CN108963427B - 一种用于rfid射频识别的可切换的组合天线及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线及其控制方法，组合天线包括PCB板、PIFA天线阵列和双圆极化微带天线；双圆极化微带天线设于PCB板中部上方，PIFA天线阵列包括三个以上分布于PCB板侧边的PIFA天线单元，PCB板上表面设有3dB耦合电桥和天线选通电路，3dB耦合电桥具有两个输入口和两个输出口，3dB耦合电桥实现双圆极化微带天线双圆极化，3dB耦合电桥设于PCB板中部，双圆极化微带天线通过两个馈电探针分别连接3dB耦合电桥的两个输入口，天线选通电路具有一信号输出口以及不少于PIFA天线单元个数加2的选通接口，天线选通电路用于切换接收天线，天线选通电路的信号输出口连接输出匹配网络。本发明增益稳定，宽阻抗带宽。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线及其控制方法。
背景技术
RFID(Radio Frequency Identification)，即射频识别技术，是一种非接触式的自动识别技术。RFID技术将微芯片嵌入到产品当中，微芯片会向扫描器自动发出产品的序列号等信息，而这个过程不需要像条形码技术那样进行人工扫描，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。随着技术理论的不断发展，RFID在身份识别、交通运输、物资追踪等领域有着广泛的应用。
射频识别技术中，阅读器和标签间的非接触通信是通过两个天线线圈的电磁耦合实现的，因此成功的天线设计是RFID应用成功的关键。在阅读器输出功率一定的条件下，阅读器与标签能够可靠通信的距离与天线尺寸和天线产生的磁通量有关，所以对一个成功的RFID应用来说，给阅读器安装适当的天线非常重要。
阅读器天线的设计存在很大的挑战和困难。当天线的尺寸增大到一定程度时会出现以下问题：(1)信噪比减小；(2)出现无法阅读标签的磁通洞；(3)天线到阅读器的匹配变得困难。因此，克服这些挑战和困难，加强射频识别阅读器天线的研究具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线及其控制方法，其天线成本低且近场辐射范围宽，天线本体小巧且易于安装和使用。
本发明采用的技术方案是：
一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线，其包括PCB板以及设于PCB板上表面的PIFA天线阵列和双圆极化微带天线；双圆极化微带天线设于PCB板中部上方，PIFA天线阵列包括三个以上的PIFA天线单元，三个以上的PIFA天线单元呈多边形环状分布于PCB板侧边；PCB板的上表面设有3dB耦合电桥和天线选通电路，3dB耦合电桥具有两个输入口和两个输出口，3dB耦合电桥用于实现双圆极化微带天线的左旋和右旋双圆极化，左旋和右旋双圆极化分别输出,3dB耦合电桥对应双圆极化微带天线设于PCB板中部，双圆极化微带天线通过两个馈电探针分别连接3dB耦合电桥的两个输入口，天线选通电路具有一输出口以及不少于PIFA天线单元个数加2的选通接口，天线选通电路用于切换接收天线，3dB耦合电桥的每个输出口分别对应连接天线选通电路的一个选通接口，三个以上的PIFA天线单元分别连接天线选通电路的一个选通接口，天线选通电路的信号输出口连接输出匹配网络的一端，输出匹配网络的另一端连接有射频线缆。
进一步地，双圆极化微带天线的带内驻波优于1.5。
进一步地，双圆极化微带天线通过尼龙螺丝固定于PCB板上方，且双圆极化微带天线与PCB板的间距为15mm。
进一步地，PIFA天线阵列包括四个PIFA天线单元，PIFA天线阵列俯视呈矩形环状，四个PIFA天线单元分别对应矩形环的四边。
进一步地，所述PIFA天线单元包括振子馈电臂、振子短路墙和狭长的振子辐射体板；振子辐射体板与PCB板平行，振子辐射体板的一端以振子馈电臂和振子短路墙支撑于PCB板上，振子馈电臂与天线选通电路的一个选通接口连接，振子短路墙与PCB板的反射地连接。
