CN108321491B - 可切换的近远场射频识别天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可切换的近远场射频识别天线，包括，覆盖天线结构的第一介质基板和覆盖馈电网络的第二介质基板，天线结构包括设置在外层的偶极子环形天线以及设置于内层的耦合环形天线，偶极子环形天线包括多个偶极子天线和设置于偶极子天线间连接偶极子天线的连接天线，每个偶极子天线设置有2个馈电端口，在馈电网络的输入端加正电压时，通过馈电网络使得在偶极子环形天线以及内部耦合环形天线上的电流在平行边上两两相反，在馈电网络的输入端加负电压时，通过馈电网络使得在偶极子环形天线以及内部耦合环形天线上的电流在平行边上两两相同。既可提升远场增益，增加可识别距离，又能在近场磁场均匀性的情况下，降低近场增益，以免标签误识别。

Description

可切换的近远场射频识别天线
技术领域
本发明涉及近远场标签识别技术领域，具体地涉及一种可切换的近远场射频识别天线。
背景技术
随着时代的发展，射频识别技术也在高速发展。射频识别技术由于其在地铁票、安保、无接触支付等应用中的作用，受到了大众的关注。射频识别技术包括近场识别和远场识别。远场识别的优势在于其识别距离远，但其识别性能易受金属或液体包围物的影响。而近场识别恰好能解决这一问题，但其识别距离有限。所以，同时具备近远场识别功能的天线的研究受到国内外关注。文献[1](Shrestha B,Elsherbeni A,Ukkonen L.UHF RFID ReaderAntenna for Near-Field and Far-Field Operations[J].IEEE Antennas&WirelessPropagation Letters,2011,10(4):1274-1277.)、文献[2]Bitnun A,Al E.AReconfigurable Passive UHF Reader Loop Antenna for Near-Field and Far-FieldRFID Applications[J].IEEE Antennas&Wireless Propagation Letters,2012,11(4):580-583)提出一种新型覆盖欧洲超高频段的近远场识别天线，分割环形天线提供近场区域的强而均匀的磁场分布，贴片天线用于提供远场增益。该天线在近远场应用中可识别区域分别能达到9cm和6m。文献[3](Qing X,Chen Z N,Goh C K.A UHF near-field/far-fieldRFID metamaterial-inspired loop antenna[C]//Antennas and Propagation SocietyInternational Symposium.IEEE,2012:1-2.)文献[4](Li W,Yao Y,Yu J,et al.Compactand Planar Near-field and Far-field Reader Antenna for Handset[C]//Proceedings of the International Symposium on Antennas&Propagation.IEEE,2013:133-135.)文献[5](X Lai Z X X C.A compact RFID reader antenna for UHF near-field and far-field operations[J].International Journal of Antennas andPropagation,2013,(2013-8-14),2013,2013(2013):945-948.)提出一款加载左手材料的超高频印刷环天线，该天线可同时工作在欧洲超高频段的近场区和远场区。其频率特性和辐射特性可通过加载的变容二极管进行调整。相比于传统天线，加载左手材料的天线在近场区域的磁场更强，阻抗匹配也更好。文献[6](Yamagajo T,Kai M.A circularypolarized planar antenna for near field and far filed communication systems[C]//IEEE International Symposium on Antennas and Propagation&Usnc/ursiNational Radio Science Meeting.IEEE,2015:1570-1571.)tichu提出一种在底部加载金属背板的分段环天线，该天线可工作在覆盖900-960MHz频段的近远场区域，但是其厚度较大。文献[7]Forouzannezhad P,Jafargholi A,Jahanbakhshi A.Multiband compactantenna for near-field and far-field RFID and wireless portable applications[J].Iet Microwaves Antennas&Propagation,2017,11(4):535-541.提出一种近远场天线，该天线由开路微带线和多对折叠偶极子天线构成。该天线可在近场产生均匀磁场，在远场产生圆极化辐射。文献[8](Pakkathillam J,Kanagasabai M,Alsath M.A CompactMultiservice UHF RFID Reader Antenna for Near field and Farfield Operations[J].IEEE Antennas&Wireless Propagation Letters,2016,PP(99):1-1)提出一种工作在超高频频段近远场区域的多功能射频识别天线。该天线由矩形缝隙天线以及用于产生圆极化的扰动枝节组成。其近场可识别区域面积为220×180mm2。
