CN107069202A - 一种近场天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种近场天线，包括天线基板、底壳、支柱、天线罩、单极子、微带线和馈线；天线基板的上、下表面为导电金属辐射面，通过支柱固定在底壳内；单极子与微带线一一对应连接形成微带天线，微带天线至少两个，一个连接馈线，另一个无馈线；馈线有两个，分别固定在天线基板的上、下表面，位于天线基板下表面的馈线的两端分别穿过天线基板上的通孔与微带天线连接；L型匹配电路与跟馈线连接的微带天线连接；天线罩倒扣在天线基板及微带天线的上端。本发明所述的近场天线，采用矩形微带天线的形式，同时增加没有馈电的微带线形式，通过互耦和去的方式消除近场盲点问题，使天线的输入阻抗得以提高，并增强近场场强。

Description

一种近场天线
技术领域
本发明属于无线射频识别(RFID)、电子标签读写等民用通信领域，尤其是涉及一种用于RFID系统中发卡器的进场天线。
背景技术
如图1所示为RFID系统示意图，读识器通过天线发送一定频率的射频信号，当标签进入天线的磁场时产生感应电流，从而获得能量，并向读识器发送自身编码等信号，读识器采集并解码，并将数据发送至计算机系统进行处理。
在RFID系统中，除标签、阅读器、中间件等标准网元外，实际应用中还有一些辅助设备以保证RFID系统的正常运转，发卡器就是其中一种。发卡器又称为读卡器、发卡机或发卡管理机等，主要用来对标签进行具体内容的操作，包括建立档案、挂失、补卡、信息修正等。发卡器一般与终端放在一起，由发卡人员对单张标签进行操作。本质上，发卡器是一个小型的标签读写装置，需要与标签管理软件配合使用。根据发卡器的实际使用场景，其一般具有发射功率小、整机功耗低、读写距离近、便于人工操作等特点。
目前的无线射频识别(RFID)行业发展非常快，在交通、物流、监控的多个领域都开始有广泛的应用。RFID系统由读识器、天线和标签组成(参考RFID系统图)。读识器通过天线发射信号给标签，标签再反射信号给读识器天线，形成一个完整的通信链路。在通信过程中，由于标签的极化方式是线极化的，所以当读识器天线也做成线极化的极化方式，这样标签就能和读识器天线很好匹配，准确识别。在RFID系统中读识器天线分为两种，一种是远场天线；这类天线用于远距离发送和接收标签信号，一般读卡距离在10米以上。还有一种是近场天线；用于标签近距离读取，一般在1米以内。例如多标签近距离读取，标签发行前信息读取和写入时均需要近场天线对标签进行通讯。因此本文就对近场天线理论进行了简单分析，并且提供了一种近场天线的设计方案。
近场天线，主要是利用的天线的近场特性。天线的近场区，又称为感应区，可以简单认为天线的近场能量储存在天线的结构电感和结构电容中。当两副天线彼此处于对方的近场区，并且主要通过磁能(互感)耦合通信时，这两副天线称为近场磁性天线。环天线是最常见的一种，工作机理类似于变压器。
矩形微带天线的主要原理如图2至4所示，由图可以看出，辐射面、介质板和地平面等效为一段长为L的低阻抗微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。根据微带传输线的理论，在两开路端的电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量。两个垂直分量电场相反，水平分量电场方向相同。在垂直于接地板方向，两水平分量电场产生的远区场同相叠加，形成了最大辐射方向。因此，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上同向激励的两个缝隙。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种近场天线，以实现近场天线的超宽频段、高增益、性能优异、近场场强较强、天线近场范围内无盲点且能兼容多家远场标签的特点。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种近场天线，包括天线基板、底壳、支柱、天线罩、单极子、微带线和馈线；
所述天线基板的上、下表面为导电金属辐射面，所述天线基板的下表面通过所述支柱固定在所述底壳的内表面上；
所述单极子与所述微带线一一对应连接形成微带天线，所述微带天线至少两个，均固定在所述天线基板的上表面上，其中一个微带天线上的两个节点与所述馈线的两端连接，为带馈电微带天线，另一个微带天线无馈线，为无馈电微带天线；
