CN108054502A - 紧凑型高增益圆极化阅读器天线及馈电网络制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型高增益圆极化阅读器天线及馈电网络制备方法，其天线为两层结构，上层是微带线辐射层，下层是馈电网络层，中间是空气介质，上下层通过隔离柱固定；所述上层微带线辐射层包括介质基板和金属微带线辐射贴片，金属微带线贴片为四角开槽结构,所述辐射贴片层上有两个正交的馈电点。本发明采用特殊馈电结构，可以通过一个天线同时实现左旋或右旋功能；采用耦合馈电,带宽大，可实现宽频带覆盖全球所有UHF RFID标准。同时，采取耦合馈电也可以缩小天线尺寸；采用四角开槽形辐射结构设计，可有效降低天线尺寸，实现天线小型化。

Description

紧凑型高增益圆极化阅读器天线及馈电网络制备方法
技术领域
本发明属于RFID(Radio Frequency Identification，射频识别) 天线设计领域，具体为一种紧凑型高增益圆极化阅读器天线及馈电网络制备方法。
背景技术
随着RFID技术的应用需求逐渐扩大，对RFID天线的设计也提出了更高的要求，需要设计出各种高性能的天线以满足各种需要。在 RFID系统中，阅读器天线多使用圆极化天线，主要以微带贴片天线和螺旋天线为主。目前UHF频段和微波频段的RFID技术发展很快，其相应的阅读器天线的设计研究很重要。
现有圆极化天线仍存在一些问题：1)大多数圆极化天线只能实现左旋圆极化或者右旋圆极化，不能同时具有左旋圆极化和右旋圆极化功能2)现有圆极化天线大多采用直接馈电方式，阻抗不易调节且带宽较低3)现有圆极化若采用标准微带结构，天线尺寸较大，小型化困难。
发明内容
1、发明目的。
本发明为了解决现有技术的不足，提出一种紧凑型高增益圆极化阅读器天线，该天线同时具有左旋圆极化和右旋圆极化功能，以及天线小型化，高增益，大带宽等特点。
2、本发明所采用的技术方案。
本发明提出了一种紧凑型高增益圆极化阅读器天线，为两层结构，上层是微带线辐射层，下层是馈电网络层，中间是空气介质，上下层通过隔离柱固定；
所述上层微带线辐射层包括介质基板和金属微带线辐射贴片，金属微带线贴片为四角开槽结构,所述辐射贴片层上有两个正交的馈电点。
更进一步具体实施方式中，所述辐射贴片层介质基板采用单面 pcb板材。
更进一步具体实施方式中，所述下层馈电网络层采用双层设计，上层为参考地，下层为两个输入端，两个输出端和耦合器，两个输出端通过馈线与微带线辐射层的两个馈电点连接，所述两个输入端连接信号接头，一个输入端接入左旋射频信号，另一个输入端右旋射频信号。
更进一步具体实施方式中，所述耦合器为3dB耦合器，使馈电网络的两个输出端相位差为90度。
更进一步具体实施方式中，所述馈电网络层采用双层pcb板材。
更进一步具体实施方式中，所述述馈电网络层的馈电结构为微带线或CPWG。
更进一步具体实施方式中，在原双面金属板的GND层通过层压或其他工艺增加一层厚度为h，介电常数为εr的介质，通过适当调整厚度变量h与介电常数εr变量值，提高天线增益。
3、本发明所产生的技术效果。
(1)本发明采用特殊馈电结构，可以通过一个天线同时实现左旋或右旋功能。
(2)本发明采用耦合馈电,带宽大，可实现宽频带覆盖全球所有 UHF RFID标准。同时，采取耦合馈电也可以缩小天线尺寸。
(3)本发明采用四角开槽形辐射结构设计，可有效降低天线尺寸，实现天线小型化。
附图说明
图1：所述RFID阅读器天线侧视图。
图2：所述RFID阅读器天线俯视图。
图3：所述RFID阅读器天线馈电网络。
图4：3dB耦合器端口示意图。
图5：3dB耦合器等效结构图。
图6：所述RFID阅读器天线馈电网络模拟图。
图7：所述RFID阅读器天线馈电网络S11/22参数仿真结果。
图8：所述RFID阅读器天线增益仿真结果。
图9：所述RFID阅读器天线圆极化轴比带宽仿真结果。
图10：所述RFID阅读器天线3D空间波瓣图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，RFID阅读器天线为两层结构，上层是微带线辐射层1，下层是馈电网络层2，中间是空气介质，上下层通过隔离柱3 固定，馈线4连接馈电网络输出端与辐射贴片馈点。
如图2所示，微带线辐射层1包括介质基板7和金属微带线辐射贴片5。金属微带线辐射贴片5为四角开槽结构。四角开槽结构设计能够缩小尺寸，实现小型化。所述辐射贴片层上有两个正交的馈电点 6，通过相位差为90度的双馈电实现圆极化，耦合馈电可提高带宽同时缩小尺寸。所诉辐射贴片层介质基板可采用单面pcb板材。
图3为RFID阅读器天线CPWG馈电结构示意图。如图所示，馈电结构在馈电网络层2的底部。馈电网络包括两个输入端8，两个输出端9和3dB耦合器10。
将两路射频信号(一路左旋，一路右旋)通过输入端8输入，两路射频信号经过3dB耦合器10之后产生90度相位差。相位差为90 度的两路射频信号从两个输出端9输出，通过馈线4到达两个天线馈电点6，产生圆极化信号。
所述下层馈电网络层采用双层设计，上层为参考地，下层为两个输入端，两个输出端和3dB耦合器，耦合器设计在下层可减小天线对耦合器的影响。两个输出端通过馈线与微带线辐射层的两个馈电点连接。
所述两个输入端连接信号接头，一个输入端接入左旋射频信号，另一个输入端右旋射频信号，使天线同时具有左旋或右旋功能。
所述耦合器为3dB耦合器，使馈电网络的两个输出端相位差为 90度。所述3dB向耦合器是一个4端口网络，它的各个端口分别称为输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口，分别对应图4的端口 1、2、3、4。
理想微带分支定向耦合器的定向散射参量为：
由S参量可知，当端口1输入时，端口2和3相位差90度，端口1和4隔离。同理可知，端口2，3相当于互相开路端以实现端口隔离。
3dB耦合器等效结构图如图5所示：耦合器采用择四分之一波长传输线，其中A、B、C、D分别对应输入端口、直通端口、耦合端口和隔离端口。
假定信号由输入端口经点A输入，隔离端口的信号由两路信号叠加得到，一路为A-D，波程为λ/4，另一路为A-B-C-D波程为3λ/4，两路信号波程差为λ/2，两路信号的幅度相等，相位相差π/2，则两信号相互抵消，使得A，D两端隔离。耦合端口的信号由两路信号叠加得到，一路为A-B-C，另一路为A-D-C,两者波程均为λ/2，到达C点两路信号同相，耦合端的输出信号为二者之和，耦合信号的大小取决于两个分支线的归一化特性导纳值。为了让各端口更好的匹配，一般取各端口的阻抗值为Z0＝50Ω,则主线的阻抗值为
四分之一波长传输线的开路特性可提高端口隔离特性。
传输线理论公式定义如下：
其中l为传输线长度。
因端口1,4为1/4波长，有正切公式等价变换
可推出
其中Zc为传输线特性阻抗，因此可得相距1/4波长处相当于端口1,4互相开路端以实现端口隔离。
所述馈电网络层可采用双层pcb板材。所述底层馈电网络在不增加尺寸的前提下，采用双层介质PCB板材，相比单层介质可提高天线增益0.5db以上。
所述双层介质PCB板馈电网络具体实现方法:在原双面金属板的 GND层通过层压或其他工艺增加一层厚度为h，介电常数为εr的介质，通过适当调整厚度变量h与介电常数εr变量值，可提高天线增益。
所述馈电结构可为微带线，也可为CPWG(共面接地波导)。
图6为RFID阅读器天线馈电网络模拟图。如图所示，通过该馈电网络模拟可验证馈电网络结构。图7为RFID阅读器天线S11/22参数仿真结果。图8为RFID阅读器天线增益仿真结果。图9为RFID阅读器天线圆极化轴比带宽仿真结果。如图10所示，天线在z方向上具有较好圆极化效果。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语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设备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。

