CN108598667A - 一种紧凑宽带圆极化背腔式rfid阅读器天线 - Google Patents

一种紧凑宽带圆极化背腔式rfid阅读器天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线，包括上层辐射结构、中间耦合馈电层、下层结构以及金属腔体，所述金属反射腔体设置在天线的下层结构，且围绕所述三层结构的四周；所述上层辐射结构为天线的辐射结构，所述上层辐射结构包括第一介质基底，在第一介质基底的上表面刻蚀着正方形环形金属贴片，所述中间耦合馈电层包括第二介质基底和长方形金属贴片；所述下层结构包括天线地、加载匹配枝节的3dB耦合器、以及第三介质基底。本发明采用正方形环形状辐射贴片，有效的延长了射频电流路径，在保证天线的一定的辐射口径的条件下，减小了天线尺寸。本发明在保证天线应有的高增益，宽带宽的性能条件下，天线尺寸得到了降低，使天线适合于较小空间的RFID系统中。

Description

一种紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线
技术领域
本发明属于天线的技术领域，特别涉及一种紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线。
背景技术
射频识别即RFID(Radio Frequency Identification)技术是一项非接触式自动识别技术，也是一项无线通信技术。它得到所要数据的途径是利用射频信号去识别目标对象的。它主要有两个重要的部分，一个是读写器，另一个则是标签。一般RFID系统操作频段为低频段(LF),高频段(HF)，超高频(UHF) 以及微波频段。然而当前工作于超高频段的RFID系统由于其更快的识别速度、更大的数据量、以及更远阅读距离获得了极大的关注。RFID系统在我们的生活中运用非常广泛，比如物体跟踪、物流管理、以及电子支付等等。
不同的国家和地区，对于运用在射频识别的超高频(UHF)频段都有各自明确的规定：中国的为840～845MHz和920～925MHz，欧州为866～869MHz，澳大利亚为920～926MHz,新加坡的为866～869MHz和869～925MHz，美国的为902～928MHz，日本的为952～955MHz。
天线作为一种电磁波发射或接收的设备，是RFID系统的重要组成部分。它对RFID系统的读取性能有很大的影响。因此，天线的设计是整个RFID系统设计中至关重要的设计环节。由于标签天线一般为线极化天线，并且标签的位置摆放也是任意的，所以阅读器天线一般要求设计为圆极化天线。性能好的RFID 阅读器天线将极大的提高整个RFID系统的效率和质量。除了天线的极化，影响RFID阅读器天线的主要因素还包括天线的尺寸、工作频段、带宽、阻抗及增益。
大多数现有的圆极化超高频RFID阅读器天线存在许多的缺点：第一、许多的阅读器天线频段仅能满足中国标准、美国标准、欧洲标准等标准中的一种，无法同时覆盖所有标准的工作频段。第二、为了实现小型化，现有的RFID圆极化阅读器天线圆极化带宽较窄，没有覆盖全球所有的超高频RFID频段，这使得 RFID系统的使用得到了限制。第三、为了拓展RFID圆极化带宽，天线的尺寸往往比较大，天线的高度较高。第四、目前许多RFID圆极化天线只有单一极化。因此设计一款小型、紧凑，性能较好、能够覆盖全球所有的RFID频段的双极化阅读器天线，具有很强的商业价值。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线，在保证天线应有的高增益，宽带宽的性能条件下，天线尺寸得到了降低。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线，包括三层结构以及金属反射腔体，所述三层结构包括上层辐射结构、中间耦合馈电层、以及下层结构，所述金属反射腔体设置在天线的下层结构，且围绕所述三层结构的四周；所述上层辐射结构为天线的辐射结构，所述上层辐射结构包括第一介质基底，在第一介质基底的上表面刻蚀着正方形环形金属贴片，所述正方形环形金属贴片的中间刻蚀较大的正方形缝隙；所述中间耦合馈电层包括第二介质基底和长方形金属贴片，所述第二介质基底的上方刻蚀两个大小相同且相互正交的长方形金属贴片；两个大小相