CN108695596A - 基于非接触旋转耦合的可重构传感天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于非接触旋转耦合的可重构传感天线，从上到下依次包括：金属贴片、介质板、接地板、背腔；其中，背腔是上顶面为空的柱形空腔，接地板作为柱形的上顶面与背腔匹配连接，接地板上刻蚀有馈电槽与RFID芯片连接，背腔中心设有支撑转轴与介质板连接，金属贴片紧贴介质板，支撑转轴通过介质板带动金属贴片相对于馈电槽运动。所述馈电槽被RFID芯片激励激励后产生辐射场，耦合至金属贴片，支撑转轴将传感器机械旋转量转化为金属贴片旋转角度，从而改变天线的谐振频率，阅读器通过读出天线的谐振频率获得传感器机械旋转量。

Description

基于非接触旋转耦合的可重构传感天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于非接触旋转耦合的可重构传感天线。

背景技术

如今，人们关注自然环境的变化，有大量的传感器用于环境监控环境，比如温度、湿度、压力等，随着技术的发展，可监控的环境变量越来越多，传感器也趋向于微型化，数字化，智能化，多功能化，系统化，网络化。

在实际传感器应用中，各种机械式传感器，如双金属温度计、水压表、气压表等依靠指针指示表盘的传感器依然占有很大的比例。这样的机械式表盘需要人工近距离读取，在特殊环境(高温高压等危险环境，或大规模管道人力不足)下，这种仪表有很大的缺点：一是危险环境不宜人类进入，人工近距离读取，容易危害人的安全；二是大规模仪表的读取需要更多人力物力。

目前，也有部分场合使用数字式有源传感器，这些传感器需要携带电池，这样也有三个缺点：一是传感器尺寸无法进一步缩小，无法用于一些特殊的环境；二是电池电量限制了传感器的有效时间，需要频繁更换电池；三是高危环境下有源器件更容易受环境影响，且电池损坏容易造成巨大的电池污染。

发明内容

针对有源传感器存在的技术问题，本发明提出了一种基于非接触旋转耦合的可重构传感天线，从上到下依次包括：金属贴片、介质板、接地板、背腔；其中，背腔是上顶面为空的柱形空腔，接地板作为柱形的上顶面与背腔匹配连接，接地板上刻蚀有馈电槽与RFID芯片连接，背腔中心设有支撑转轴与介质板连接，金属贴片紧贴介质板，支撑转轴通过介质板带动金属贴片相对于馈电槽运动。

所述馈电槽被RFID芯片激励激励后产生辐射场，耦合至金属贴片，支撑转轴将传感器机械旋转量转化为金属贴片旋转角度，从而改变天线的谐振频率，阅读器通过读出天线的谐振频率获得传感器机械旋转量。

所述金属贴片为椭圆形状或三角形或矩形或不规则形状。

所述背腔为圆柱形，接地板为圆形。

所述馈电槽为长条矩形或折线形或圆弧线。

所述RFID芯片位于馈电槽中间，RFID芯片两端分别焊接在馈电槽两侧边沿处。

所述背腔用于改善槽辐射的前后比，增强金属贴片方向的辐射距离，隔离传感器对天线特性的影响。

所述支撑转轴的一端与螺旋形的双金属片连接，组成无源温度传感天线。

所述支撑转轴的一端与压力表的表针连接，组成无源压力传感天线。

本发明的有益效果为：

本发明的传感天线克服了之前背景中介绍的传感器出现的缺点，采用无源设计，使得传感节点趋向于微型化，持久化。对于某些需要监控但不适于人所处的地方，无源传感节点体积更小，安装方便，无需更换电池，节能环保，安装完后可长期使用，体现出无源、小型化的优势，有很高的研究价值、实用价值和经济价值。

该天线还具有以下技术特点：

1.馈电结构简单：芯片激励馈电槽，槽激励金属椭圆贴片。

2.转动无摩擦：馈电槽与主辐射体金属椭圆贴片之间留有空气间隙，采用电磁场耦合，旋转过程无摩擦，大幅度降低传感误差。

3.采用背腔：隔离传感元件对天线特性的影响。大幅降低后向辐射，增强前向辐射，提高阅读距离。

4.天线谐振频率由金属椭圆贴片大小、高度、轴比，馈电槽长短，介质片介电常数等因素共同决定，方便设计时随时调整天线谐振频率。

5.金属椭圆贴片的椭圆形状是连续变化，使传感天线工作频率连续单调变化。

6.传感天线采用无源设计，进一步使得传感节点趋向于微型化，持久化。对于某些需要监控但不适于人所处的地方，无源传感节点体积更小，安装方便，无需更换电池，节能环保，安装完后可长期使用，体现出无源、小型化的优势，有很高的研究价值。

