CN109361071B - 一种读写区域可扩展的环阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种读写区域可扩展的环阵列天线，包括介质板、环天线阵列、金属地、功率分配器、匹配电路和馈电端口；所述环天线阵列、所述功率分配器、所述匹配电路、所述馈电端口均设置在所述介质板的正面，且所述功率分配器分别与所述环天线阵列、所述匹配电路连接，所述馈电端口与所述匹配电路连接；所述金属地设置在所述介质板的背面，所述匹配电路与所述金属地连接；所述环天线阵列由多个环天线单元构成，通过调整所述环天线单元的数量和组阵方式实现所述环阵列天线的读写区域的扩展。采用本发明实施例，能够扩展读写区域，提高读写的准确率。

Description

一种读写区域可扩展的环阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是指一种读写区域可扩展的环阵列天线。
背景技术
射频识别技术(Radio Frequency Identification，简称RFID)是一种通过无线射频方式进行非接触式的双向数据通信。RFID技术具有以下优势：自动识别目标对象，不需要可见光源；射频信号穿透外部材料直接读取，保护外包装，节省开箱时间；可以在恶劣环境中工作；读取距离远；支持写入数据；可同时处理多个标签。RFID技术被认为是21世纪最具发展前景的技术之一，在即将到来的物联网的世界里，RFID技术的应用必将上升到新的高度。
射频识别RFID系统一般由读写器和电子标签组成。读写器一般由RFID射频模块、控制单元以及环阵列天线组成。目前国际上广泛采用的频段分布于4种波段，低频(125KHz)、高频(13.56MHz)、超高频(850-960MHz)和微波频段(2.45GHz)。其中，UHF北美使用的频段是902-928MHz，欧洲使用的频段是865-868MHz，中国采用840-845MHz和920-925MHz作为UHF频段RFID系统的使用频段，无线发射设备的功率为1W。RFID系统中天线起着举足轻重的作用，不同的天线设计将导致RFID系统在读取距离、读写范围等多方面性能的差异。UHF频段的天线一般同时具有远近场的特性，既可以实现近场标签的读取，也可以实现远场标签的读取，因此近年来UHF频段读写器天线的设计成了热门领域。
现有技术中的读写器天线一般为单个环天线，通过在环中心获得一个均匀稳定的磁场来读写电子标签。但是，当环天线的周长增加时，环中心处距离环周长太远，导致环中心处的磁场很弱，使得环阵列天线在环中心出现读写空洞，从而无法实现射频标签的百分百读写。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种读写区域可扩展的环阵列天线，能够扩展读写区域，提高读写的准确率。
基于上述目的本发明提供的读写区域可扩展的环阵列天线，包括介质板、环天线阵列、金属地、功率分配器、匹配电路和馈电端口；
所述环天线阵列、所述功率分配器、所述匹配电路、所述馈电端口均设置在所述介质板的正面，且所述功率分配器分别与所述环天线阵列、所述匹配电路连接，所述馈电端口与所述匹配电路连接；所述金属地设置在所述介质板的背面，所述匹配电路与所述金属地连接；
所述环天线阵列由多个环天线单元构成，通过调整所述环天线单元的数量和组阵方式实现所述环阵列天线的读写区域的扩展。
进一步地，所述环天线阵列包括多条平行设置的主微带线，相邻两条主微带线之间设置有多对微带谐振器，且每对微带谐振器中的两个微带谐振器分别与所述两条主微带线对应耦合；
相邻两对微带谐振器及其之间的主微带线构成一个环天线单元，通过调整所述主微带线的条数和所述微带谐振器的对数实现所述环天线单元的数量和组阵方式的调整。
进一步地，每条主微带线的起始端与所述功率分配器连接，所述每条主微带线的末端开路；
所述每条主微带线从末端开始每间隔四分之一波长交替出现电流最大点和电流最小点；所述每条主微带线在每个电流最小点处呈弯折结构；
相邻两条主微带线之间每间隔半个波长耦合一对微带谐振器，且每条主微带线上的耦合区域为电流最大点和电流最小点之间的区域。
优选地，所述微带谐振器距离其对应的主微带线的起始端越远，其与对应的主微带线之间的耦合距离越小。
进一步地，每个微带谐振器均包括与所述主微带线平行设置的第一臂，以及与所述主微带线垂直设置的第二臂；
