CN109286071A - 小型化双频射频识别圆极化天线 - Google Patents

小型化双频射频识别圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小型化双频射频识别圆极化天线，依次包括：辐射层、第一介质基板、接地板、第二介质基板和馈电层；辐射层位于第一介质基板的第一表面上，辐射层包括第一环形金属贴片和第二环形金属贴片，第一环形金属贴片位于第二环形金属贴片的外侧；第二介质基板位于距离第一介质基板的第二表面的预设位置处，接地板位于第二介质基板的第一表面上，接地板包括第一耦合缝隙和设置方向相互正交的第二耦合缝隙；馈电层位于第二介质基板的第二表面，馈电层包括用于进行馈电的馈电网络。本发明实施例不仅可以实现射频识别的双频圆极化分离，还具有结构简单等特点。

Description

小型化双频射频识别圆极化天线
技术领域
本发明涉及射频识别技术领域，尤其涉及一种小型化双频射频识别圆极化天线。
背景技术
射频识别(RFID)技术广泛应用于各种仓库数据采集和零售物品管理等应用。目前，RFID应用已经分配了几个频带，如125kHz、13.56MHz、420～460MHz，840～960MHz，2.45GHz和5.8GHz。其中，高频远距离RFID识别系统主要集中在UHF(超高频)频段(300-968MHz)和ISM频段(902-928MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz。例如，VLAN、ZigBee等无线技术则集中在2.45GHz频段。由于工作在UHF和ISM频段的射频识别系统具备长距离识别能力，因此更具有吸引力。
然而，要实现宽频带的双频圆极化分离(近乎3:1的频率比)十分困难，就目前现有的涵盖UHF和ISM频段的双频的射频识别圆极化天线，其结构往往很复杂且尺寸过大，无法满足一些设备小型化的需求，使用场景有限。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出一种小型化双频射频识别圆极化天线，具有结构简单、尺寸较小的特点，可解决现有的双频射频识别圆极化天线结构不能满足设备的小型化需求。
本发明实施例提出的一种小型化双频射频识别圆极化天线，依次包括：辐射层、第一介质基板、接地板、第二介质基板和馈电层；
所述辐射层位于所述第一介质基板的第一表面上，所述辐射层包括第一环形金属贴片和第二环形金属贴片，所述第一环形金属贴片位于所述第二环形金属贴片的外侧；
所述第二介质基板位于距离所述第一介质基板的第二表面的预设位置处，所述接地板位于所述第二介质基板的第一表面上，所述接地板包括第一耦合缝隙和第二耦合缝隙；其中，所述第一耦合缝隙和所述第二耦合缝隙的设置方向相互正交；
所述馈电层位于所述第二介质基板的第二表面上，所述馈电层包括对所述第一耦合缝隙和所述第二耦合缝隙进行馈电的馈电网络。
在上述的小型化双频射频识别圆极化天线中，可选地，所述馈电网络包括威尔金森功率分配器，其中，所述威尔金森功率分配器的两个馈电端口呈90度的相位差，用于对设置方向相互正交的所述第一耦合缝隙和所述第二耦合缝隙进行馈电。
在上述的小型化双频射频识别圆极化天线中，可选地，所述第一环形金属贴片为UHF频段的辐射贴片；所述第二环形金属贴片为ISM频段的辐射贴片。
在上述的小型化双频射频识别圆极化天线中，可选地，所述第一环形金属贴片在一对角线方向上具有两个相同尺寸的第一切角，其中，所述第一切角为等腰直角三角形结构。
在上述的小型化双频射频识别圆极化天线中，可选地，所述第二环形金属贴片在相同的所述对角线方向上具有两个相同尺寸的第二切角，其中，所述第二切角为等腰直角三角形结构。
在上述的小型化双频射频识别圆极化天线中，可选地，还包括：L型金属条，所述L型金属条的一边端点位于所述第一环形金属贴片的侧面，所述L型金属条的另一边位于所述第一环形金属贴片所在的平面的下方且平行于所述平面。
在上述的小型化双频射频识别圆极化天线中，可选地，所述L型金属条的所述一边端点位于所述第一环形金属贴片的侧面的中间位置。
在上述的小型化双频射频识别圆极化天线中，可选地，所有L型金属条的开口朝向沿顺时针或逆时针方向。
在上述的小型化双频射频识别圆极化天线中，可选地，所述第一耦合缝隙和所述第二耦合缝隙均呈哑铃型结构。