可见，现有的远近场天线大多是同时实现近远场功能，远场增益有限，并且近场区域一般要求增益较低。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明目的是：提供一种可切换的近远场射频识别天线，既可以提升远场增益，增加可识别距离，又能保证近场磁场均匀性的情况下，降低近场增益，以免标签误识别。
本发明的技术方案是：
一种可切换的近远场射频识别天线，包括，第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板上覆盖有天线结构，所述第二介质基板上覆盖有馈电网络，所述天线结构包括设置在外层的偶极子环形天线以及设置于内层的耦合环形天线，所述偶极子环形天线包括多个偶极子天线和设置于偶极子天线间连接偶极子天线的连接天线，每个偶极子天线设置有2个馈电端口，在馈电网络的输入端加正电压时，通过馈电网络使得在偶极子环形天线以及内部耦合环形天线上的电流在平行边上两两相反，在馈电网络的输入端加负电压时，通过馈电网络使得在偶极子环形天线以及内部耦合环形天线上的电流在平行边上两两相同。
优选的，所述耦合环形天线包括多个顺向连接的交指结构。
优选的，所述交指结构包括一凹部和一凸部，所述凸部延伸至凹部内。
优选的，所述耦合环形天线每条边上设置5个交指结构。
优选的，该交指结构的间距为六分之一边长。
优选的，所述馈电网络包括多个功分器、移相器和二极管，每个偶极子天线的2个馈电端口连接移相器和功分器，通过多个二极管切换各输出端口的相位值，在馈电网络的输入端加正电压时，每个偶极子天线一馈电端口的相位相同，在馈电网络的输入端加负电压时，每个偶极子天线一馈电端口的相位依次相差90°。
优选的，所述第一介质基板和第二介质基板间存在间隔，通过过孔连接。
优选的，所述偶极子天线为4个。
优选的，所述馈电网络覆盖于第二介质基板的上层，所述第二介质基板的下层为一层金属地。
优选的，所述第一介质基板和第二介质基板的介电常数相同。
与现有技术相比，本发明的优点是：
既可以提升远场增益，增加可识别距离，又能保证近场磁场均匀性的情况下，降低近场增益，以免标签误识别。
在远场模式下可产生一对幅度相同、相位相差90°的电流，形成圆极化辐射。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的馈电网络结构示意图；
图2为本发明的天线结构示意图；
图3为本发明天线的侧视图；
图4天线在两种模式下仿真的反射系数；
图5近场模式下的仿真磁场分布图；
图6远场模式下的仿真轴比；
图7远场模式下的仿真方向图；
图8天线在两种模式下实测的反射系数；
图9天线近场标签识别率；
图10天线远场模式下实测轴比；
图11天线远场模式下实测方向图。
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明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
如图1-3所示，一种可切换的近远场射频识别天线，通过改变可重构馈电网络的相位值改变天线的电流分布，实现近远场识别模式的切换。该天线由两层介质基板10、20构成，两层基板材质均为介电常数是4.4，损耗角正切是0.02，厚度是h的FR4板材。下层介质基板20上层覆盖如图1所示的馈电网络，下层则是一层金属地。馈电网络从端口1，即天线的馈电端口，输入信号，经过7个Wilkinson功分器R1-R7之后，被分为等幅值的八路信号。由于本天线辐射单元为偶极子结构，为平衡结构，不能直接使用同轴馈电。传统的馈电方式为巴伦馈电，而本天线采用180°移相器Y1-Y4实现。D1-D12共12个PIN二极管的作用是切换各输出端口的相位值。D1、D2、D5、D6、D9、D10与D3、D4、D7、D8、D11、D12放置方式相反，外加正电压时，二极管D1、D2、D5、D6、D9、D10导通，D3、D4、D7、D8、D11、D12截止，端口2、4、6、8同相；外加负电压时，二极管D3、D4、D7、D8、D11、D12导通，D1、D2、D5、D6、D9、D10截止，端口2、4、6、8相位依次相差90°。
