CN108365321A - 一种用于rfid系统的定位天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于RFID系统的定位天线，包括天线板，所述天线板包括上表面的辐射面和下面的介质板，所述辐射面设有两个轴对称的天线阵子，两个所述天线阵子的中心间距为λ/2。相对于现有技术，本发明具有以下优势：实现了增益高、覆盖范围大、隔离度高、天线覆盖范围内无盲点的精确定位天线。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于RFID系统的定位天线，它可用在无线射频识别(RFID)车道定位，电子标签定位等民用通信领域。
背景技术
射频识别(RFID)技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，它是用电磁波进行自动识别技术的总称。超高频RFID作为一项先进的数据采集和自动识别技术，已经在生产制造、物流管理、公共安全等领域成功应用。超高频RFID标签具有体积小、成本低、形状多样化、寿命长、容量大、可重复使用等特点，能够支持快速读写、移动识别、非可视识别、多目标识别、跟踪及定位管理。
基于超高频RFID技术的车道判别方法，利用布置于道路上的RFID阅读器读取贴在车辆上RFID标签的相关信息，获取车辆的车牌信息，并对车辆进行车道判别，从而获取道路上车辆信息，实现交通的实时管控。
定位功能是超高频RFID的一项重要的衍生功能，RFID标签由于其较小的体积和低廉的价格，将于运用到车辆的车道定位和判别中，具有较大的实用价值和应用前景。根据测量的特征量值，可将RFID无线定位算法分为以下几种：
1)基于接收信号强度(RSSI)。由于无线信号的传播有以下规律，接收端测得的信号强度越强，说明发送端距接收端距离越近，反之，接收端测得的信号强度越弱，则说明发送端距离越远，因此，基于信号强度衰减的方法可以测量收发距离。
2)基于传播信号的到达入射角(AOA)。信号的到达入射角可由接收机天线阵列测得，采用相关算法可得到角度方位线的交点，即标签的位置。该方法只适用于视距传输的情况。
3)基于传播信号的到达相位(POA)。在得到精确相位信息的基础上，可以计算出信号从发射到接收所经过的时间差，进而计算出发射端到接收端之间的距离。通过测量多个收发设备之间的距离，实现对标签进行定位。
在交通环境下，对车辆进行车道的定位判别，由于基于接收信号强度的定位方法需要获取精确的信道模型，而交通环境比较复杂，信道环境随时变化，所以基于接收信号强度的定位方法会有较大的误差；而基于传播信号的到达入射角的定位方法需要采用阵列天线，布置成本较高。
因此，采用基于传播信号的到达相位的定位方法(POA)对车辆进行车道判别，是一种较为可行的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种用于RFID系统的定位天线，以实现增益高、覆盖范围大、隔离度高、天线覆盖范围内无盲点的定位天线。
本发明构思的原理为根据POA定位原理得到，如下：
1.相位差测入射角
由阅读器对电子标签发起正常的识别流程，由专用的接收定位器(包含天线+接收电路)对标签反射的信号进行解调和测量相位，通过计算相位差推算出标签偏离定位天线中轴线的角度θ。
如图1所示，采取一个天线发送，两个不同天线分别接收的方式，那么电磁波的传播路程差等于标签到天线的距离差：
体现到两个接收链路中，接收信号有相位差：
Ф＝-2πfR/C
ΔФ＝-2πf(R1-R2)/C
ΔФ＝2πf*L sinθ/C
ΔФ＝2πL sinθ/λ
Θ＝sin-1(ΔФ*λ/2πL)
式中：λ是波长，L是距离。
当来波方向在范围内，如果两个天线通道的间距L>λ/2，则由上面的公式计算得到的来波方向角不再是线性单调函数，而呈现多值性，如图2所示。
无源UHF RFID，通常选用方向性较强的天线，假设读写器天线的读取区域在【-θm，θm】之间，为保证ΔФ不超过一个周期，L必须满足：
L≦λ/2sinθm
随着L的减小，ΔФ随位置的变化量也减小，会相应的增加因相位检测的误差所带来的AOA检测误差。为了监测天线正面的整个平面，也就是说θm＝π/2，那么L不能超过λ/2。当载波频率为915MHz时，Lmax＝λ/2＝0.164m。
无源UHF RFID通常使用平板天线，体积较大，不能被放置的如此近。不过在实际使用中，长距离的读写器天线通常有较强的方向性，不能读取到如此大的角度范围，因此两个天线之间的距离可以增加一些。
基于POA的RFID标签定位：
一对天线可以检测标签的POA。通过多对天线的POA，做角度交叉和三角计算得到标签的位置，如图4所示，设两个天线对的中心所在位置为(XS1YS1)，(XS2YS2)，安装角度为(θS1，θS1)。两个天线对检测的POA为θ1，θ2。那么，标签的位置可有如下公式得到：