在上述的小型化双频射频识别圆极化天线中，可选地所述威尔金森功率分配器包括矩形结构，其中，所述两个馈电端口分别位于所述矩形结构的相邻两边，其中，所述相邻两边分别正对由所述第一环形金属贴片和所述第二环形金属贴片形成的环形缝隙。
本发明的技术方案具有如下有益效果：
本发明实施例通过在第一介质基板上设有两个环形金属贴片，并在两层介质板之间设有具有正交设置的耦合缝隙的接地板以及用于激励的馈电网络，不仅可以实现双频的圆极化分离，还具有尺寸较小、结构简单等特点。此外，还通过在辐射贴片的侧面连接有“L”形金属条，可进一步增加天线的圆极化特性等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。
图1为本发明实施例的小型化双频射频识别圆极化天线的整体结构示意图；
图2为本发明实施例的小型化双频射频识别圆极化天线的辐射层的结构示意图；
图3为本发明实施例的小型化双频射频识别圆极化天线的馈电层的结构示意图；
图4为本发明实施例的小型化双频射频识别圆极化天线的L型金属条的放置示意图；
图5为本发明实施例的小型化双频射频识别圆极化天线的天线驻波仿真和测试结果对比图；
图6为本发明实施例的小型化双频射频识别圆极化天线的UHF频段的轴比AR曲线；
图7为本发明实施例的小型化双频射频识别圆极化天线的ISM频段的轴比AR曲线。
主要元件符号说明：
1-小型化双频射频识别圆极化天线；10-辐射层；20-第一介质基板；30-接地板；40-第二介质基板；50-馈电层；110-第一环形金属贴片；120-第二环形金属贴片；130-第一耦合缝隙；140-第二耦合缝隙；150-L型金属条；A-矩形结构；B-圆形结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面结合具体的实施例对本发明进行详细说明。
实施例
请参照图1至图4，本实施例提出一种小型化双频射频识别圆极化天线1，可应用于一些需要工作在双频段的射频识别系统或小型设备中。其中，该双频段主要包括UHF(超高频)频段和ISM频段，例如，蓝牙、Wifi和ZigBee等无线技术均属于ISM频段。本实施例的小型化圆极化天线不仅可以实现宽频带双频的圆极化分离，还具有结构简单、尺寸较小等特点。下面对该小型化双频射频识别圆极化天线1进行详细说明。
如图1所示，该小型化双频射频识别圆极化天线1主要由辐射层10、第一介质基板20、接地板30、第二介质基板40和馈电层50这几个部分依次组成。具体地，辐射层10位于第一介质基板20的第一表面上，第二介质基板40位于距离第一介质基板20的第二表面的预设位置处；接地板30位于第二介质基板40的第一表面上，馈电层50位于该第二介质基板40的第二表面上。
其中，第一介质基板20位于第二介质基板40的预设位置处，即可理解为两者之间存在一定的空间距离，或者说第一介质基板20与第二介质基板40之间存在一空气层。本实施例中，第一介质基板20与第二介质基板40为上下平行设置且第一介质基板20与第二介质基板40的中间在同一竖直直线上。通过采用两个介质基板可使馈电层50与辐射层10被参考地分开，从而保持良好的圆极化纯度等。
本实施例中，第一介质基板20和第二介质基板40可采用相同材质和介电常数的介质基板。进一步地，该第二介质基板40的长宽尺寸应不小于第一介质基板20的长宽尺寸，优选地，两者的厚度相同。例如，第一介质基板20的尺寸可为80mm*80mm*1mm，而第二介质基板40的尺寸可为100mm*100mm*1mm，两个介质基板之间的垂直距离可为11mm。
本实施例中，该辐射层10可包括第一环形金属贴片110和第二环形金属贴片120，第一环形金属贴片110位于第二环形金属贴片120的外侧，可以理解，这两个环形金属贴片之间应当具有一段距离。由于辐射贴片的大小与辐射频率有关，根据该双频射频识别圆极化天线的两个工作频率可确定这两个环形金属贴片的实际大小。
本实施例中，该第一环形金属贴片110为UHF频段的辐射贴片，而第二环形金属贴片120则为ISM频段的辐射贴片。例如，当这两个环形金属贴片均为方形结构时，该第一环形金属贴片110的尺寸可为80mm*80mm，而第二环形金属贴片120的尺寸可为35mm*35mm。可选地，这两个环形金属贴片的结构也可以是其他形状，如圆形或矩形等等。