进一步地，所述振子辐射体板俯视向呈梯形，梯形板的两个直角边分别与振子馈电臂和振子短路墙相连；振子辐射体板狭窄端位于PIFA天线单元尾端；振子辐射体板宽端位于PIFA天线单元首端；四个PIFA天线单元设于PCB板边缘处且首尾相邻地围成矩形。
进一步地，所述振子辐射体板狭窄端俯视向呈切角形状或圆弧渐变过渡形状；振子馈电臂和振子短路墙处均设有一用于装配的凸起枝节。
进一步地，所述PIFA天线单元以洋白铜材料成型。
进一步地，所述射频线缆为SMA射频线缆。
进一步地，所述天线选通电路包括供电源、射频开关芯片、控制信号控制器，射频开关芯片具有一信号输出口、三个选通控制端和8个选通接口，供电源连接控制信号控制器，控制信号控制器的三个控制引脚分别连接射频开关芯片的三个选通控制端，控制信号控制器通过改变三个控制引脚控制射频开关芯片接通的选通接口，所述控制引脚方式除了由天线内部控制信号控制器产生外，也可通过Reader阅读器端输出控制信号。三个以上的PIFA天线单元的输出口分别连接射频开关芯片的1个选通接口，3dB耦合电桥的两个输出口分别连接射频开关芯片的1个选通接口，射频开关芯片的信号输出口连接输出匹配网络。
进一步地，控制信号控制器采用32位的cortex-M3内核的低功耗单片机。
进一步地，射频开关芯片为8选1射频开关芯片，射频开关芯片为SKY13418-485LF。
进一步地，输出匹配网络的匹配方案为π型、L型、X型中的任一种。
本发明还公开了一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线的控制方法，控制方法包括以下步骤：
步骤1，通过天线选通电路接通3dB耦合电桥的一个输出口，进而选通双圆极化微带天线一个馈电探针，并驻留达到第一时长；
步骤2，达到第一时长后，通过天线选通电路切断与3dB耦合电桥的一个输出口的连接，同时通过天线选通电路以一个PIFA天线单元为起点依照逆时针的顺序依次切换接通一个PIFA天线单元，每个PIFA天线单元均驻留达到第二时长，且第一时长大于第二时长；
步骤3，当最后一个PIFA天线单元驻留达到第二时长时，通过天线选通电路接通3dB耦合电桥的另一个输出口，进而选通双圆极化微带天线的另一个馈电探针，并驻留达到第一时长。
进一步地，第一时长为第二时长的2倍，第一时长为200ms，第二时长为100ms。
本发明采用以上技术方案，具有如下优点:1、本发明中，调整PIFA振子(振子辐射体板)的长度、短路墙的高度等各参数值，天线的阻抗可调节为50欧姆，实现天线与输入端同轴馈电端口的匹配，激励出RFID谐振，实现宽阻抗带宽。2、本发明中，通过3dB耦合电桥实现90°相位差，实现圆极化辐射。PIFA单元主辐射体末端采用切角或圆弧渐变过渡方式，扩宽带宽。PIFA单元馈电臂采用加宽和圆角处理方式，进一步展宽频带。3、本发明进一步提供了控制方法，将双圆极化微带天线的两个输出口分别作为第一个选通接口和最后一个选通接口，先由双圆极化微带天线的一个极化输出口进行大面积扫描读取标签，再通过依次读取四周的PIFA单元的数据，补偿角落或者边缘未读取的标签，最后通过双圆极化微带天线的另一个极化输出口再次进行大面积复核扫描读取标签，防止漏扫。采用该控制方法天线的读取范围更广，减少了漏读的风险，且优化扫描盘点的总时间。并且由于双圆极化微带天线的扫描盘点能力强，设置第一时长大于第二时长，有利于在有限的时间内进行更多的扫描读取，提高扫描效率。本发明结构简单、尺寸小巧，增益稳定，宽阻抗带宽，适用于物联网RFID识别系统，具有广阔的应用前景。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线的结构示意图；
图2为本发明一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线的PCB板上表面示意图；
图3为本发明一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线的PIFA天线单元结构示意图；
图4为本发明一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线的天线选通电路原理框图。
具体实施方式