所述馈线有两个，分别固定在所述天线基板的上、下表面，该天线基板上开设有两个镀有导电金属层的通孔，位于所述天线基板下表面的馈线的两端分别穿过所述通孔与所述带馈电微带天线连接；
所述L型匹配电路固定在所述天线基板的上表面，并与带馈电微带天线连接；
所述天线罩倒扣在所述天线基板及微带天线的上端，并与所述底壳固定连接。
进一步的，所述微带线为独立不规则矩形微带线。
进一步的，带馈电微带天线和无馈电微带天线相互耦合。
进一步的，所述天线基板的上、下表面为铺铜辐射面，所述通孔的内表面铺铜，所述馈线通过铺铜通孔与带馈电微带天线连接。
进一步的，所述进场天线还包括射频板，所述射频板位于所述天线基板的下方，该射频板为一金属板。
进一步的，所述微带天线与所述射频板的连接方式为用同轴线缆连接，通过SMA转接。
进一步的，所述天线辐射板的尺寸为140*116*1.5mm，采用的介质为FR4(4.4,0.02)。
进一步的，所述微带天线的材质为铜。
进一步的，所述底壳和天线罩均采用PC材质。
相对于现有技术，本发明所述的近场天线具有以下优势：
(1)本发明所述的近场天线，采用矩形微带天线的形式，同时增加没有馈电的微带线形式，通过互耦和去的方式消除近场盲点问题，使天线的输入阻抗得以提高，并增强近场场强。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为RFID系统示意图；
图2为矩形微带天线的结构及开路端电场示意图；
图3为矩形微带天线场分布示意图；
图4为矩形微带天线等效缝隙示意图；
图5为本发明实施例所述的近场天线外部构造示意图；
图6为本发明实施例所述的近场天线内部组件示意图；
图7为本发明实施例所述的天线基板正面结构示意图；
图8为本发明实施例所述的天线基板背面结构示意图；
图9为本发明实施例所述的近场天线整体透视图；
图10为本发明实施例所述的近场天线模型3D场强方向示意图；
图11为为本发明实施例所述的近场天线模型驻波比示意图；
图12为本发明实施例所述的近场天线模型近场场强3D示意图；
图13为本发明实施例所述的模型超高频天线在近场下的电场分布(XOZ平面)；
图14为本发明实施例所述的模型超高频天线在近场下的电场分布(YOZ平面)。
附图标记说明：
1-天线基板；11-通孔；2-底壳；3-天线罩；4-微带天线；41-带馈电微带天线；42-无馈电微带天线；5-馈线；6-L型匹配电路；7-射频板；8-标签；9-矩形微带天线等效缝隙。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图5到9所示，本发明包括天线基板1、底壳2、支柱、天线罩3、单极子、微带线、馈线5和L型匹配电路6；
所述天线基板1的上、下表面为导电金属辐射面，所述天线基板1的下表面通过所述支柱固定在所述底壳2的内表面上；
所述单极子与所述微带线一一对应连接形成微带天线4，所述微带天线4至少两个，均固定在所述天线基板1的上表面上，其中一个微带天线4上的两个节点与所述馈线5的两端连接，为带馈电微带天线41，另一个微带天线4无馈线，为无馈电微带天线42，通过两个单极子和独立不规则矩形微带线的互相耦合来达到增加场强和天线带宽的目的；
所述馈线5有两个，分别固定在所述天线基板1的上、下表面，该天线基板1上开设有两个镀有导电金属层的通孔11，位于所述天线基板1下表面的馈线5的两端分别穿过所述通孔11与所述带馈电微带天线41连接；
所述L型匹配电路6固定在所述天线基板1的上表面，并与带馈电微带天线41连接；
所述天线罩3倒扣在所述天线基板1及微带天线4的上端，并与所述底壳2固定连接。
进一步的，所述微带线为独立不规则矩形微带线。
进一步的，带馈电微带天线41和无馈电微带天线42相互耦合。
进一步的，所述天线基板1的上、下表面为铺铜辐射面，所述通孔11的内表面铺铜，所述馈线5通过铺铜通孔11与带馈电微带天线41连接。
进一步的，所述进场天线还包括射频板7，所述射频板7位于所述天线基板1的下方，该射频板7为一金属板，该射频板7相当于一块完整的地，可以增强天线辐射强度，天线基板1正上方的天线罩3采用不影响天线正上方辐射的PC材质。
进一步的，所述微带天线4与所述射频板7的连接方式为用同轴线缆连接，通过SMA转接。