7.该天线结构对一定传感变量范围内的连续变化监控，比开关类的可重构传感天线实线了更宽、更连续的环境监测。

8.该天线结构的阻抗匹配方案为射频识别芯片与馈电槽连接，由馈电槽向主辐射体椭圆贴片进行电磁场耦合，将辐射部分与馈电部分分离，旋转时无摩擦，最大限度的避免了摩擦力对传感精度的影响，匹配简易，结构简单，加工使用简便。

附图说明

图1a、1b分别为本发明的传感天线示意图和结构展开图。

图2a、2b为本发明的传感天线俯视图和侧视图。

图3为双金属片传感元件图。

图4为利用双金属片传感元件设计温度传感器模型图。

图5为利用双金属片传感元件设计温度传感器实物图。

图6为压力表图。

图7为利用压力表设计压力传感器模型图。

图8为利用压力表设计压力传感器实物图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

如图1a、1b和2a、2b所示。本发明提出了一种基于非接触旋转耦合的可重构传感天线，从上到下依次包括：金属贴片1、介质板2、接地板3、背腔4；其中，背腔是上顶面为空的柱形空腔，接地板作为柱形的上顶面与背腔匹配连接，接地板上刻蚀有馈电槽5与RFID芯片6连接，背腔中心设有支撑转轴7与介质板连接，金属贴片紧贴介质板，支撑转轴通过介质板带动金属贴片相对于馈电槽运动。所述馈电槽被RFID芯片激励激励后产生辐射场，耦合至金属贴片，支撑转轴将传感器机械旋转量转化为金属贴片旋转角度，从而改变天线的谐振频率，阅读器通过读出天线的谐振频率获得传感器机械旋转量。所述金属贴片为椭圆形状或三角形或矩形或不规则形状。所述背腔为圆柱形，接地板为圆形。所述馈电槽为长条矩形或折线形或圆弧线。所述RFID芯片位于馈电槽中间，RFID芯片两端分别焊接在馈电槽两侧边沿处。所述背腔用于改善槽辐射的前后比，增强金属贴片方向的辐射距离，隔离传感器对天线特性的影响。

所述支撑转轴的一端与螺旋形的双金属片连接，组成无源温度传感天线。

所述支撑转轴的一端与压力表的表针连接，组成无源压力传感天线。

所述背腔改善槽辐射的前后比，增强金属椭圆贴片方向的辐射距离，并且隔离传感器对天线特性的影响。

所述介质片支撑金属椭圆贴片旋转，高介电常数的介质片帮助实现天线结构小型化。金属椭圆贴片，天线主辐射体和接收体，用于接收阅读器发射的能量和信号，发射RFID芯片产生的信号。作为辐射和接收的金属椭圆贴片，不局限于椭圆形状，也可以是其他三角、矩形、不规则形状也能实现类似功能，但椭圆形状是连续变化传感的较优选择。

本发明工作原理：

传感器的机械旋转通过支撑转轴带动介质片和金属椭圆贴片，使其在0到90度之间旋转。RFID芯片激励馈电槽，馈电槽激励椭圆贴片，根据天线原理，椭圆贴片天线的谐振频率由如下公式(1)参考得出，

其中，c为光速，L为等效长度，ε_e为等效介电常数。由于椭圆旋转角度的不同，使得椭圆贴片天线的等效长度不同，等效长度为垂直于馈电槽槽方向的金属椭圆贴片长度，该长度在椭圆短轴长度和长轴长度之间。

当使用阅读器对该标签天线阅读时，阅读器可以读出标签天线的谐振频率，进而得知椭圆旋转贴片的转动停止位置，进一步得知传感器旋转角度，实现环境监控。

根据以上结构模式，选用了两种传感元件进行加工测试，温度传感和气压传感。

温度传感：

图3是所采用的传感元件，双金属片，利用金属热胀冷缩的特点，螺旋形的双金属片会根据不同的温度产生相应的机械旋转量。

图4给出了设计的加工模型，上半部分为设计天线结构，下半部分用于加热、固定传感器件

图5为实施样品，实际加工中接地板采用金属铜制作，为了更方便与射频识别芯片进行焊接，背腔采用金属铝制作，为了减轻重量、节省成本，支撑转轴主要为金属铜以及必要的轴承等器件尽可能降低转动摩擦，介质板与金属椭圆贴片采用FR4单面板进行加工。射频识别标签芯片为Higgs3芯片。Higgs3常用于射频识别标签，射频识别标签芯片还可以是是Alien公司的Higgs系列芯片(如Higgs3，Higgs4)、NXP公司的UCODE系列芯片(如G2iL，G2XM，7XM)、Impinj的Monza系列芯片(如Monza3，Monza4)等各类工作在UHF频段的射频识别芯片，只需根据芯片阻抗，在天线部分进行微小的尺寸改动，即可完成匹配。

为了方便实验，传感器双金属片联系厂家进行特殊定制，温度范围30至70摄氏度变化时，双金属片对应产生0至90度的旋转角度。温度范围可以根据实际应用就行相应的金属片加工，20至70摄氏度仅为了方便实验测试，双金属片旋转角度0至90度范围为该天线旋转最大指示范围，也可根据实际应用进行相应的缩减。

