CN109755762A - 一款应用于rfid的近场自适应聚焦天线及聚焦方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一款应用于RFID的近场自适应聚焦天线，其特征在于：包括目标物体和天线阵列，所述天线阵列包括5个贴片天线单元，所述天线阵列为5×1的天线阵列；每一所述贴片天线单元的结构为：包括贴片天线、贴片天线支撑基板、金属探针、地板支撑基板和金属地，地板支撑基板贴合于金属地上表面，贴片天线支撑基板置于地板支撑基板上方，且不与地板支撑基板接触，贴片天线贴合于贴片天线支撑基板上表面，金属探针下端穿过地板支撑基板并接触金属地，金属探针上端穿过贴片天线支撑基板并接触贴片天线。本发明的聚焦天线通过自适应探测阵列天线，使其在扫描区域实现任意位置目标处的能量聚焦，而且使用本发明不仅节省空间，还节能环保。

Description

一款应用于RFID的近场自适应聚焦天线及聚焦方法
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一款应用于RFID的近场自适应聚焦天线及聚焦方法。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，全球已经进入信息化时代，与信息相关的技术己经遍布人们生活和工作中的方方面面。射频识别技术（Radio Frequency Identification,RFID）是一门新兴技术，是我国实现现代化、信息化的关键技术之一。RFID是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号的空间耦合（电感或电磁耦合）实现对被识别物体的自动识别。目前，在全球的医疗领域、物流领域、交通领域等地方，都有RFID识别技术的应用。随着这一技术的发展，RFID给人类的生产生活、商业经营带了了巨大的改变。
RFID系统在工作时，阅读器将要发送的信息，经编码后加载在某一频率的载波信号上经信号传输线传送给天线，再由天线向外发送，进入聚焦点的电子标签接收此脉冲信号，电子标签对此信号进行相关操作后，将信号返回给天线和阅读器，阅读器接收根据电子标签返回的信号再执行相应的操作。目前，RFID系统仅能对固定点（即聚焦点）的电子标签进行识别，而无法实现对位置变化的电子标签的检测。本发明所设计的自适应阵列天线，可以实现在天线扫描区域任意位置的能量聚焦，从而实现移动目标的识别，如图1所示。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一款应用于RFID的近场自适应聚焦天线。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：提供一款应用于RFID的近场自适应聚焦天线，其创新点在于：包括目标物体和天线阵列，所述天线阵列包括5个贴片天线单元，所述天线阵列为5×1的天线阵列；
每一所述贴片天线单元的结构为：包括贴片天线、贴片天线支撑基板、金属探针、地板支撑基板和金属地，所述地板支撑基板贴合于金属地上表面，所述贴片天线支撑基板置于地板支撑基板上方，且不与地板支撑基板接触，所述贴片天线贴合于贴片天线支撑基板上表面，所述金属探针下端穿过地板支撑基板并连接金属地，所述金属探针上端穿过贴片天线支撑基板并接触贴片天线。
进一步的，所述贴片天线支撑基板和地板支撑基板均为Fr4介质基板，且介电常数均4.4，基板损耗均为0.02。
进一步的，所述贴片天线为开有互为对称的矩形槽的E形贴片天线，所述贴片天线的尺寸为42.5mm×41.5mm，所述矩形槽的尺寸是28mm×5mm。
进一步的，所述金属地在与金属探针连接的部位开设有一通孔，所述通孔内焊接有一SMA接头，所述金属探针为SMA接头向贴片天线方向的延伸。
进一步的，所述SMA接头通过连接线连接一矢量网络分析仪。
进一步的，所述贴片天线的谐振点为2.45GHz。
进一步的，所述贴片天线支撑基板的外径小于地板支撑基板的外径。
本发明基于近场自适应的聚焦天线提供了一种天线的聚焦方法，其创新点在于：所述聚焦方法的具体步骤为：
（1）创建5*1天线阵列模型，通过矢量网络分析仪测量各个天线的输入反射系数,后将目标物体置于某一位置；
（2）将天线阵列的某个贴片天线单元设为接收天线，其他贴片天线单元作为发射天线，使用矢量网络分析仪通过SMA接头给天线阵列提供信号，发射天线接收来自矢量网络分析仪的信号并发射出去，通过矢量网络分析仪测量发射天线到该接收天线的传输系数，将测量得到的传输系数和代入广义本征方程，在本征方程中，，由于发射天线的各个单元匹配良好,所以该方程可以简化为特征方程,该特征方程的最大特征值就是最大传输效率 ,其对应的特征向量就是最优的激励分布,各元素的模值就是最佳激励振幅，特征向量各元素的相位就是最佳相位；
