CN108039557A - 基于扁平化螺旋结构的高增益端射rfid读写器天线 - Google Patents

基于扁平化螺旋结构的高增益端射rfid读写器天线 Download PDF

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牛臻弋
李梦媛
高峰
陈伟康
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Abstract

本发明公开了一种基于扁平化螺旋结构的高增益端射RFID读写器天线，包括介质板、共面波导结构和扁平化螺旋结构；共面波导结构和扁平化螺旋结构加工在介质板表面；扁平化螺旋结构包括若干附着在介质板上下表面的倾斜金属条带，这些倾斜金属条带在介质板的两面按照特定的螺旋上升角交替排布，并通过金属化通孔实现彼此连接；共面波导结构包括馈线、位于馈线两侧的平行金属面和位于基板背面的金属接地面，共面波导结构通过馈线与扁平化螺旋结构连接。本发明具有高增益和端射辐射的特性，且天线阻抗带宽较宽。本发明制作工艺简单，适于应用在对读写器天线迎面面积要求较小而增益要求较高的场合。

Description

基于扁平化螺旋结构的高增益端射RFID读写器天线
技术领域
本发明属于射频识别技术领域，尤其涉及一种基于扁平化螺旋结构的高增益端射RFID读写器天线。
背景技术
射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是一种利用无线射频方式实现的非接触式自动识别系统。RFID系统一般由RFID标签、读写器和应用软件系统组成。读写器作为整个系统最为复杂的部分，由发射接收系统以及天线两部分构成，功能包括发送命令信号，接收和处理标签信号。而读写器的天线作为系统发射命令信号和接收标签信号的通道，其性能极大的影响着系统总体的性能。
读写器天线按照作用距离来划分，可以分为近场天线和远场天线，按照工作频带划分，包括低频、高频、超高频和微波四个频段。其中，超高频由于频率适中，在近场及远场天线中都得到广泛应用和研究。全球超高频(Ultra High Frequency,UHF)识别系统的频带范围覆盖了840MHz-960MHz，包括中国标准的频率范围840MHz-845MHz及925MHz-930MHz，欧洲标准的频率范围865MHz-868MHz和美洲标准的频率范围902MHz-928MHz。所以如果RFID系统能够覆盖较多的应用频段，那么就能有效地简化系统的安装调节，减少搭建成本，满足RFID系统的应用需求。
目前，RFID技术广泛应用于交通，物流管理，生产流水线等领域中，实现智能化管理。但是，国内外文献和应用中UHF频段的远距离读写器天线以微带天线为主，这类天线的辐射方向大都沿天线表面的法向，因此在用于固定式安装时往往迎风面较大，而在提高天线增益时，又需要大幅增加天线的表面积。所以，如何在较低剖面内实现端射特性，同时满足较宽的带宽，较高增益的定向读写是研究重点。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于扁平化螺旋结构的高增益端射RFID读写器天线。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于扁平化螺旋结构的高增益端射RFID读写器天线，包括介质板、共面波导结构和平面螺旋结构；所述共面波导结构和扁平化螺旋结构加工在介质板表面；所述扁平化螺旋结构包括若干附着在介质板两面倾斜的金属条带，这些倾斜金属条带在介质板的两面按照特定的螺旋上升角α交替排布，并通过金属化通孔实现彼此连接；所述共面波导结构包括馈线、位于馈线两侧的平行金属面和位于共面波导结构背面的金属接地面，共面波导结构通过馈线与扁平化螺旋结构相连。
进一步地，一条上表面的倾斜金属条带与一条下表面的倾斜金属条带组成一完整的金属条带。金属条带的长度采用渐缩形式，其中第一金属条带长度小于L，第二金属条带长度为L*r，第三金属条带长度为L*r2，往后每一金属条带的长度以螺旋渐缩比r逐渐减小。
进一步地，所述共面波导结构上还设有紧密排布的接地孔，连接平行金属面和金属接地面。所述金属接地面的长度小于平行金属面。
有益效果：本发明在低剖面内具有高增益和端射辐射的特性，且天线阻抗带宽较宽。本发明制作工艺简单，适于应用在对读写器天线迎面面积要求较小而增益要求较高的场合。
附图说明
图1是本发明介质板上表面的结构示意图；
图2是本发明介质板下表面的结构示意图；
图3是本发明读写器天线在中心频率915MHz时的增益图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明的基于扁平化螺旋结构的高增益端射RFID读写器天线，包括介质板1、共面波导结构10和构成端射特性的扁平化螺旋结构5。共面波导结构和扁平化螺旋结构是通过印刷或蚀刻加工到介质板上，以保证天线的电磁特性稳定。介质板1为介电常数介于2-20之间的材料。
构成端射特性的扁平化螺旋结构5，包括若干附着在介质板1两面的倾斜金属条带，上下表面的倾斜金属条带以螺旋上升角α相连，并通过金属化通孔8上下连接。一条上表面的金属条带与一条下表面的金属条带组成一完整的金属条带。螺旋上升角α，其角度范围为12°到14°。
第一金属条带4由于馈线位置，只环绕了3/4圈，其长度为3/4L。第二金属条带6和第三金属条带7均为扁平化螺旋的完整一圈，其长度以渐缩比r逐渐减小，以提高天线的定向辐射特性。故第二金属条带的长度为L*r，第三金属条带为L*r2。其中，长度L的范围为一个波长到三分之四个波长，螺旋渐缩比r的范围为0.8-1。
此扁平化螺旋结构的读写器天线，在金属条带环绕圈数至少为2圈时，可以达到较好的端射特性，为了进一步提高天线的定向辐射增益，可以多次增加金属条带的环绕结构。
如图2所示，共面波导结构10，由馈线2、两侧的平行金属面3和背面的金属接地面9组成，其一端用于与同轴接头相连，另外一端通过馈线直接连接到扁平化螺旋结构上。基板背面金属接地面的长度应略小于平行金属面，以避免第一金属条带4距接地板太近而造成短路。
共面波导结构10上还设有紧密排布的接地孔11，连接平行金属面3和金属接地面9，构成了反射的结构，起到抑制背瓣，改善旁瓣比的作用。其中，旁瓣比即端射方向的主瓣和背射方向的背瓣的幅度比。
具体实施例中，介质板1选用的是FR4材料，其相对介电常数为4.4，介质损耗角正切为0.02，厚度为2mm，长边长为210mm，短边长为160mm。选用的螺旋上升角α的大小为12°，螺旋渐缩比r的大小为0.9。第一金属条带的长度为3/4L，第二金属条带和第三金属条带的长度以螺旋渐缩比r逐渐减小，即第二金属条带的长度为L*r，第三金属条带为L*r2。所述长度L的范围为一个波长到三分之四个波长，此处因为需要渐缩，选用的L的大小为三分之四个波长。
将上述的天线放在高频电磁仿真软件HFSS中进行建模仿真。结果表明，天线在驻波比(VSWR)小于2的情况下，可以覆盖全球通用的840MHz-960MHz超高频RFID应用频段，满足多标准的应用需求。同时，如图3所示，此天线在频带内具有良好的端射特性，在900MHz-930MHz内的最大增益均高于8dBi，可以实现高增益的定向辐射。且天线剖面较低，适于应用在剖面要求低而增益要求较高的场合做固定式RFID读写器，在手持式读写器中也具有广泛的应用前景。
本发明所公开的技术方案不仅限于上述技术手段所公开的技术方案，以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。