Claims (7)

1.一种紧凑型高增益圆极化阅读器天线，其特征在于：
天线为两层结构，上层是微带线辐射层，下层是馈电网络层，中间是空气介质，上下层通过隔离柱固定；
所述上层微带线辐射层包括介质基板和金属微带线辐射贴片，金属微带线贴片为四角开槽结构,所述辐射贴片层上有两个正交的馈电点。
2.根据权利要求1所述的紧凑型高增益圆极化阅读器天线，其特征在于:所述辐射贴片层介质基板采用单面pcb板材。
3.根据权利要求1所述的紧凑型高增益圆极化阅读器天线，其特征在于:所述下层馈电网络层采用双层设计，上层为参考地，下层为两个输入端，两个输出端和耦合器，两个输出端通过馈线与微带线辐射层的两个馈电点连接，所述两个输入端连接信号接头，一个输入端接入左旋射频信号，另一个输入端右旋射频信号。
4.根据权利要求3所述的紧凑型高增益圆极化阅读器天线，其特征在于:所述耦合器为3dB耦合器，使馈电网络的两个输出端相位差为90度。
5.根据权利要求1所述的紧凑型高增益圆极化阅读器天线，其特征在于:所述馈电网络层采用双层pcb板材。
6.根据权利要求1所述的紧凑型高增益圆极化阅读器天线，其特征在于:所述述馈电网络层的馈电结构为微带线或CPWG。
7.一种如权利要求5所述的双层pcb板材馈电网络层制备方法，其特征在于：在原双面金属板的GND层通过层压或其他工艺增加一层厚度为h，介电常数为εr的介质，通过适当调整厚度变量h与介电常数εr变量值，提高天线增益。
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