的信号相位，形成天线需要的辐射方向图。

进一步地，所述天线还包括控制器，用于控制阵列变换驱动机构中的动力装置的工作状态，以及控制信号处理电路中的可控元件的工作状态，所述控制器的设置，实现天线阵列变换的智能化。

所述阵列变换驱动机构，按可活动的天线单元的移动方式，可以分为主动式和被动式两类。主动式是指为天线单元自身配置动力装置和在动力装置驱动下动作的行走机构，例如：为每个活动的天线单元配置一个驱动电机，和由驱动电机驱动的齿轮，同时为天线单元配设滑动轨道，轨道内设置与齿轮配合的齿条。驱动电机工作时，驱动齿轮旋转，齿轮与齿条相互作用带动天线单元在滑动轨道内移动。

被动式是指由动力装置驱动动作机构带动天线单元移动。例如：以电机作为动力装置，驱动一摆动部件摆动，活动天线单元装配在摆动部件的摆动端，随摆动部件的摆动做圆弧移动。或者以电机或电磁机构作为动力装置，驱动一移动部件直线移动，活动天线单元装配在移动部件上，随移动部件的直线移动而移动。

优选地，所述阵列变换驱动机构包括连接臂、驱动连接臂转动的驱动装置，连接臂的一端与活动天线单元连接，另一端与驱动装置连接，驱动装置相对于与活动天线单元相邻的另一个天线单元固定。驱动装置包括电机和由电机驱动转动的连接臂控制板，连接臂另一端与连接臂控制板固定。

所述控制器控制电机工作。

进一步地，每个所述天线单元为一个圆形微带天线，所有圆形微带天线在同一平面内，且朝向相同，连接臂安装圆形微带天线的底面侧，连接臂的一端连接在活动天线单元的圆心处，连接臂的转动以相邻的另一个天线单元的圆心为中心。当连接臂转动时，活动天线单元绕相邻的另一个天线单元转动。

进一步地，活动天线单元和相邻的另一个天线单元两者中其中一者的圆周面上设有周向连续的凹槽，另一者的圆周面上设有与凹槽配合的周向连续的凸出部。

当活动天线单元绕相邻的另一个天线单元转动时，在两者圆周面的凸凹配合结构作用下，确保天线单元平稳的变换位置。

所述信号处理电路包括功分电路和移相电路，所述功分电路包括一个信号输入端，和与天线单元数量相等的信号输出端，功分电路的每个输出端连接一个移相电路，每个移相电路对应一个天线单元。控制器控制移相电路输出信号的相位变换。

进一步地，所述信号处理电路还包括开关轮询电路，开关轮询电路的输入端和所述功分电路的输入端通过一双路开关共同连接信号处理电路的信号输入端。开关轮询电路包括与天线单元数量相等的信号输出端，开关轮询电路的各输出端分别与一个移相电路的输出端通过双路开关连接一天线单元。控制器控制各双路开关以及控制开关轮询电路的线路选择。

本发明的有益效果是：本发明RFID天线将天线单元设计为可变结构，可以根据应用环境的需要，变换天线单元之间的位置关系，组成不同的物理形状，并根据不同物理形状，通过调整各天线单元的信号相位，形成效果更好的天线波束。适于在多种复杂的电磁环境中应用，并能提高以及适应在不同环境中的RFID识别效果。

附图说明

图1显示了一种可变换阵列的RFID智能天线的天线单元的示意图。

图2为图1所示天线单元的馈电网络的示意图。

图3显示了一种可变换阵列的RFID智能天线的相位控制器的示意图。

图4显示了一种四单元可变换阵列的RFID智能天线结构示意图。

图5为图4所示RFID智能天线由直线阵列变换成方形阵列的过程示意图。

图6为图4所示RFID智能天线的直线阵天线方向示意图以及对应的相位值。

图7为图4所示RFID智能天线的方形阵天线方向示意图以及对应的相位值。

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。

其中图1，显示了一种可变换阵列的RFID智能天线的天线单元，采用印刷电路板的微带天线结构，微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴导体薄片而形成的天线，利用微带线或同轴线进行馈电，在导体贴片与接地板之间激励起电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。

图1中所示101是圆形微带天线单元贴片，直径L，贴片天线的电场在两条辐射边之间呈余弦分布，两条辐射边在理论上间距为，但实际上由于边缘的影响应减去边缘效应带来的尺寸增加，所以圆形微带贴片的长度L