所述第一臂的一端与所述第二臂的一端连接，构成L型谐振器；
每对微带谐振器中的两个微带谐振器的第一臂分别与对应的主微带线耦合。
进一步地，所述功率分配器包括与所述多条主微带线一一对应的多个支路；
每个支路的一端与其对应的主微带线的起始端连接，所述每个支路的另一端与所述匹配电路连接；
相邻两个支路的长度相差半波长，使输入相邻两条主微带线的信号相位相差在150度至210度之间。
进一步地，所述介质板包括第一介质层和第二介质层；
所述环天线阵列位于所述第一介质层的正面，所述功率分配器、所述匹配电路、所述馈电端口位于所述第二介质层的正面，所述环天线阵列通过金属柱与所述功率分配器连接；
所述金属地位于所述第二介质层的背面；所述金属过孔设置于所述第二介质层上。
优选地，每对微带谐振器中的两个微带谐振器的第二臂之间的距离范围为0-30mm。
优选地，所述第一介质层与所述第二介质层之间的距离范围为0-50mm。
优选地，所述微带谐振器为半波长谐振器或四分之一波长谐振器。
从上面所述可以看出，本发明提供的读写区域可扩展的环阵列天线设置环天线阵列，使环天线阵列由多个具有稳定磁场的环天线单元构成，通过调整环天线单元的数量和组阵方式获得不同的读写区域，能够满足大面积读写要求，有效提高读写准确率；介质板的背面设置金属地，使得环阵列天线能够工作于金属环境中，扩大环阵列天线的使用范围。
附图说明
图1为本发明实施例提供的读写区域可扩展的环阵列天线的一种结构示意图；
图2为本发明实施例提供的读写区域可扩展的环阵列天线的另一种结构示意图；
图3为本发明实施例提供的读写区域可扩展的环阵列天线的一种俯视图；
图4为本发明实施例提供的读写区域可扩展的环阵列天线的另一种俯视图；
图5为本发明实施例提供的读写区域可扩展的环阵列天线的双层1×4阵列功率分配器和匹配电路部分结构示意图；
图6为本发明实施例提供的读写区域可扩展的环阵列天线的双层1×4阵列反射系数仿真结果图；
图7为本发明实施例提供的读写区域可扩展的环阵列天线的双层1×4阵列远场增益仿真结果图；
图8为本发明实施例提供的读写区域可扩展的环阵列天线的双层1×4阵列在z＝10mm平面处磁场仿真结果图；
图9为本发明实施例提供的读写区域可扩展的环阵列天线双层1×4阵列在xoz平面处磁场仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1，为本发明提供的读写区域可扩展的环阵列天线的一个实施例的结构示意图。所述读写区域可扩展的环阵列天线包括介质板1、环天线阵列2、金属地3、馈电端口4、功率分配器5和匹配电路6。所述环天线阵列2、所述功率分配器5、所述匹配电路6、所述馈电端口4均设置在所述介质板1的正面，且所述功率分配器5分别与所述环天线阵列2、所述匹配电路6连接，所述馈电端口4与所述匹配电路6连接；所述金属地3设置在所述介质板1的背面，所述金属地3与所述匹配电路6连接。其中，金属地的设置使所述环阵列天线能够应用于射频识别金属柜中。
其中，介质板可以为一层，也可以为两层。优选地，如图2所示，所述介质板包括第一介质层8和第二介质层7；所述环天线阵列2位于所述第一介质层8的正面，结合图2、3和5所示，所述功率分配器5、所述匹配电路6、所述馈电端口4位于所述第二介质层7的正面，所述环天线阵列2通过金属柱13、14与所述功率分配器5连接；所述金属地3位于所述第二介质层7的背面。第一介质层8和第二介质层7通过塑料螺丝连接固定，连接孔为18、19、20、21、22、23、24和25，如图3所示。第一介质层8位于第二介质层7的正上方，两者之间的距离范围为0-50mm，优选为10mm。
所述环天线阵列由多个环天线单元构成，不同数量的环天线单元通过组阵可构建1×N、N×1、N×N的阵列，其中，N大于等于1。实际应用时，根据待读写区域的大小和形状，调整环天线单元的数量和组阵方式，使环阵列天线的读写区域与待读写区域的大小和形状相匹配，从而实现射频标签的准确读写。
具体地，如图2和图4所示，所述环天线阵列包括多条平行设置的主微带线11，相邻两条主微带线11之间设置有多对微带谐振器12，且多对微带谐振器12沿着主微带线11的延长线方向依次排列。每对微带谐振器12中的两个微带谐振器26、27分别与所述两条主微带线11对应耦合，即微带谐振器26与相邻两条主微带线11中的一条耦合，微带谐振器27与相邻两条主微带线11中的另一条耦合。