如图1-4之一所示，本发明公开了一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线，其包括PCB板1以及设于PCB板1上表面的PIFA天线阵列10和双圆极化微带天线12；双圆极化微带天线12设于PCB板1中部上方，PIFA天线阵列10包括三个以上的PIFA天线单元11，三个以上的PIFA天线单元11呈多边形环状分布于PCB板1侧边；PCB板1的上表面设有3dB耦合电桥14和天线选通电路15，3dB耦合电桥14具有两个输入口141和两个输出口142，3dB耦合电桥14用于实现双圆极化微带天线12的左旋和右旋双圆极化，左旋和右旋双圆极化分别输出,3dB耦合电桥14对应双圆极化微带天线12设于PCB板1中部，双圆极化微带天线12通过两个馈电探针13分别连接3dB耦合电桥14的两个输入口141，具体的，3dB耦合电桥14采用3db耦合电桥或3db耦合电路实现；天线选通电路15具有一输出口以及不少于PIFA天线单元11个数加2的选通接口，天线选通电路15用于切换接收天线，3dB耦合电桥14的每个输出口分别对应连接天线选通电路15的一个选通接口，三个以上的PIFA天线单元11分别连接天线选通电路15的一个选通接口，具体的，各自通过PCB板1上的50欧姆微带走线连接选通接口；天线选通电路15的信号输出口连接输出匹配网络5的一端，输出匹配网络5的另一端连接有射频线缆6。
进一步地，双圆极化微带天线12的带内驻波优于1.5。
进一步地，双圆极化微带天线12通过尼龙螺丝3固定于PCB板1上方，且双圆极化微带天线12与PCB板1的间距为15mm。
具体的，双圆极化微带天线12呈矩形结构，双圆极化微带天线12的上表面开设有4个长条槽121，4个长条槽121相差90度并对应双圆极化微带天线12中心对称。
作为一种具体实施方式，双圆极化微带天线12包括介质基板，介质基板上表面印制有圆形辐射贴片，圆形辐射贴片设在上层介质基板的中心处。双圆极化微带天线12的圆形辐射贴片通过两个馈电探针13分别连接3dB耦合电桥14的两个输入口141。
进一步地，PIFA天线阵列10包括四个PIFA天线单元11，PIFA天线阵列10俯视呈矩形环状，四个PIFA天线单元11分别对应矩形环的四边。
进一步地，所述PIFA天线单元11包括振子馈电臂112、振子短路墙111和狭长的振子辐射体板110；振子辐射体板110与PCB板1平行，振子辐射体板110的一端以振子馈电臂112和振子短路墙111支撑于PCB板1上，振子馈电臂112与天线选通电路15的一个选通接口连接，振子短路墙111与PCB板1的反射地连接。
进一步地，所述振子辐射体板110俯视向呈梯形，梯形板的两个直角边分别与振子馈电臂112和振子短路墙111相连；振子辐射体板110狭窄端位于PIFA天线单元11尾端；振子辐射体板110宽端位于PIFA天线单元11首端；四个PIFA天线单元11设于PCB板1边缘处且首尾相邻地围成矩形。
进一步地，所述振子辐射体板110狭窄端俯视向呈切角形状或圆弧渐变过渡形状；振子馈电臂112和振子短路墙111处均设有一用于装配的凸起枝节。
进一步地，所述PIFA天线单元11以洋白铜材料成型。
进一步地，所述射频线缆6为SMA射频线缆。
进一步地，如图4所示，所述天线选通电路15包括供电源、射频开关芯片、控制信号控制器，射频开关芯片具有一信号输出口、三个选通控制端和8个选通接口，供电源连接控制信号控制器，控制信号控制器的三个控制引脚分别连接射频开关芯片的三个选通控制端，控制信号控制器通过改变三个控制引脚控制射频开关芯片接通的选通接口，所述控制引脚方式除了由天线内部控制信号控制器产生外，也可通过Reader阅读器端输出控制信号。三个以上的PIFA天线单元11的输出口分别连接射频开关芯片的1个选通接口，3dB耦合电桥14的两个输出口分别连接射频开关芯片的1个选通接口，射频开关芯片的信号输出口连接输出匹配网络5。
天线选通电路15采用8选1射频开关芯片作为射频开关电路的方案，此8选1射频开关芯片需要应用3个IO口进行开关控制，对应的控制逻辑如下：
| IO口电平A2A1A0(A2为高位) | 选通天线逻辑 |
| 000 | ANT0 |
| 001 | ANT1 |
| 010 | ANT2 |
| 011 | ANT3 |