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于RFID系统的定位天线，包括天线板，所述天线板包括上表面的辐射面和下面的介质板，所述辐射面设有两个轴对称的天线阵子，两个所述天线阵子的中心间距为λ/2。
进一步的，所述天线板的上方设置有引向器，下方设置有底壳，所述底壳采用铝合金底壳。
进一步的，所述辐射面的天线区域采用微带天线的形式。
进一步的，两个所述天线阵子的馈电分别采用一个馈电点，均通过连接馈线连接N型法兰接头分别进行馈电。
进一步的，所述天线板的上方设有天线罩，天线罩底部与底壳配合安装，所述天线罩采用PVC天线罩
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)实现了增益高、覆盖范围大、隔离度高、天线覆盖范围内无盲点的精确定位天线；
(2)结构简单，容易实现。
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为两通道天线测向图；
图2为来波角度与间距D的关系图。
图3为标签的三角定位图。
图4为本发明实施例所述定位天线的俯视图；
图5为本发明实施例所述定位天线的正视图；
图6为本发明实施例端口1水平和垂直方向的辐射方向图；
图7为本发明实施例端口2水平和垂直方向的辐射方向图。
附图标记说明：
1-引向器，2-微带天线，3-天线板，4-底壳，5-天线罩，6-支柱，7-第一端口，8-第二端口。
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。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种用于RFID系统的定位天线，如图4、5所示，包括天线板3，所述天线板3包括上表面的铺铜辐射面和下面的介质板，如图1所示，本定位天线为水平线极化天线，所述铺铜辐射面设有两个轴对称的天线阵子，两个所述天线阵子的中心间距为λ/2，轴对称天线阵子的形式可以在计算天线相位的时候，保证收发天线本身没有相位差；天线中心间距选择λ/2，即保证了两个天线阵子的隔离度，天线阵子覆盖角度，又可以保证不会产生相位检测的误差。
两个所述天线阵子的馈电分别采用一个馈电点，均通过连接馈线连接N型法兰接头分别馈电，N型法兰接头与底壳通过螺钉连接，接地点与天线后壳相连，这样形成了有效的信号传输。两个馈电点同时工作，第一端口7和第二端口8一个端口作为发射信号用，一个端口作为接收信号使用。
如图6、7所示，为本定位天线第一端口7和第二端口8的辐射方向图，可以看出天线方向图也是轴对称的，减小定位计算的误差。
所述天线板3的天线区域采用微带天线2的形式，材质为铜。
所述连接馈线采用同轴线缆焊接的连接方式。
所述天线板3的上方设置有引向器1，下方设置有底壳4，所述底壳4采用铝合金底壳，在底壳4的四个角设置天线的位置设有支柱6，用于对天线板3进行固定。
所述介质板优选厚度为1.5mm的FR4板材，介电常数约为4.4。FR4板材的成本低，适用于频段不是很高的场合。
所述天线板3的上方设有天线罩5，天线罩5底部与底壳4配合安装，所述天线罩5采用PVC天线罩。
本实施例定位天线的整体尺寸为506*196*55mm，天线区域采用的是微带天线2的形式；天线下方的铝合金的底壳4和天线上方的引向器1可以增强天线区域的辐射强度；所述天线罩5又采用不影响天线区域正上方辐射的PC材质。
天线板3的PCB板上加载的贴片元件的封装最好选用大封装的焊盘，且必须加绿油。
当调试时，不能改动定位天线的辐射区的中心间距，只能通过调整天线板3距底壳4的距离、天线板3距引向器1的距离、引向器1的大小、微带天线2的宽窄等，来达到调节天线的性能的目的。
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 (5)
1.一种用于RFID系统的定位天线，其特征在于：包括天线板，所述天线板包括上表面的辐射面和下面的介质板，所述辐射面设有两个轴对称的天线阵子，两个所述天线阵子的中心间距为λ/2。
2.根据权利要求1所述的一种用于RFID系统的定位天线，其特征在于：所述天线板的上方设置有引向器，下方设置有底壳，所述底壳采用铝合金底壳。
3.根据权利要求1所述的一种用于RFID系统的定位天线，其特征在于：所述辐射面的天线区域采用微带天线的形式。
4.根据权利要求1所述的一种用于RFID系统的定位天线，其特征在于：两个所述天线阵子的馈电分别采用一个馈电点，均通过连接馈线连接N型法兰接头分别进行馈电。
5.根据权利要求2所述的一种用于RFID系统的定位天线，其特征在于：所述天线板的上方设有天线罩，天线罩底部与底壳配合安装，所述天线罩采用PVC天线罩。
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