同的长方形金属贴片作为上层辐射结构的激励；所述中间耦合馈电层和上层辐射结构之间具有设定高度的空隙；所述下层结构包括天线地、3dB耦合器、以及第三介质基底，所述天线地位于下层介质基底的上方，所述3dB耦合器由微带枝节构成，3dB耦合器连接有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第一输出端口和第二输出端口通过金属探针直接和中间耦合馈电层中的两个长方形金属贴片进行焊接；所述第一输出端口和第二输出端口输出的射频电流相位相差90度，经过中间耦合馈电层中的两个长方形金属贴片耦合到上层辐射结构，激励天线产生圆极化辐射。
作为优选的技术方案，所述第一介质基底为正方形基底。
作为优选的技术方案，所述正方形环形金属贴片，外边长为113mm，内边长为42mm；
每个长方形金属贴片长度为45mm，宽边为10mm；
所述天线地为正方形金属贴片，边长为150mm，宽为150mm。
作为优选的技术方案，上层辐射结构与中间耦合馈电层的距离为3mm；
所述中间耦合馈电层与下层结构的距离为17mm；
所述上层辐射结构高度为1mm；
所述中间耦合馈电层和下层结构的高度为1.5mm。
作为优选的技术方案，所述第一输入端口、第二输入端口分别连接有SMA 射频接头。
作为优选的技术方案，所述金属反射腔体由四个高度一致金属壁和金属反射板组成。
作为优选的技术方案，还包括用于固定上层辐射结构、中间耦合馈电层、以及下层结构的尼龙柱，所述尼龙柱安装在上层辐射结构、中间耦合馈电层、以及下层结构的四周，所述尼龙固定上层辐射结构和中间耦合馈电层的中间部位。
作为优选的技术方案，还包括用于固定天线和金属腔体的金属柱，所述金属柱安装在下层辐射结构与金属腔体中。
作为优选的技术方案，所述3dB耦合器带有微带匹配枝节，所述的微带匹配枝节安装在3dB耦合器的输出端口。
作为优选的技术方案，所述第一介质基底、第二介质基底和第三介质基底均选用FR4介质基板上，第一介质基板的边长为140mm，介电常数为4.4，厚度为1mm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明采用正方形环形状辐射贴片，有效的延长了射频电流路径，在保证天线的一定的辐射口径的条件下，减小了天线尺寸。在保证天线应有的高增益，宽带宽的性能条件下，天线尺寸得到了降低，使天线适合于较小空间的RFID 系统中。
2、本发明采用引入中间层耦合馈电方式，而不是直接采用探针向环形贴片进行馈电方式。直接探针馈电会导致环形天线与馈电探针之间阻抗失配，天线无法有效的辐射电磁波。耦合馈电能够消除了长馈电探针引起的电抗，有效的激励环形金属贴片，使得天线能够具有很好的阻抗匹配。从而实现较宽的阻抗带宽和圆极化带宽。
3、本发明中间层中使用FR4介质基底，能够有效的提高天线的阻抗带宽，以及轴比带宽。使得天线的阻抗带宽和圆极化带宽均能够覆盖840-960MHz，覆盖了全球所有RFID频段。本发明的阅读器天线适用于全球所有超高频段RFID 系统，提高了天线使用效率。
4、本发明引入了背腔式结构，有效的提高天线增益，一般RFID阅读器天线，天线地比较大，导致不适合运用于空间有限的小型RFID系统中。天线地缩小会导致天线产生的电磁波向四周绕射，能量无法集中，前后比减少，降低了 RFID系统的阅读距离。金属背腔结构能有效的提高了天线的前后比，使得天线集中能量，定向辐射，提高了天线的增益。
5、为了使天线产生圆极化辐射，馈电网络采用3dB枝节定向耦合器。其中在定向耦合器中加载两个匹配枝节，使得两个馈电端口的隔离增大，降低两个馈电端口耦合带来的损耗，有效提高天线的实际增益。
综上所述，本发明的有益效果是：本发明的RFID阅读器天线尺寸为 150mm×150mm×29mm，天线结构紧凑，阻抗带宽天线的-10dB阻抗带宽为 790-1120MHz，相对阻抗带宽为34.5％。天线的轴比带宽为780–1130MHz,相对轴比带宽为36.6％。该发明的RFID阅读器天线，在840-960MHz的频段中具有稳定的天线平均增益6.5dBic,最高增益为6.8dBic.天线的阻抗带宽和轴比带宽均可以覆盖美洲、欧洲、日本、中国、印度、韩国、新加坡、香港、中国台湾、澳大利亚的超高频RFID工作频段。本发明满足了结构紧凑小型、阻抗和轴比带宽较宽、天线增益高的RFID阅读器天线的要求。