| 100 | ANT4 |
| 101 | ANT5 |
| 110 | ANT6 |
| 111 | ANT7 |
其中，ANT0～ANT7表示各个选通接口，IO控制信号发生器在实施例中采用单片机的方案，单片机采用32位的cortex-M3内核的低功耗单片机，射频开关选择8选1的开关采用SKY13418-485LF，单片机IO根据按照通信时序输出以上的逻辑电平，以选择其中一个天线阵子作为应用天线阵子。整个有源部分采用LDO供电方式，输出电源电压从3.3V～5.5V，电源部分采用3.3V输出的LDOSGM2019,由ANT输出的馈线对系统供电。工作逻辑如下：设备从馈线取电后，天线进入初始化等待状态，当收到工作请求时，天线开始工作，工作时长从请求信号开始，到请求信号结束。
进一步地，输出匹配网络5的匹配方案为π型、L型、X型中的任一种。
本发明还公开了一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线的控制方法，控制方法包括以下步骤：
步骤1，通过天线选通电路接通3dB耦合电桥的一个输出口，进而选通双圆极化微带天线一个馈电探针，并驻留达到第一时长；
步骤2，达到第一时长后，通过天线选通电路切断与3dB耦合电桥的一个输出口的连接，同时通过天线选通电路以一个PIFA天线单元为起点依照逆时针的顺序依次切换接通一个PIFA天线单元，每个PIFA天线单元均驻留达到第二时长，且第一时长大于第二时长；
步骤3，当最后一个PIFA天线单元驻留达到第二时长时，通过天线选通电路接通3dB耦合电桥的另一个输出口，进而选通双圆极化微带天线的另一个馈电探针，并驻留达到第一时长。
进一步地，第一时长为第二时长的2倍，第一时长为200ms，第二时长为100ms。
本发明将双圆极化微带天线的两个输出口分别作为第一个选通接口和最后一个选通接口，先由双圆极化微带天线的一个极化输出口进行大面积扫描读取标签，再通过依次读取四周的PIFA单元的数据，补偿角落或者边缘未读取的标签，最后通过双圆极化微带天线的另一个极化输出口再次进行大面积复核扫描读取标签，防止漏扫。采用该控制方法天线的读取范围更广，减少了漏读的风险，且优化扫描盘点的总时间。并且由于双圆极化微带天线的扫描盘点能力强，设置第一时长大于第二时长，有利于在有限的时间内进行更多的扫描读取，提高扫描效率。
本发明采用以上技术方案，具有如下优点:1、本发明中，调整PIFA振子(振子辐射体板110)的长度、短路墙的高度等各参数值，天线的阻抗可调节为50欧姆，实现天线与输入端同轴馈电端口的匹配，激励出RFID谐振，实现宽阻抗带宽。2、本发明中，通过3dB耦合电桥实现90°相位差，实现圆极化辐射。PIFA单元主辐射体末端采用切角或圆弧渐变过渡方式，扩宽带宽。PIFA单元馈电臂采用加宽和圆角处理方式，进一步展宽频带。3、本发明进一步提供了控制方法，将双圆极化微带天线的两个输出口分别作为第一个选通接口和最后一个选通接口，先由双圆极化微带天线的一个极化输出口进行大面积扫描读取标签，再通过依次读取四周的PIFA单元的数据，补偿角落或者边缘未读取的标签，最后通过双圆极化微带天线的另一个极化输出口再次进行大面积复核扫描读取标签，防止漏扫。采用该控制方法天线的读取范围更广，减少了漏读的风险，且优化扫描盘点的总时间。并且由于双圆极化微带天线的扫描盘点能力强，设置第一时长大于第二时长，有利于在有限的时间内进行更多的扫描读取，提高扫描效率。本发明结构简单、尺寸小巧，增益稳定，宽阻抗带宽，适用于物联网RFID识别系统，具有广阔的应用前景。
Claims (9)
1.一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线，其特征在于：其包括PCB板以及设于PCB板上表面的PIFA天线阵列和双圆极化微带天线；双圆极化微带天线设于PCB板中部上方，PIFA天线阵列包括四个PIFA天线单元，PIFA天线阵列俯视呈矩形环状，四个PIFA天线单元分别对应矩形环的四边；PCB板的上表面设有3dB耦合电桥和天线选通电路，3dB耦合电桥具有两个输入口和两个输出口，3dB耦合电桥用于实现双圆极化微带天线的左旋和右旋双圆极化，左旋和右旋双圆极化分别输出,3dB耦合电桥对应双圆极化微带天线设于PCB板中部，双圆极化微带天线通过两个馈电探针分别连接3dB耦合电桥的两个输入口，天线选通电路具有一输出口以及不少于PIFA天线单元个数加2的选通接口，天线选通电路用于切换接收天线，3dB耦合电桥的每个输出口分别对应连接天线选通电路的一个选通接口，四个PIFA天线单元分别连接天线选通电路的不同的选通接口，天线选通电路的信号输出口连接输出匹配网络的一端，输出匹配网络的另一端连接有射频线缆。