相邻两对微带谐振器及其之间的主微带线构成一个环天线单元，如图3和图4所示，相邻两对微带谐振器12之间的主微带线包括微带线15、16、17，相邻两对微带谐振器12与相邻两条主微带线上的微带线15、16、17所围成的环形结构即为一个环天线单元，在图中x方向上相邻的环天线单元共用一对微带谐振器和部分主微带线，在图中y方向上相邻的环天线单元共用一条主微带线。主微带线和微带谐振器的线宽优选为3mm，微带线15和17的长度优选为71mm，相邻两条主微带线之间的距离优选为112.3mm。
本实施例通过调整所述主微带线的条数和所述微带谐振器的对数实现所述环天线单元的数量和组阵方式的调整，例如，图1和图3中设置2条主微带线和5对微带谐振器，构成4个环天线单元，且4个环天线单元构成1×4阵列，图4中设置3条主微带线和6对微带谐振器，构成4个环天线单元，且4个环天线单元构成2×2阵列。
进一步地，如图1和图2所示，每条主微带线11的起始端与所述功率分配器5连接，所述每条主微带线11的末端开路，即将所述主微带线上靠近功率分配器的一端作为起始端，用于输入电流，所述主微带线上远离功率分配器的一端作为末端。
所述每条主微带线从末端开始每间隔四分之一波长交替出现电流最大点和电流最小点，即每条主微带线上距离末端四分之一波长处出现电流最大点，再距离四分之一波长处出现电流最小点，其中电流最小点和电流最大点交替出现。
所述每条主微带线11在每个电流最小点处呈弯折结构16，该弯折结构沿主微带线垂直方向弯折，即沿图中y方向弯折，且在y方向上弯折的最大长度优选为22.7mm。弯折结构的设置用于消除主微带线上的电流最小点。
相邻两条主微带线之间的多对微带谐振器沿主微带线延长方向(即图中x方向)依次排列，且排列间隔优选为半个波长，每个微带谐振器在其对应的主微带线上的耦合区域为电流最大点和电流最小点之间的区域。
每个微带谐振器与其对应的主微带线之间的耦合距离可以相等，也可以不相等。优选地，所述微带谐振器距离其对应的主微带线的起始端越远，其与对应的主微带线之间的耦合距离越小，从而保证了每个微带谐振器从主微带线上耦合到的能量是相同的。例如，如图3所示，按照距离主微带线的起始端由近到远排列的五对微带谐振器，与主微带线的耦合距离依次为6.8mm、6.1mm、5.4mm、4.7mm、4mm。
如图4所示，每个微带谐振器均包括与所述主微带线11平行设置的第一臂28，以及与所述主微带线11垂直设置的第二臂29；所述第一臂28的一端与所述第二臂29的一端连接，构成L型谐振器。需要说明的是，微带谐振器还可以为其他类型的谐振器。优选地，所述微带谐振器为半波长谐振器或四分之一波长谐振器或其他长度谐振器。
每对微带谐振器中的两个微带谐振器26和27的第一臂28分别与对应的主微带线11耦合。每对微带谐振器中的两个微带谐振器的第二臂可以靠近耦合也可以距离较远，优选地，每对微带谐振器中的两个微带谐振器的第二臂之间的距离范围为0-30mm，优选为1.7mm。
进一步地，所述功率分配器包括与所述多条主微带线一一对应的多个支路；每个支路的一端与其对应的主微带线的起始端连接，所述每个支路的另一端与所述匹配电路连接。例如，如图3和图5所示，位于第一介质层8上的环天线阵列2包括两条主微带线11，位于第二介质层7上的功率分配器5包括与两条主微带线11一一对应的第一支路和第二支路，如图5所示，第一支路包括微带线30、31，第二支路包括微带线32、33、34、35、36，第一支路的一端通过金属柱14与第一介质层8上的一条主微带线11连接，另一端与匹配电路6连接，第二支路的一端通过金属柱13与第一介质层8上的另一条主微带线11连接，另一端与匹配电路6连接。
进一步地，相邻两个支路的长度相差大约为半波长，使输入相邻两条主微带线的信号相位相差在150度至210度之间。优选地，输入相邻两条主微带线的信号相位相差为180度。例如，如图5所示，微带线32和34为四分之一波长，使得第二支路比第一支路长半波长，信号经第一支路到达主微带线的路径比经第二支路到达主微带线的路径短半波长。
如图5所示，匹配电路包括金属过孔38、集总电容37和集总电感39；集总电感39的一端连接馈电端口4，集总电感39的另一端连接功率分配器5，集总电容37的一端连接功率分配器5，集总电容37的另一端通过金属过孔38连接金属地。测试时，馈电端口4连接SMA头的内芯，金属地连接SMA头的地。优选地，匹配电路为L型匹配或者其他匹配电路类型。