附图说明
图1是本发明紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线的俯视图；
图2是本发明紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线的侧视图；
图3是本发明紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线的3dB耦合器结构图；
图4是本发明紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线的反射系数图；
图5是本发明紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线的两个输入端口的隔离度系数图；
图6是本发明紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线的轴比系数图；
图7是本发明紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线的圆极化增益图；
图8(a)、图8(b)是本发明紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线在 840MHz不同平面的天线辐射方向图；
图9(a)、图9(b)是本发明紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线在 915MHz不同平面的天线辐射方向图；
图10(a)、图10(b)是本发明紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线在 960MHz不同平面的天线辐射方向图。
附图标号说明：1、正方形缝隙；2、正方形环形贴片；3、天线地；4、长方形金属贴片；5、3dB耦合器；6、地面圆形槽；7、第一介质基底；8、第二介质基底；9、第三介质基底；10、金属探针；11、尼龙柱；12、金属柱；13、金属腔体；14、耦合器匹配枝节；P1、第一输入端口；P2、第二输入端口；P3、第一输出端口；P4、第二输出端口。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1、图2所示所示，本发明一种紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线，该天线包括三层结构以及金属反射腔体；所述三层结构包括：上层辐射结构、中间层耦合馈电结构、以及下层结构；下层结构包括实现圆极化辐射的馈电网络结构和天线地平面。所述金属反射腔体位于天线的下层结构，围绕天线的四周。
天线的最上层为天线的辐射结构；上层辐射结构包含第一介质基底7以及正方形环形贴片2。所述正方形环形贴片2位于第一介质基底7的上方，其正方形环形贴片的外边长为113mm,内边长为42mm。相当于，在边长为113mm正方形贴片切出一个边长为42mm的正方形缝隙1。本实施例的天线采用环形贴片作为辐射结构,在一定的程度上能够有效的较小天线的尺寸。之所以采用环形贴片结构其原因是正方形环形贴片相比于正方形贴片能够增加射频电流在贴片流动的有效路径。天线的工作频率与天线射频电流路径相关，增加电流路径会使天线的工作频率向低频段移动，这样在减少天线尺寸时能够通过增加射频电流的路径，从而保持天线在原来的频率上工作。但是天线的增益和天线口径有很大的关系，所以环形天线的内边长不能太大，如果内边长过长使得辐射结构的有效面积过小，会降底天线增益。通过仿真优化该实例中正方形环形贴片的内边长选择为42mm。该正方形环形贴片蚀刻在正方形的FR4介质基板上，该介质基板的边长为140mm, 介电常数为4.4，厚度为1mm。