2.根据权利要求1所述的一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线，其特征在于：所述双圆极化微带天线通过尼龙螺丝固定于PCB板上方，且双圆极化微带天线与PCB板的间距为15mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线，其特征在于：所述PIFA天线单元包括振子馈电臂、振子短路墙和狭长的振子辐射体板；振子辐射体板与PCB板平行，振子辐射体板的一端以振子馈电臂和振子短路墙支撑于PCB板上，振子馈电臂与天线选通电路的一个选通接口连接，振子短路墙与PCB板的反射地连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线，其特征在于：所述振子辐射体板俯视向呈梯形，梯形板的两个直角边分别与振子馈电臂和振子短路墙相连；振子辐射体板狭窄端位于PIFA天线单元尾端；振子辐射体板宽端位于PIFA天线单元首端；四个PIFA天线单元设于PCB板边缘处且首尾相邻地围成矩形。
5.根据权利要求3或4所述的一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线，其特征在于：所述振子辐射体板狭窄端俯视向呈切角形状或圆弧渐变过渡形状；振子馈电臂和振子短路墙处均设有一用于装配的凸起枝节。
6.根据权利要求1所述的一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线，其特征在于：所述天线选通电路包括供电源、射频开关芯片、控制信号控制器，射频开关芯片具有一信号输出口、三个选通控制端和8个选通接口，供电源连接控制信号控制器，控制信号控制器的三个控制引脚分别连接射频开关芯片的三个选通控制端，控制信号控制器通过改变三个控制引脚控制射频开关芯片接通的选通接口，三个以上的PIFA天线单元的输出口分别连接射频开关芯片的1个选通接口，3dB耦合电桥的两个输出口分别连接射频开关芯片的1个选通接口，射频开关芯片的信号输出口连接输出匹配网络。
7.根据权利要求6所述的一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线，其特征在于：所述控制信号控制器采用32位的cortex-M3内核的低功耗单片机，射频开关芯片为8选1射频开关芯片，射频开关芯片为SKY13418-485LF。
8.一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线的控制方法，应用于权利要求1~7之一所述的一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线，其特征在于：控制方法包括以下步骤：
步骤1，通过天线选通电路接通3dB耦合电桥的一个输出口，进而选通双圆极化微带天线一个馈电探针，并驻留达到第一时长；
步骤2，达到第一时长后，通过天线选通电路切断与3dB耦合电桥的一个输出口的连接，同时通过天线选通电路以一个PIFA天线单元为起点依照逆时针的顺序依次切换接通一个PIFA天线单元，每个PIFA天线单元均驻留达到第二时长，且第一时长大于第二时长；
步骤3，当最后一个PIFA天线单元驻留达到第二时长时，通过天线选通电路接通3dB耦合电桥的另一个输出口，进而选通双圆极化微带天线的另一个馈电探针，并驻留达到第一时长。
9.根据权利要求8所述的一种用于RFID射频识别的可切换的组合天线的控制方法，其特征在于：第一时长为第二时长的2倍，第一时长为200ms，第二时长为100ms。
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