CN108832264A - 小型化微带天线阵列及其调控rfid读写天线辐射性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用小型化微带天线阵列调控RFID读写天线辐射性能的方法。该方法通过调整小型化阵列的相关结构参数来实现对定向读写天线波束宽度、增益及前后比性能的控制。相比于传统的单元形式的读写天线，利用小型化天线阵列的形式可以更为便捷有效的控制天线的各项辐射性能；相比于常规阵列形式的读写天线，小型化天线阵列在副瓣控制和前后比等性能上优势明显。本发明还在馈电网络中引入了衰减辐射弯折传输线结构，利用该传输线的衰减特性，可以调控天线的辐射效率，进而控制天线增益。同时通过调整弯折线的相关参数，使得弯折线后向的电磁辐射与贴片单元的辐射相位相消，进一步优化天线的前后比性能。

Description

小型化微带天线阵列及其调控RFID读写天线辐射性能的方法

技术领域

本发明涉及天线（H05B6/72）领域，具体是一种小型化微带天线阵列及其调控定向RFID读写天线辐射性能的方法。

背景技术

RFID（射频识别技术）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标并获取相关数据。由于RFID有着识别精度高，识别数量大等优势，该方面研究有着广泛的应用背景和重要的应用价值。作为RFID系统的关键组成部分，读写天线的设计一直都是该领域的研究热点。随着相关技术的发展，RFID的应用范围也不断扩大，对读写天线提出了很多新的要求，定向读写功能便是其中一个重要的研究方向。在一些开放空间的系统中，往往需要读写天线只对固定区域内的标签进行识别，而对其他一些区域内的标签不予读取。例如超市无人结算的RFID系统，就需要天线只对前向区域内的标签进行识别，并要保证不对后向区域内的标签读写，从而只对前向标签结算而不会误结算后向标签。然而传统的设计中，利用单天线的形式，其对于天线前向性能的控制较难，不能便捷的控制天线的增益，波束等指标；而利用常规的大口径阵列形式的天线又会出现副瓣和后向辐射等问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种利用加载有辐射衰减传输网络的小型化贴片天线阵列作为RFID系统的读写天线的方法，克服了传统单天线及常规大口径天线阵列的诸多劣势，通过调整天线阵列的相关参数，可以有效的控制天线的前向辐射特性，同时抑制天线的后向辐射，从而达到定向读写的功能。

本发明提供了一种小型化微带天线阵列，包括微带功分传输网络和辐射贴片天线阵列, 其中微带功分传输网络连接馈电端口与辐射阵列，微带功分传输网络各个支路的长度和功分比相同，将端口馈入的能量等辐同相的传输到各个辐射贴片天线上；所述辐射贴片天线阵列由相同的贴片天线单元周期性排列成阵，将微带功分传输网络提供的导行电流转换成空间辐射电磁波。

进一步改进，所述的微带功分传输网络和辐射贴片天线阵列印刷于介质板的正面覆铜层，金属背板印刷于介质板的背面覆铜层。。

进一步改进，所述的辐射贴片天线阵列结合所使用单元的电流分布，控制辐射贴片天线阵列口径不大于或略大于一个工作波长，使阵列不出现副瓣和栅瓣。

进一步改进，所述的微带功分传输网络和辐射贴片天线阵列之间通过弯折线结构连接，可以在有限的空间内扩大传输线衰减的调控范围。通过调整弯折线的尺寸参数，使得馈线上的电流方向同向，如是，传输功分网络亦可以有效的辐射电磁能量。

进一步改进，所述的弯折线结构与射贴片天线阵列之间设计有一段移相传输线，其功能在于调控功分传输网络与贴片之间的辐射相位，当两者的后向辐射相位相消时，可以进一步优化天线的前后比性能。

本发明还提供了一种利用小型化微带天线阵列调控RFID读写天线辐射性能的方法，包括以下步骤：

1）利用微带功分传输网络将端口馈入的能量等辐同相的传输到各个辐射贴片天线上，辐射贴片天线阵列将微带功分传输网络提供的导行电流转换成空间辐射电磁波；

2）通过调整功分传输网络各个支路的总长度，引入不同的馈线损耗，从而调整传输网络的衰减，实现调控RFID 读写天线的辐射效率和增益；

进一步改进，所述的微带功分传输网络加载了具有衰减及辐射性能的弯折线结构，通过调整弯折线的总长度，调控馈线网络的衰减性能，总长度越长，衰减越大，天线辐射效率越低，相应的天线增益也越小；通过调整弯折线单个单元的尺寸，使得弯折线上的电流为同向，实现馈电网络的有效辐射。