进一步地，如图2所示，第一环形金属贴片110可在一对角线方向上具有两个相同尺寸的切角，其中，该切角可为等腰直角三角形结构。示范性地，若第一环形金属贴片110包括位于左下角和右上角的一对切角，分别记为切角1和切角2，则有切角1和切角2具有相同的尺寸且均为等腰直角三角形结构。同样，第二环形金属贴片120可在相同的所述对角线方向上具有两个相同尺寸的切角，若记为切角3和切角4，则有切角3和切角4具有相同的尺寸且均为等腰直角三角形结构。通过在环形金属贴上设有相应的切角不仅可以提高该天线的圆极化特性，还可以减小该环形金属贴片的面积等。
本实施例中，接地板30位于第二介质基板40的第一表面上，用于形成一接地面。示范性地，如图1所示，该接地板30可包括用于形成两个耦合孔的第一耦合缝隙130和第二耦合缝隙140，其中，第一耦合缝隙130和第二耦合缝隙140的设置方向相互正交。示范性地，当第一耦合缝隙130沿水平方向延伸时，第二耦合缝隙140则沿垂直方向延伸，从而形成相互正交的两个耦合孔。于是，在实际应用时，馈电层50中的馈电网络将提供适应的激励来分别激励这两个正交的耦合孔以形成两个正交模式，进而构成圆极化模式。
示范性地，该第一耦合缝隙130和第二耦合缝隙140具有相同的形状，具体地，可以是两头大中间小的哑铃型结构。其中，对于这两个耦合缝隙的哑铃型结构的两端，其形状可包括但不限于为箭头型、圆形或如三角形、矩形、五边线等多边形结构等等。
本实施例中，该馈电层50位于第二介质基板40的第二表面上，具体地，该馈电层50可包括对第一耦合缝隙130和第二耦合缝隙140进行馈电的馈电网络。示范性地，该馈电网络可采用结构简单的威尔金森功率分配器(即Wilkinson功分器)来提供适当的激励，其中，该威尔金森功率分配器的两个馈电端口呈90度的相位差，用于对设置方向相互正交的第一耦合缝隙130和第二耦合缝隙140进行馈电。
其中，通过这两个呈90度的相位差的馈电端口，该威尔金森功率分配器可用于激励两个相互正交的耦合孔，即由正交设置的第一耦合缝隙130和第二耦合缝隙140所形成的两个相互正交的耦合孔，从而可形成激励正交并构成圆极化模式。此外，由于ISM频率接近为UHF频率的三倍，对应的相位偏移则为270度，也即相差-90度，故在设置接近UHF频率的相位偏移后，过将两个馈电端口设置呈90度的相位差，可保证该天线的两个频带性能等。
具体地，如图3所示，该威尔金森功率分配器的结构可包括一矩形结构A，进一步地，该威尔金森功率分配器在形成该矩形结构A时可在靠近激励源端的分叉处的两支路之间连接一个隔离电阻以用于阻抗匹配，从而有效提高该威尔金森功率分配器的性能，优选地，可选用100欧姆的隔离电阻。
作为发射信号的两个馈电端口则分别位于该矩形结构A的相邻两边，而该相邻两边分别正对着辐射层10中的由第一环形金属贴片110和第二环形金属贴片120所形成的环形缝隙。示范性地，由于第一环形金属贴片110和第二环形金属贴片120之间存在一段距离，故可形成一矩形或方形的环形缝隙。而在俯视角度下，构成两个馈电端口的每一边长将分别位于该环形缝隙中，优选地，正对于该环形缝隙的中间位置。
通过具有矩形结构A的威尔金森功率分配器可更好地激励两个正交的耦合孔，从而实现正交模式。可选地，该威尔金森功率分配器还可包括一与矩形结构A连接的圆形结构B。具体地，该圆形结构B位于靠近激励源的输入端，而通过该圆形结构B可更好地减小整个馈电网络的尺寸等。
作为进一步优选地方案，本实施例的辐射层10上还可设有L型金属条150以用于引导电流的旋向，进而提高天线的圆极化特点。具体地，该L型金属条150的数量为4个且均位于辐射层10的侧面。示范性地，如图4所示，每一L型金属条150的一边端点分别位于且紧贴于第一环形金属贴片110的一个侧面，而另一边则位于第一环形金属贴片110所在的平面的下方且平行于该所在的平面。
优选地，每一L型金属条150的所述一边端点均位于第一环形金属贴片110的侧面的中间位置。可以理解，该第一环形金属贴片110的侧面的中间位置是指包括了切角部分的边长的中心位置。进一步地，这4个L型金属条150分别放置在第一环形金属贴片110的4个侧面时，其形成的开口朝向可根据左旋圆极化或右旋圆极化的需要而相应地沿顺时针或逆时针方向统一设置。