上层介质基板10上层覆盖如图2所示的天线结构。天线结构由两部分组成：外层的偶极子环形天线以及内部的耦合环形天线。偶极子环形天线包括多个偶极子天线和设置于偶极子天线间连接偶极子天线的连接天线，本实施例的偶极子天线为4个，偶极子天线的长度为L2，宽度为w1，偶极子天线构成的环形天线的边长为L1。偶极子天线包括四个单元，共有8个馈电端口K2-K9。由于偶极子天线为平衡结构，需平衡馈电，所以每个单元被分为两部分馈电，间隙为g2。偶极子天线和与其构成外部环形天线的部分间隙为g1。内部耦合环形天线的边长为L3，宽度为w2。内部环形天线每条边上都分布了5个交指结构(也可为其它，如7个，9个等等)，如图2所示，交指结构包括一凹部和一凸部，凸部延伸至凹部内。每个交指结构的间距最好为六分之一边长，以达到最优磁场分布。交指结构的臂长为L4，水平和垂直缝隙分别为g3和g4。两层介质基板通过直径为d的金属柱子30(过孔)连接，如图3所示。两层介质基板之间的间隔为h2。
该天线的工作原理如下：天线工作在两个模式，即近场标签识别模式和远场标签识别模式。在端口1加正电压时，天线工作在近场模式。二极管D1、D2、D5、D6、D9、D10导通，D3、D4、D7、D8、D11、D12截止，端口2、4、6、8同相，而180°移相器的引入，可以起到代替Balun匹配电路的作用。此时外部偶极子环形天线以及内部耦合环形天线上的电流在平行边上两两相反，根据右手螺旋原则，近场区域磁场得到增强，而在远场区辐射很弱，满足近场标签识别条件，而且不会误识别远场标签。在端口1加负电压时，天线工作在远场模式。此时二极管D3、D4、D7、D8、D11、D12导通，D1、D2、D5、D6、D9、D10截止，端口2、4、6、8相位依次相差90°，外部偶极子环形天线以及内部耦合环形天线上的电流在平行边上两两相同，根据右手螺旋原则，近场区域磁场抵消，而在远场辐射得到增强，增加标签读取距离。而此时由于进场磁场较弱，也不会误识别近场标签。除此之外，在远场模式下可产生一对幅度相同、相位相差90°的电流，形成圆极化辐射。
根据技术解决方案中所描述的天线的结构与原理，使用HFSS进行建模仿真，经过仿真优化，该结构的具体尺寸如下：h＝1mm，L2＝7.5mm，w1＝0.6mm，L1＝4.4mm，g2＝1mm，g1＝2mm，L3＝7.5mm，w2＝0.6mm，L4＝7.5mm，g3＝2mm，g4＝2mm，d＝2mm，h2＝30mm。仿真结果达标后，将该天线的仿真模型导出使用印刷电路板工艺进行加工制作，板材选用FR4，介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为3mm。上层介质基板和下层介质基板通过铜线相连并用泡沫进行支撑固定。在天线的激励点打孔以便焊接SMA。将SMA的内心和接地引脚从天线的底部插入到天线的激励点进行焊接，焊接时要保持SMA接头与天线之间的距离，若距离太近，会产生耦合，影响回波损耗。
由图4-8可知，测试结果和仿真结果基本一致，图9可知，测试结果显示该天线可实现240mm*240mm区域内100％标签识别率的最大距离为25mm，最大可识别距离为140mm，具备良好的近场特性。图10、图11是测试的远场模式下轴比和方向图，3dB轴比带宽很宽，覆盖了915M附近较宽频段，最大增益为6.5dB，具备良好的远场特性。
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 (9)

1.一种可切换的近远场射频识别天线，其特征在于，包括第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板上覆盖有天线结构，所述第二介质基板上覆盖有馈电网络；
所述天线结构包括设置在外层的偶极子环形天线以及设置于内层的耦合环形天线，所述偶极子环形天线包括多个偶极子天线和设置于偶极子天线间连接偶极子天线的连接天线，每个偶极子天线设置有2个馈电端口；
所述馈电网络包括多个功分器、移相器和二极管，每个偶极子天线的2个馈电端口连接移相器和功分器，通过多个二极管切换各输出端口的相位值，在馈电网络的输入端加正电压时，每个偶极子天线一馈电端口的相位相同，在馈电网络的输入端加负电压时，每个偶极子天线一馈电端口的相位依次相差90°；
在馈电网络的输入端加正电压时，通过馈电网络使得在偶极子环形天线以及内部耦合环形天线上的电流在平行边上两两相反，在馈电网络的输入端加负电压时，通过馈电网络使得在偶极子环形天线以及内部耦合环形天线上的电流在平行边上两两相同。
2.根据权利要求1所述的可切换的近远场射频识别天线，其特征在于，所述耦合环形天线包括多个顺向连接的交指结构。
3.根据权利要求2所述的可切换的近远场射频识别天线，其特征在于，所述交指结构包括一凹部和一凸部，所述凸部延伸至凹部内。
4.根据权利要求2或3所述的可切换的近远场射频识别天线，其特征在于，所述耦合环形天线每条边上设置5个交指结构。
5.根据权利要求4所述的可切换的近远场射频识别天线，其特征在于，所述交指结构的间距为六分之一边长。
6.根据权利要求1所述的可切换的近远场射频识别天线，其特征在于，所述第一介质基板和第二介质基板间存在间隔，通过过孔连接。
7.根据权利要求1所述的可切换的近远场射频识别天线，其特征在于，所述偶极子天线为4个。
8.根据权利要求1所述的可切换的近远场射频识别天线，其特征在于，所述馈电网络覆盖于第二介质基板的上层，所述第二介质基板的下层为一层金属地。
9.根据权利要求1所述的可切换的近远场射频识别天线，其特征在于，所述第一介质基板和第二介质基板的介电常数相同。
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