进一步改进，所述的弯折线与辐射贴片天线之间连接有一段用于移相的传输线，通过该传输线控制微带功分传输网络和辐射贴片天线阵列的辐射相位差，当两者在后向的辐射相位相消时，优化天线的前后比性能。

本发明有益效果在于：

1、可以对天线前向一定距离范围内的标签进行读取，同时对于后向一定距离外的标签不予读取，从而达到定向读取的功能。

2、由于采用阵列形式，天线的前向辐射性能，如增益及波束宽度可以得到更为便捷有效的调控。

3、通过控制天线阵列的口径不大于或略大于工作波长，可以使得天线不出现副瓣和较大的后瓣。

4、通过引入弯折线的结构，可以在有限的空间内扩大传输线衰减的调控范围。通过调整弯折线的尺寸参数，使得馈线上的电流方向同向，如是，传输功分网络亦可以有效的辐射电磁能量。

5、通过引入弯折线的传输线结构，利用其衰减性能可以更大程度的调控天线的增益，利用其辐射特性可以进一步优化天线的前后比性能。

6、阵列采用相同天线周期性排列组阵的形式，辐射单元应具有较好的前后比性能；通过控制功分传输网络各个支路的长度，控制功分网络的功分比，可以使得馈入到各个天线单元的电流信号等辐同相。

附图说明

图1是定向读写RFID系统的整体模块图。

图2是本发明的小型化贴片天线阵列及其馈电网络的主视图。

图3是读写天线E面和H面的方向图。

图4是读写天线前向H1和后向H2处的电场强度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明一种具体实施方式如图1所示，在本发明利用小型化微带天线阵列调控RFID读写天线辐射性能的方法实施例中，对于前向长*宽*高为L*W*H1的区域内的标签要进行正常的读写；在天线后向设置一个高度为H2的隔离区域，使在该区域内不出现任何标签；在天线后向高度大于H2的区域内的标签，所设计天线需保证不予读取，因此该区域可以用以铺设其他识别通道。另外，为了保证天线不会误读到天线前向其他角度区域内的标签，天线的设计不能出现副瓣。在本实施例中，天线对其表面垂直方向的辐射性能做出要求，在其他应用中，也可以根据设计需求对其倾斜方向做出调控。其具体方法为通过设计功分网络的功分比例来调整每个单元的馈入能量比，通过调节每个支路的长度调整每个单元馈入的相位，如是，可以实现天线单元的幅度和相位控制，从而实现对天线方向图的调控。此类方法是较为常规的设计思路，基于本发明提出的方法很容易得出此设计，故亦应属于本发明的保护范围。

本实施例所涉及的小型化微带天线阵列的结构，如图2所示，由馈电端口1，第一级-3dB功分器2，衰减辐射弯折传输线3，移相功能传输线4，第二级-3dB功分器5，矩形辐射贴片单元6六个部分组成。电磁信号由馈电端口1馈入到天线阵列，通过第一级-3dB功分器2和第二级-3dB功分器5两级功分网络，在衰减辐射弯折传输线3和矩形辐射贴片单元6两部分实现电磁辐射，移相功能传输线4实现对衰减辐射弯折传输线3和矩形辐射贴片单元6辐射相位差的调控。本实施例采用微带天线的形式，选用介电常数较高的微带板，这样选择是为了方便小型化天线单元的设计。值得一提的是，本发明提出的方法并不仅限于微带天线的形式，其他小型化天线都可以作为阵列的单元使用。