实际应用中，相关尺寸参数可能根据不同的射频识别芯片、介质片及加工细节的原因略有改动，该设计实施样例采用的只是仿真设计中一组方案。

实际测试中，当温度在30至70摄氏度之间变化时，测得该可重构传感天线的谐振频率在926MHz至862MHz单调递减变化。该测试值仅针对本样机实际测试情况，在实际应用中指示温度和谐振频率都可能因为各种加工误差等因素出现一定的变动，使用前需进行校准。

实际测试中，该可重构传感天线在整个频率调节范围内实现16m以上的阅读距离。

气压(或水压)传感：

图6为传感器采用的常见的管道气压表，气体管道或液体管道单端连接该压力表时，由于气压或液压的作用，使得表针产生旋转量，也即之前提到的传感器旋转量。

图7给出了设计的制作模型，上半部分为设计天线结构，下半部分为原仪表传动部分。

图8为实施样品，使用上海正宝压力表厂Y-150型压力表，量程0.6Mpa,实际使用中可根据具体场景更换不同厂家、型号、量程的仪表。

接地板为原仪表表盘，馈电槽在原仪表表盘上刻槽，原仪表有背腔，但尺寸变动较大，为了节省成本、降低制作难度，未改进背腔结构，支撑转轴为原仪表机械传动结构，介质板与金属椭圆贴片采用FR4单面板进行加工。射频识别标签芯片为Higgs3芯片。Higgs3常用于射频识别标签，射频识别标签芯片还可以是Alien公司的Higgs系列芯片(如Higgs3，Higgs4)、NXP公司的UCODE系列芯片(如G2iL，G2XM，7XM)、Impinj的Monza系列芯片(如Monza3，Monza4)等各类工作在UHF频段的射频识别芯片，只需根据芯片阻抗，在天线部分进行微小的尺寸改动，即可完成匹配。

为了简化实例加工，在原仪表上进行改动后实验，气压范围0至0.3MPA变化时，金属椭圆贴片对应产生0至90度的旋转角度。气压范围可以根据实际应用采用不同量程仪表传动结构，也可根据实际应用特殊加工，0至0.3Mpa仅为了方便实验测试，金属椭圆贴片旋转角度0至90度范围为该天线旋转最大指示范围，也可根据实际应用进行相应的缩减。

实际应用中，相关尺寸参数可能根据不同的射频识别芯片、介质片及加工细节的原因略有改动，该设计实施样例采用的只是仿真设计中一组方案。

实际测试中，当气压在0至0.3Mpa之间变化时，测得该可重构传感天线的谐振频率在943MHz至873MHz单调递减变化。该测试值仅针对本样机实际测试情况，在实际应用中指示温度和谐振频率都可能因为各种加工误差等因素出现一定的变动，使用前需进行校准。

实际测试中，该可重构传感天线在整个频率调节范围内实现16m左右的阅读距离。

由于原仪表可用于水压或气压，因此该可重构传感天线也可用于水压传感。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于非接触旋转耦合的可重构传感天线，其特征在于，从上到下依次包括：金属贴片、介质板、接地板、背腔；其中，背腔是上顶面为空的柱形空腔，接地板作为柱形的上顶面与背腔匹配连接，接地板上刻蚀有馈电槽与RFID芯片连接，背腔中心设有支撑转轴与介质板连接，金属贴片紧贴介质板，支撑转轴通过介质板带动金属贴片相对于馈电槽运动。

2.根据权利要求1所述传感天线，其特征在于，所述馈电槽被RFID芯片激励激励后产生辐射场，耦合至金属贴片，支撑转轴将传感器机械旋转量转化为金属贴片旋转角度，从而改变天线的谐振频率，阅读器通过读出天线的谐振频率获得传感器机械旋转量。

3.根据权利要求1或2所述传感天线，其特征在于，所述金属贴片为椭圆形状或三角形或矩形或不规则形状。

4.根据权利要求1或2所述传感天线，其特征在于，所述背腔为圆柱形，接地板为圆形。

5.根据权利要求1或2所述传感天线，其特征在于，所述馈电槽为长条矩形或折线形或圆弧线。

6.根据权利要求1或2所述传感天线，其特征在于，所述RFID芯片位于馈电槽中间，RFID芯片两端分别焊接在馈电槽两侧边沿处。

7.根据权利要求1或2所述传感天线，其特征在于，所述背腔用于改善槽辐射的前后比，增强金属贴片方向的辐射距离，隔离传感器对天线特性的影响。

8.根据权利要求1～7任一所述传感天线，其特征在于，所述支撑转轴的一端与螺旋形的双金属片连接，组成无源温度传感天线。

9.根据权利要求1～7任一所述传感天线，其特征在于，所述支撑转轴的一端与压力表的表针连接，组成无源压力传感天线。