示范性地，本实施例设计的小型化双频射频识别圆极化天线1可采用介电常数为4.4、厚度为1mm的第一介质基板20和第二介质基板40，其中，第一介质基板20的长宽尺寸为80mm*80mm，而第二介质基板40的长宽尺寸为100mm*100mm，两个介质基板之间的垂直距离可设为11mm。其中，该第一环形金属贴片110的尺寸为80mm*80mm，而第二环形金属贴片120的尺寸为35mm*35mm。
对于上述尺寸的小型化双频射频识别圆极化天线1，其天线驻波仿真和测试结果对比图如图5所示。可知，仿真与测试结果较为接近，该小型化双频射频识别圆极化天线1的驻波比带宽在UHF频段为0.67-1.05GHz，在ISM频段为2.15-2.7GHz。图6和图7则分别为该小型化天线在UHF频率附近和ISM频率附近的轴比AR曲线，用于考虑3dB圆极化带宽，该小型化天线的轴比带宽在UHF频段为0.88-0.94GHz，在ISM频段为2.3-2.7GHz.。可以看出，在10dB频带内，该小型化天线实现了良好的圆极化。
本实施例提出的小型化双频射频识别圆极化天线采用两个不同尺寸的环形金属贴片，可用于构成双频辐射并且切角的设置可提高天线的圆极化特性；通过两个上下设置的介质基板和设有具有正交设置的耦合缝隙的接地板，以及采用两端口呈90度相位差的威尔金森功率分配器作为激励，不仅可以实现双频圆极化分离，还具有结构简单、尺寸较小等特点，从而可较好地满足一些先行设备的小型化天线的需求等。此外，通过在辐射贴片的每一侧面紧贴有用于电流的旋向引导作用的L型金属条，可进一步增加天线的圆极化特性等等。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种小型化双频射频识别圆极化天线，其特征在于，依次包括：辐射层、第一介质基板、接地板、第二介质基板和馈电层；
所述辐射层位于所述第一介质基板的第一表面上，所述辐射层包括第一环形金属贴片和第二环形金属贴片，所述第一环形金属贴片位于所述第二环形金属贴片的外侧；
所述第二介质基板位于距离所述第一介质基板的第二表面的预设位置处，所述接地板位于所述第二介质基板的第一表面上，所述接地板包括第一耦合缝隙和第二耦合缝隙；其中，所述第一耦合缝隙和所述第二耦合缝隙的设置方向相互正交；
所述馈电层位于所述第二介质基板的第二表面上，所述馈电层包括对所述第一耦合缝隙和所述第二耦合缝隙进行馈电的馈电网络。
2.根据权利要求1所述的小型化双频射频识别圆极化天线，其特征在于，所述馈电网络包括威尔金森功率分配器，其中，所述威尔金森功率分配器的两个馈电端口呈90度的相位差，用于对设置方向相互正交的所述第一耦合缝隙和所述第二耦合缝隙进行馈电。
3.根据权利要求1所述的小型化双频射频识别圆极化天线，其特征在于，所述第一环形金属贴片为UHF频段的辐射贴片；所述第二环形金属贴片为ISM频段的辐射贴片。
4.根据权利要求1所述的小型化双频射频识别圆极化天线，其特征在于，所述第一环形金属贴片在一对角线方向上具有两个相同尺寸的第一切角，其中，所述第一切角为等腰直角三角形结构。
5.根据权利要求4所述的小型化双频射频识别圆极化天线，其特征在于，所述第二环形金属贴片在相同的所述对角线方向上具有两个相同尺寸的第二切角，其中，所述第二切角为等腰直角三角形结构。
6.根据权利要求1所述的小型化双频射频识别圆极化天线，其特征在于，还包括：L型金属条，
所述L型金属条的一边端点位于所述第一环形金属贴片的侧面，所述L型金属条的另一边位于所述第一环形金属贴片所在的平面的下方且平行于所述平面。
7.根据权利要求6所述的小型化双频射频识别圆极化天线，其特征在于，所述L型金属条的所述一边端点位于所述第一环形金属贴片的侧面的中间位置。
8.根据权利要求6所述的小型化双频射频识别圆极化天线，其特征在于，所有L型金属条的开口朝向沿顺时针或逆时针方向设置。
9.根据权利要求1所述的小型化双频射频识别圆极化天线，其特征在于，所述第一耦合缝隙和所述第二耦合缝隙均呈哑铃型结构。
10.根据权利要求2所述的小型化双频射频识别圆极化天线，其特征在于，所述威尔金森功率分配器包括矩形结构，所述两个馈电端口分别位于所述矩形结构的相邻两边，其中，所述相邻两边分别正对由所述第一环形金属贴片和所述第二环形金属贴片形成的环形缝隙。
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