天线阵列的口径要求小于或者略大于一个工作波长，这样可以使得天线不出现副瓣和较大的后向辐射。本实施例所涉及的天线阵列为2*2的矩形平面阵，根据实际应用需求，也可以设计成为其他组阵形式。通过调整阵列的阵元间距可以控制天线的增益和波束宽度，阵元间距越大，天线增益越高，其波束宽度越窄。在第一级-3dB功分器2和移相功能传输线4之间设计有弯折线的传输线结构3，利用其衰减性能，其总长度越长，则馈线的衰减越大，相应的天线效率就会降低，天线增益变小。弯折线单元的数量需要根据安装尺寸及天线增益需要进行调节，如果需要更低的增益则增加单元数量，反之则减小其数量。通过调整弯折线单元的参数，可以使弯折线进行有效的电磁辐射。其具体办法为：首先，弯折线中较长的折线方向与天线的极化方向一致，这样使得其辐射与贴片辐射同极化；其次，弯折线单元的长度理论上应该为一个导波波长，实际应用中应根据实际电流分布进行微调，以使得弯折线上的电流方向一致，从而实现弯折线网络的有效电磁辐射。值得一提是，本设计采用微带形式的弯折线结构，在其他应用环境中，也可以采用其他形式的传输线结构，只要其结构也可以进行有效的电磁辐射即可。在衰减辐射弯折传输线3与矩形辐射贴片单元6之间连接有一段移相功能的传输线，其可以调整衰减辐射弯折传输线3与矩形辐射贴片单元6的辐射相位，当其辐射相位呈180°相位差时，其在后向的能量相位相消，从而进一步优化阵列的前后比性能。需要说明的是，弯折传输线的前后比应比天线阵列的前后比低，这样才能优化整个读写天线的前后比。值得一提的是，本实施例中利用传输线的后向辐射与贴片天线阵后向辐射相位相消的方法也可以拓展到其他一些应用方面，如通过设计引入后向辐射的结构，调整其相位使其后向辐射与阵列的辐射相位相消，则可以达到降低天线前后比的目的。该设计是在本发明基础上容易得到的思路，因此也应属于本发明的保护范围。

其设计效果如图3与4所示，基于本发明所提供的方法天线的前向辐射得到了很好的调控，未出现副瓣，辐射增益与波束宽度都满足相关设计需求。其前后比性能良好，在读写区内，天线辐射的电场强度值为禁止读写区电场强度值的7倍，实现天线定向读写的性能。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种小型化微带天线阵列，其特征在于：包括微带功分传输网络和辐射贴片天线阵列, 其中微带功分传输网络连接馈电端口与辐射阵列，微带功分传输网络各个支路的长度和功分比相同，将端口馈入的能量等辐同相的传输到各个辐射贴片天线上；所述辐射贴片天线阵列由相同的贴片天线单元周期性排列成阵，将微带功分传输网络提供的导行电流转换成空间辐射电磁波。

2.根据权利要求1所述的小型化微带天线阵列，其特征在于：所述的微带功分传输网络和辐射贴片天线阵列印刷在介质板的正面覆铜层，金属背板印刷在介质板的背面覆铜层。

3.根据权利要求1所述的小型化微带天线阵列，其特征在于：所述的辐射贴片天线阵列结合所使用单元的电流分布，控制辐射贴片天线阵列口径，使阵列不出现副瓣和栅瓣。

4.根据权利要求1所述的小型化微带天线阵列，其特征在于：所述的微带功分传输网络加载了具有衰减及辐射性能的弯折线结构。

5.根据权利要求4所述的小型化微带天线阵列，其特征在于：所述的弯折线结构与射贴片天线阵列之间设计有一段移相传输线。

6.一种利用小型化微带天线阵列调控RFID读写天线辐射性能的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）利用微带功分传输网络将端口馈入的能量等辐同相的传输到各个辐射贴片天线上，辐射贴片天线阵列将微带功分传输网络提供的导行电流转换成空间辐射电磁波；

2）通过调整功分传输网络各个支路的总长度，引入不同的馈线损耗，从而调整传输网络的衰减，实现调控RFID 读写天线的辐射效率和增益。

7.根据权利要求6所述的利用小型化微带天线阵列调控RFID读写天线辐射性能的方法，其特征在于：所述的微带功分传输网络和辐射贴片天线阵列之间通过弯折线结构连接，通过调整弯折线的总长度，调控馈线网络的衰减性能，总长度越长，衰减越大，天线辐射效率越低，相应的天线增益也越小；通过调整弯折线单个单元的尺寸，使得弯折线上的电流为同向，实现馈电网络的有效辐射。

8.根据权利要求6所述的利用小型化微带天线阵列调控RFID读写天线辐射性能的方法，其特征在于：所述的弯折线与辐射贴片天线之间连接有一段用于移相的传输线，通过该传输线控制微带功分传输网络和辐射贴片天线阵列的辐射相位差，当两者在后向的辐射相位相消时，可优化天线的前后比性能。