天线的中间层是天线的耦合馈电结构；中间层耦合馈电结构包括了两个大小相同、位置相互正交的小长方形金属贴片4以及第二介质基底8。两个大小相同的耦合贴片的中心点直接焊接在两条长金属探针10上。两个相同的长方形金属贴片位于第二介质基底8上，第二介质基板的厚度为1.5mm,并且第二介质基板离第一介质基底的距离为3mm。如果直接采用长探针给方形环形贴片进行馈电，将会导致天线阻抗不匹配。这是由于环形天线在馈电点的电流小，阻抗高。其次馈电探针长度较长会引入电抗。从而导致天线的阻抗匹配差，天线不能进行有效的辐射电磁波，在实例的天线中表现为天线在RFID频段内的增益偏低。天线使用耦合馈电有效的解决了环形天线馈电点电流低的问题，同时也引入了电容效应，解决了由于长探针所引起的电感。在耦合馈电的同时，也引入了第二介质基底8。第二介质基底的基本作用是支撑长方形耦合贴片，另一方面由于天线添加了中间介质层，能够进一步拓展天线的阻抗带宽，改善天线的圆极化性能天线具有更大的轴比带宽。可以通过调整中间层的介质基板和上层基板的距离从而调整耦合强度的大小，从而提高天线的阻抗带宽和天线增益。
天线的下层结构包括天线地3、第三介质基底9和3dB耦合器5。天线地位于第三介质基底的上方，其大小与第三介质基底相同，都是边长150mm的正方形结构。第三介质基底9材料为FR4.介电常数为4.4，厚度为1.5mm。天线地平面也作为3dB耦合器的物理地。单枝节3dB耦合器的结构示意如图3所示，为了制造方便，耦合器采用微带线的设计方式，3dB单枝节耦合器工作的设计频率为 915MHz。耦合器一共有四个端口，分别由两个输入端口，第一输入端口P1和第二输入端口P2，有两个输出端口，第一输出端口P3和第二输出端口P4。第一输入端口P1和第二输入端口P2分别焊接一个SMA射频接头，方便射频信号输入。第一输出端口P3和第二输出端口P4直接焊接在金属探针9上。在天线地面上需要开两个地面圆形槽6，这是为了使得馈电探针不与天线地接触。由于3dB耦合器中第一输出端口P3和第二输出端口P4输出的射频电流相位相差90度，所以当耦合贴片激励环形贴片时，天线将产生圆极化电磁辐射。为了减小天线尺寸，降低了天线地平面大小，导致天线所产生的电磁辐射向四周的绕射增强，天线辐射方向图的前后比降低，因此增益也减少。为了解决这个问题，在天线中引入了金属腔体13。整个金属腔体结构是由四个高度一致金属壁和金属反射板组成的。金属腔体与与天线地连接的金属柱12。金属腔体能使天线的辐射能量集中在一个方向上，从而提高天线的边射增益，以及增加天线辐射方向图的前后比，同时，由于增加了金属腔体，腔体与天线本身产生耦合，也使得两个馈电端口的耦合度降低并且天线的阻抗带宽和轴比带宽进一步拓宽。
由于3dB耦合器中输出端口P3,P4并不是50欧姆阻抗匹配，所以导致馈电端口P1,和P2的隔离度降低，耦合强度增强，这样会导致耦合器的损耗增加，天线的增益降低。为了提高馈电端口P1和P2的隔离度，将在靠近定向耦合器端口 P3，P4附近各添加一个耦合器匹配枝节14。
本实施例的紧凑背腔式RFID阅读器天线的反射系数曲线如图4所示，从图中可以看到，-10dB阻抗带宽为790-1120MHz覆盖全球所有超高频段需要的工作频段840MHz-960MHz。实施例中两输入端口的隔离系数如图5所示，在840MHz-960MHz,端口隔离系数均大于10dB。轴比系数图如图6所示，轴比3dB带宽为：780–1130MHz，也覆盖了840-960MHz所要的工作带宽，可以看出天线在全球超高频RFID频段上都具有很好的圆极化特性。该天线具有很好的增益带宽，如图7所示，在所覆盖的超高频RFID频段840-960MHz频段上，当第一输入端口 P1被激励时，第二输入端口P2加载50欧姆负载，天线的圆极化增益稳定在 6.5dBic左右，最高为6.8dBic，产生右旋极化辐射。如果需要产生左旋圆极化辐射，可以激励第二输入端口P2，第一输入端口P1加载50欧姆负载。由于天线是对称的，激励第二输入端口P2时，天线性能和激励第一输入端口P1时相同，产生做左圆极化辐射。
本实施例中，天线需要4根尼龙柱11进行装配和安装。4根尼龙柱11安装在三层结构的四周，起到固定三层结构的作用。4根金属柱12固定下层结构和背腔，这样使得天线地和金属腔体良好接触，并且使得天线更具有稳固的结构。本实施例的紧凑背腔式RFID阅读器天线当端口P1被激励时，在840MHz时的xoz 平面和yoz平面的辐射方向图如图8(a)、图8(b)所示，可以看出天线的辐射方向图呈定向辐射方式，沿着正Z方向辐射，辐射方向图的后瓣比较小。图9(a)、图9(b)和图10(a)、图10(b)分别是RFID阅读器天线在915MHz和960MHz时的xoz平面和yoz平面的辐射方向图,方向图变化不是很大，在RFID频段内天线辐射方向图的前后比均大于14dB。