Claims (8)

1.一种基于扁平化螺旋结构的高增益端射RFID读写器天线，其特征在于：包括介质板(1)、共面波导结构(10)和扁平化螺旋结构(5)；所述共面波导结构(10)和扁平化螺旋结构(5)加工在介质板(1)表面；
所述扁平化螺旋结构(5)包括若干附着在介质板(1)两面倾斜的金属条带，这些倾斜金属条带在介质板的两面按照特定的螺旋上升角α交替排布，并通过金属化通孔(8)实现彼此连接；
所述共面波导结构(10)包括馈线(2)、位于馈线两侧的平行金属面(3)和位于基板背面的金属接地面(9)，所述共面波导结构通过馈线(2)与扁平化螺旋结构(5)连接。
2.根据权利要求1所述的基于扁平化螺旋结构的高增益端射RFID读写器天线，其特征在于：一条上表面的倾斜金属条带与一条下表面的倾斜金属条带组成一完整的金属条带，第一金属条带(4)长度小于L，第二金属条带(6)长度为L*r，第三金属条带(7)长度为L*r2，往后每一金属条带的长度以螺旋渐缩比r逐渐减小。
3.根据权利要求1所述的基于扁平化螺旋结构的高增益端射RFID读写器天线，其特征在于：所述金属接地面(9)的长度小于平行金属导面(3)。
4.根据权利要求1所述的基于扁平化螺旋结构的高增益端射RFID读写器天线，其特征在于：所述共面波导结构上还设有紧密排布的接地孔(11)，连接平行金属面(3)和金属接地面(9)。
5.根据权利要求1所述的基于扁平化螺旋结构的高增益端射RFID读写器天线，其特征在于：所述共面波导结构(10)和扁平化螺旋结构(5)通过印刷或蚀刻加工到介质板(1)表面。
6.根据权利要求1所述的基于扁平化螺旋结构的高增益端射RFID读写器天线，其特征在于：所述介质板(1)的介电常数范围为2-20。
7.根据权利要求1所述的基于扁平化螺旋结构的高增益端射RFID读写器天线，其特征在于：所述螺旋上升角α范围为12°-14°。
8.根据权利要求2所述的基于扁平化螺旋结构的高增益端射RFID读写器天线，其特征在于：所述长度L的范围为一个波长到三分之四个波长，螺旋渐缩比r的范围为0.8-1。
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