图6示出了本发明实施例提供的读写区域可扩展的环阵列天线的反射系数仿真结果图，从图中可以看出中心频率为922MHz、反射系数为-10dB时的带宽为10MHz，覆盖了整个920-925MHz的UHF中国频段。图7示出了所述天线在922MHz时的xoz平面和yoz平面的辐射方向图。图8示出了922MHz中心频率时的天线正上方z＝10mm处的磁场分布图，图9示出了922MHz中心频率时的天线正上方xoz平面的磁场分布图，从图中可以看出所述天线近场的检测范围为412×170×80mm3，从而解决了环天线大面积读取难的问题。
本发明提供的读写区域可扩展的环阵列天线设置环天线阵列，使环天线阵列由多个具有稳定磁场的环天线单元构成，通过调整环天线单元的数量和组阵方式获得不同的读写区域，能够满足大面积读写要求，有效提高读写准确率；介质板的背面设置金属地，使得环阵列天线能够工作于金属环境中，扩大环阵列天线的使用范围。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种读写区域可扩展的环阵列天线，其特征在于，包括介质板、环天线阵列、金属地、功率分配器、匹配电路和馈电端口；
所述环天线阵列、所述功率分配器、所述匹配电路、所述馈电端口均设置在所述介质板的正面，且所述功率分配器分别与所述环天线阵列、所述匹配电路连接，所述馈电端口与所述匹配电路连接；所述金属地设置在所述介质板的背面，所述匹配电路与所述金属地连接；
所述环天线阵列由多个环天线单元构成，通过调整所述环天线单元的数量和组阵方式实现所述环阵列天线的读写区域的扩展；
所述环天线阵列包括多条平行设置的主微带线，每条主微带线的起始端与所述功率分配器连接，所述每条主微带线的末端开路；所述每条主微带线从末端开始每间隔四分之一波长交替出现电流最大点和电流最小点；所述每条主微带线在每个电流最小点处呈弯折结构。
2.根据权利要求1所述的读写区域可扩展的环阵列天线，其特征在于，相邻两条主微带线之间设置有多对微带谐振器，且每对微带谐振器中的两个微带谐振器分别与所述两条主微带线对应耦合；
相邻两对微带谐振器及其之间的主微带线构成一个环天线单元，通过调整所述主微带线的条数和所述微带谐振器的对数实现所述环天线单元的数量和组阵方式的调整。
3.根据权利要求2所述的读写区域可扩展的环阵列天线，其特征在于，相邻两条主微带线之间每间隔半个波长耦合一对微带谐振器，且每条主微带线上的耦合区域为电流最大点和电流最小点之间的区域。
4.根据权利要求3所述的读写区域可扩展的环阵列天线，其特征在于，所述微带谐振器距离其对应的主微带线的起始端越远，其与对应的主微带线之间的耦合距离越小。
5.根据权利要求2所述的读写区域可扩展的环阵列天线，其特征在于，每个微带谐振器均包括与所述主微带线平行设置的第一臂，以及与所述主微带线垂直设置的第二臂；
所述第一臂的一端与所述第二臂的一端连接，构成L型谐振器；每对微带谐振器中的两个微带谐振器的第一臂分别与对应的主微带线耦合。
6.根据权利要求3所述的读写区域可扩展的环阵列天线，其特征在于，所述功率分配器包括与所述多条主微带线一一对应的多个支路；
每个支路的一端与其对应的主微带线的起始端连接，所述每个支路的另一端与所述匹配电路连接；
相邻两个支路的长度相差半波长，使输入相邻两条主微带线的信号相位相差在150度至210度之间。
7.根据权利要求1所述的读写区域可扩展的环阵列天线，其特征在于，所述介质板包括第一介质层和第二介质层；
所述环天线阵列位于所述第一介质层的正面，所述功率分配器、所述匹配电路、所述馈电端口位于所述第二介质层的正面，所述环天线阵列通过金属柱与所述功率分配器连接；
所述金属地位于所述第二介质层的背面；金属过孔设置于所述第二介质层上，所述匹配电路通过所述金属过孔与所述金属地连接。
8.根据权利要求5所述的读写区域可扩展的环阵列天线，其特征在于，每对微带谐振器中的两个微带谐振器的第二臂之间的距离范围为0-30mm。
9.根据权利要求7所述的读写区域可扩展的环阵列天线，其特征在于，所述第一介质层与所述第二介质层之间的距离范围为0-50mm。
10.根据权利要求2所述的读写区域可扩展的环阵列天线，其特征在于，所述微带谐振器为半波长谐振器或四分之一波长谐振器。
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