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。

Claims (10)

1.一种紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线，其特征在于，包括三层结构以及金属反射腔体，所述三层结构包括上层辐射结构、中间耦合馈电层、以及下层结构，所述金属反射腔体设置在天线的下层结构，且围绕所述三层结构的四周；所述上层辐射结构为天线的辐射结构，所述上层辐射结构包括第一介质基底，在第一介质基底的上表面刻蚀着正方形环形金属贴片，所述正方形环形金属贴片的中间刻蚀较大的正方形缝隙；所述中间耦合馈电层包括第二介质基底和长方形金属贴片，所述第二介质基底的上方刻蚀两个大小相同且相互正交的长方形金属贴片；两个大小相同的长方形金属贴片作为上层辐射结构的激励；所述中间耦合馈电层和上层辐射结构之间具有设定高度的空隙；所述下层结构包括天线地、3dB耦合器、以及第三介质基底，所述天线地位于下层介质基底的上方，所述3dB耦合器由微带枝节构成，3dB耦合器连接有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口和第二输出端口；所述第一输出端口和第二输出端口通过金属探针直接和中间耦合馈电层中的两个长方形金属贴片进行焊接；所述第一输出端口和第二输出端口输出的射频电流相位相差90度，经过中间耦合馈电层中的两个长方形金属贴片耦合到上层辐射结构，激励天线产生圆极化辐射。
2.根据权利要求1所述紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线，其特征在于，所述第一介质基底为正方形基底。
3.根据权利要求1所述紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线，其特征在于，所述正方形环形金属贴片，外边长为113mm，内边长为42mm；
每个长方形金属贴片长度为45mm，宽边为10mm；
所述天线地为正方形金属贴片，边长为150mm，宽为150mm。
4.根据权利要求1所述紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线，其特征在于，上层辐射结构与中间耦合馈电层的距离为3mm；
所述中间耦合馈电层与下层结构的距离为17mm；
所述上层辐射结构高度为1mm；
所述中间耦合馈电层和下层结构的高度为1.5mm。
5.根据权利要求1所述紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线，其特征在于，所述第一输入端口、第二输入端口分别连接有SMA射频接头。
6.根据权利要求1所述紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线，其特征在于，所述金属反射腔体由四个高度一致金属壁和金属反射板组成。
7.根据权利要求1所述紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线，其特征在于，还包括用于固定上层辐射结构、中间耦合馈电层、以及下层结构的尼龙柱，所述尼龙柱安装在上层辐射结构、中间耦合馈电层、以及下层结构的四周，所述尼龙固定上层辐射结构和中间耦合馈电层的中间部位。
8.根据权利要求1所述紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线，其特征在于，还包括用于固定天线和金属腔体的金属柱，所述金属柱安装在下层辐射结构与金属腔体中。
9.根据权利要求1所述紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线，其特征在于，所述3dB耦合器带有微带匹配枝节，所述的微带匹配枝节安装在3dB耦合器的输出端口。
10.根据权利要求1所述紧凑宽带圆极化背腔式RFID阅读器天线，其特征在于，所述第一介质基底、第二介质基底和第三介质基底均选用FR4介质基板上，第一介质基板的边长为140mm，介电常数为4.4，厚度为1mm。
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