进一步的，所述天线基板1的尺寸为140*116*1.5mm，采用的介质为FR4(4.4,0.02)，介电常数为4.4的FR4板材成本很低，适用于频段不是很高的场合。
进一步的，所述微带天线4的材质为铜。
进一步的，所述底壳2和天线罩3均采用PC材质，保证天线辐射方向没有遮挡，重量轻巧等需求。
根据天线布局，本天线将两个微带天线4和馈线5分别放在了天线基板1的两侧，馈线5通过过孔的方式与微带线进行连接，这样既缩小了天线的尺寸，还能增强天线馈电间的互耦。
本天线采用矩形微带天线的形式，同时在矩形微带天线的空白区域内，设计没有馈电的不规则矩形微带线形式，通过互耦和去的方式消除近场盲点问题，使天线的输入阻抗得以提高，并增强近场场强。
本发明是一种增益高、性能优异、近场场强较强、天线近场范围内无盲点且能兼容多家远场标签的超宽频段的近场天线，它是RFID系统中发卡器上的天线部件，主要作用是通过与射频、数字电路板的连接，一起对超高频标签或高频标签进行发卡。
本天线对于超高频频段，支持完备的EPC Class1 Gen2协议；支持ISO18000-6 B协议部分指令，至少需保证清点、读、写操作等。
本天线超高频部分固定在844.875MHz频点工作。
本天线的发卡器天线内置，避免了外部损坏或物理干扰。
如图10、12、13和14所示，本天线受实际应用场景限制，可识别距离需控制在一定范围之内，超高频标签与发卡器表面有效距离不超过10厘米，且识别范围控制在一个较小的区域内，以保证对堆放在发卡器周围的标签不误操作。
如图11所示，本天线布局在PCB的顶层，方案选用模型仿真出的增益为4.27dbi(对应频段880MHz)，840MHz～930MHz的驻波比为2.2～4.7,就以往近场天线而言，此款天线的频带宽度很宽。超高频天线在近场下的场强情况是中部区域分布比较均匀，边缘部分的场强有一定程度的增加。
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 (9)

1.一种近场天线，其特征在于：包括天线基板(1)、底壳(2)、支柱、天线罩(3)、单极子、微带线、馈线(5)和L型匹配电路(6)；
所述天线基板(1)的上、下表面为导电金属辐射面，所述天线基板(1)的下表面通过所述支柱固定在所述底壳(2)的内表面上；
所述单极子与所述微带线一一对应连接形成微带天线(4)，所述微带天线(4)至少两个，均固定在所述天线基板(1)的上表面上，其中一个微带天线(4)上的两个节点与所述馈线(5)的两端连接，为带馈电微带天线(41)，另一个微带天线(4)无馈线，为无馈电微带天线(42)；
所述馈线(5)有两个，分别固定在所述天线基板(1)的上、下表面，该天线基板(1)上开设有两个镀有导电金属层的通孔(11)，位于所述天线基板(1)下表面的馈线(5)的两端分别穿过所述通孔(11)与所述带馈电微带天线(41)连接；
所述L型匹配电路(6)固定在所述天线基板(1)的上表面，并与跟馈线(5)连接的带馈电微带天线(41)连接；
所述天线罩(3)倒扣在所述天线基板(1)及微带天线(4)的上端，并与所述底壳(2)固定连接。
2.根据权利要求1所述的近场天线，其特征在于：所述微带线为独立不规则矩形微带线。
3.根据权利要求1所述的近场天线，其特征在于：带馈电微带天线(41)和无馈电微带天线(42)相互耦合。
4.根据权利要求1所述的近场天线，其特征在于：所述天线基板(1)的上、下表面为铺铜辐射面，所述通孔(11)的内表面铺铜，所述馈线(5)通过铺铜通孔(11)与带馈电微带天线(41)连接。
5.根据权利要求1所述的近场天线，其特征在于：还包括射频板(7)，所述射频板(7)位于所述天线基板(1)的下方，该射频板(7)为一接地金属板。
6.根据权利要求1所述的近场天线，其特征在于：所述微带天线(4)与所述射频板(7)的连接方式为用同轴线缆连接，通过SMA转接。
7.根据权利要求1所述的近场天线，其特征在于：所述天线基板(1)的尺寸为140*116*1.5mm，采用的介质为FR4(4.4,0.02)。
8.根据权利要求1所述的近场天线，其特征在于：所述微带天线(4)的材质为铜。
9.根据权利要求1所述的近场天线，其特征在于：所述底壳(2)和天线罩(3)均采用PC材质。
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