对于已知的介质基片，圆形微带天线尺寸按下列公式：

式中

其中，为相对介电常数，为微带天线的工作频率，为介质厚度。

图1中所示102是圆形微带天线的介质基，采用高介电常数，低介质损耗的RogersR4003介质板，介电常数3.55，损耗角正切0.0027，厚度1.6mm，保证了本发明天线增益的最优化。

图1中所示103是圆形微带天线的反射地，天线单元中心与反射地的中心保持通路，增强天线的抗干扰能力。

图1中所示104是圆形微带天线的馈电网络，为了更好的适应RFID的各种环境，微带天线最终的极化方式是圆极化形式。

其中图2，显示了一种可变换阵列的RFID智能天线的馈电网络，进入天线的信号，等效的一分二变成两路信号，两路信号的相位差90度，分别进入圆形天线单元的两侧。本发明中的圆极化微带天线的关键是激励两个极化方向正交、幅度相等，相位相差90°的信号。采用阻抗变换的馈电方式，进行微带线的阻抗匹配。

其中图3，显示了一种可变换阵列的RFID智能天线的信号处理电路，包括移相电路和时分电路，该部分是天线的辐射方向图的核心控制部分。该图以被控阵列天线包括四个天线单元为例。

图3所示301是双路开关，根据需求选择一路输出信号，两路信号通过的是不同的馈电网络，左侧一路是四路开关轮询的电路，右侧一路是功分之后的移相电路。

图3所示302是四路开关，通过开关轮询切换，将输入信号以时分的形式，输入到天线单元，增加天线的覆盖范围，并进行波束成形。

图3所示303是一分四的功分电路，将信号等效的分成四路，并且信号的大小和相位相同。

图3所示304是移相电路，根据所需的天线辐射方向图，将信号的相位分配不同的相位值。

图3所示305是双路开关，根据需要，选择一路信号输出，与301的双路开关同步。

当图3中301的双路开关选择左边一路时，一种可变换阵列的RFID智能天线的功能是将整个智能天线的每个天线单元独立化，当302开关轮询工作时，即四个独立的天线单元独立工作，互不影响。

当图3中301的双路开关选择右边一路时，一种可变换阵列的RFID智能天线的功能是将整个智能天线变成相控阵天线，随着304上的相位控制，天线的波束也会随之改变，从而适应更复杂的RFID应用环境，提高RFID识别效率。

基于图3所示信号处理电路，不仅可以将天线单元进行阵列组合，从而控制相位达到波束形成，而且还可以将天线单元作为独立的天线，独立的天线通过各自的信号开关，来进行独立天线的轮询工作。

其中图4，显示了一种可变换阵列的RFID智能天线的阵列变化机械结构，该智能天线由四个独立的天线单元组成，每个天线单元是一个由圆形介质基和印刷在介质基上的圆形振子构成的圆形天线，每个圆形天线的介质基底面，除了反射金属板之外，还设有用于一个轮盘，相邻两个圆形天线中其中一者的轮盘圆周面上沿周向一圈设有连续凹槽，另一者的轮盘的圆周面上沿周向一圈设有与凹槽互配的连续凸出边。

图4上半部分所示图形是智能天线底面结构，阵列天线由四个圆形天线单元401构成，中间两个天线单元固定，两侧的两个天线单元可活动。

图4所示402是相邻圆形天线介质基底面设置的连接臂，两个连接臂分别连接左侧的固定天线单元和活动天线单元，连接臂以固定天线单元的中心为轴转动，通过连接臂的转动，相邻的天线底板可以跟随连接臂沿弧线移动。

图4所示403是驱动介质基底面连接臂转动的驱动装置，包括电机，和由电机驱动转动的连接臂控制板，连接壁一端固定于连接臂控制板。在软件控制下，驱动装置控制相应的连接臂转动状态。

图4下半部分所示是整个智能天线的侧视图，图中，辐射天线朝上，介质基底面朝下，该视角可以看到，每个圆形天线的介质基底面反射金属板下方设一个轮盘404，两侧的两个圆形天线的轮盘分别与中间的两个圆形天线的轮盘通过圆周上相互配合的凸出边405和凹槽406结构咬合在一起，当活动天线单元随连接臂的转动而移动时，轮盘的凸凹配合结构构成对活动天线单元垂直方向上的约束。

本例中，圆形天线底部结构由特殊的相邻配合结构构成，将相邻两个天线单元底板通过轮盘上下咬合关联起来，通过连接臂可以进行转动。中间两个天线单元底板相互固定，无法进行转动，通过软件控制电机工作驱动两侧天线单元分别绕中间两个天线单元转动，实现变换天线阵列的物理结构。图5所示为图4所示可变换阵列的RFID智能天线，直线阵变换成方阵的变换过程示意图。

使用时，根据应用环境，需要变换阵列时，通过上位机程序控制电机启动驱动，电机驱动连接臂控制板带动连接臂转动一定角度，圆形天线随之移动一定距离，变换出目标所需的天线阵列的物理结构。再根据所需要的识别环境，通过软件控制信号处理电路，匹配与物理结构相对应的电磁信号相位，最终信号通过馈电网络，输入到天线单元，向外辐射电磁波信号。

图6显示了图4所示可变换阵列的RFID智能天线的直线阵的辐射方向图。通过控制各个天线单元的相位，如图右侧的相位分布，可以控制3个辐射方向，如方向图中的1、2、3。

图7显示了图4所示可变换阵列的RFID智能天线的方形阵的辐射方向图。通过控制各个天线单元的相位，如图右侧的相位分布，可以控制8个辐射方向，如方向图中的1、2、3、4、5、6、7、8。

本发明所述RFID天线，具有更强大的扩展性，天线单元可以扩展到6个或者8个天线，从而达到更复杂的波束形成，提供更好的电磁辐射能力及方向性。

综上所述，本发明提供了一种可变换阵列的RFID智能天线，其利用机械结构变换阵列形式，根据所变换的阵列组合，分配各个天线单元的信号以及相位，通过相位的变化，组成一个智能相控阵天线。

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 (7)

1.一种可变换阵列的RFID智能天线，其特征在于，包括：

天线单元，作为RFID天线的辐射器件，用于辐射出电磁波信号；

阵列变换驱动机构，用于变换天线单元之间的位置关系，以使天线阵列组成不同物理形状；

信号处理电路，用于对接入的信号进行处理，并将处理后信号输出给天线单元，包括一个用于接入信号的信号输入端，和与天线单元数量相等的输出端，每个信号输出端连接一个天线单元，信号处理电路根据天线阵列的不同物理形状调整各天线单元的信号相位；

所述阵列变换驱动机构包括连接臂、驱动连接臂转动的驱动装置，连接臂的一端与活动天线单元连接，另一端与驱动装置连接，驱动装置相对于与活动天线单元相邻的另一个天线单元固定；

每个所述天线单元为一个圆形微带天线，所有圆形微带天线在同一平面内，且朝向相同，连接臂安装在圆形微带天线的底面侧，连接臂的一端连接在活动天线单元的圆心处，连接臂的转动以相邻的另一个天线单元的圆心为中心。

2.如权利要求1所述的一种可变换阵列的RFID智能天线，其特征在于，还包括控制器，用于控制阵列变换驱动机构中的动力装置的工作状态。

3.如权利要求2所述的一种可变换阵列的RFID智能天线，其特征在于，控制器控制信号处理电路中的可控元件的工作状态。

4.如权利要求1所述的一种可变换阵列的RFID智能天线，其特征在于，驱动装置包括电机和由电机驱动转动的连接臂控制板，连接臂另一端与连接臂控制板固定。

5.如权利要求1所述的一种可变换阵列的RFID智能天线，其特征在于，活动天线单元和相邻的另一个天线单元两者中一者的圆周面上设有周向连续的凹槽，另一者的圆周面上设有与凹槽配合的周向连续的凸出部。

6.如权利要求1所述的一种可变换阵列的RFID智能天线，其特征在于，所述信号处理电路包括功分电路和移相电路，所述功分电路包括一个信号输入端和与天线单元数量相等的信号输出端，功分电路的每个输出端连接一个移相电路，每个移相电路对应一个天线单元。

7.如权利要求6所述的一种可变换阵列的RFID智能天线，其特征在于，所述信号处理电路还包括开关轮询电路，开关轮询电路的输入端和所述功分电路的输入端通过一双路开关共同连接信号处理电路的信号输入端；开关轮询电路包括与天线单元数量相等的信号输出端，开关轮询电路的各输出端分别与一个移相电路的输出端通过双路开关连接一天线单元。