（3）再将其余贴片天线单元依次设为接收天线来分别得到传输效率，对比各个贴片天线单元作为接收天线时的传输效率后，确定最大传输效率的贴片天线单元为接收天线，以及确定该接收天线的位置，从而确定发射天线的分布；
（4）将对应最大传输效率的各最优激励赋给对应的各发射天线，可得各发射天线可在目标物体处聚焦；
（5）目标物体位置移动时，重复步骤（2）-（4）来使天线聚焦。
本发明的有益效果：
（1）针对RFID只能实现固定点处目标上的能量聚焦，本发明通过自适应探测阵列天线，使其在扫描区域实现任意位置目标处的能量聚焦。
（2）本发明中提出了新的天线组合方式（将发射与接收天线放置在同一介质基板上），在大量生产中，不仅仅节省空间，材料使用也大大减少，节能环保。
附图说明
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一款应用于RFID的近场自适应聚焦天线的天线阵列聚焦图。
图2是本发明的5×1的天线阵列图。
图3为图2中的贴片天线单元的正视图。
图4为图2中的贴片天线单元的三维图。
图5为本发明的聚焦天线的聚焦方法流程图。
图6为目标物体位于第四贴片天线单元正下方的结构示意图。
图7为仿真时测得的传输系数表格图。
图8为目标物体位于第四贴片天线单元正下方时各贴片天线单元的传输系数图。
图9为各贴片天线单元的反射系数仿真图。
图10-12为目标物体移动时各贴片天线单元聚焦的电场图。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明中用到的“左”、“右”等方位词均为针对本发明中的附图所指的方而言，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，不能理解为限制不发明的具体保护范围。
针对本发明还要声明文件内所涉及的本征方程、最优激励的计算方法、使用矢量网络分析仪测量传输系数均属于现有技术，在本申请中对此不进行详细描述。在本发明中随机选用金属长方体作为电子标签，即为在具体实施方式中提及的目标物体。
本发明提供的一款应用于RFID的近场自适应聚焦天线，包括目标物体1和天线阵列100，目标物体1的设置作用在于可通过移动目标物体1来调整各贴片天线单元激励的幅值和相位来改变天线近场分布，实现发射天线在目标处聚焦，本申请的目标物体1采用金属长方体。如图2所示，天线阵列100包括5个贴片天线单元，为使目标处聚焦效果最好，由不同位置的目标物体来自适应确定接收天线，其余天线作为发射天线，天线阵列100设为5×1的天线阵列100，5个贴片天线单元从左至右依次为第一贴片天线单元2、第二贴片天线单元3、第三贴片天线单元4、第四贴片天线单元5和第五贴片天线单元6。
本发明的每一所述贴片天线单元的具体结构如图3和4所示，包括贴片天线7、贴片天线支撑基板8、金属探针9、地板支撑基板10和金属地11，地板支撑基板10贴合于金属地11上表面。贴片天线支撑基板8置于地板支撑基板10上方，且不与地板支撑基板10接触，贴片天线7贴合于贴片天线支撑基板8上表面，为保证贴片天线7的谐振和工作带宽，贴片天线7设为开有互为对称的矩形槽12的E形贴片天线7，贴片天线7的谐振点为2.45GHz，所述贴片天线7的尺寸为42.5mm×41.5mm，所述矩形槽12的尺寸是28mm×5mm。金属探针9通过下端穿过地板支撑基板10并连接金属地11，金属探针9上端穿过贴片天线支撑基板8并接触贴片天线7，以此来支撑起贴片天线7，金属探针的主要作用是将从接收到激励信号传至贴片天线。所述贴片天线支撑基板8和地板支撑基板10均为Fr4介质基板，使用该材质主要因为在能起到支撑作用时，Fr4介质基板价格较低，且介电常数均4.4，基板损耗均为0.02。所述贴片天线支撑基板8的外径小于地板支撑基板10的外径。该结构保证天线信号全部定向发射，没有后向散射，能量损耗小。
本发明的的金属地11在与金属探针9连接的部位开设有一通孔13，通孔13内焊接有一SMA接头14，金属探针9为SMA接头14向贴片天线7方向的延伸，金属地11的主要作用是保证天线定向辐射，无后向散射，本发明的SMA接头通过连接线连接一矢量网络分析仪15，矢量网络分析仪15在本发明中的主要作用有两个，第一在测试传输效率时为天线阵列提供信号，第二是在测试传输效率时为被选择作为接收天线的贴片天线单元测量传输系数。
本发明基于近场自适应的聚焦天线还提供了天线的聚焦方法，该聚焦方法的流程图如图5所示，其具体步骤为：
（1）创建5*1天线阵列模型，通过矢量网络分析仪测量各个天线的输入反射系数,后将目标物体置于某一位置；
（2）将天线阵列的某个贴片天线单元设为接收天线，其他贴片天线单元作为发射天线，使用矢量网络分析仪通过SMA接头给天线阵列提供信号，发射天线接收来自矢量网络分析仪的信号并发射出去，通过矢量网络分析仪测量发射天线到该接收天线的传输系数，将测量得到的传输系数和代入广义本征方程（1）本征方程中，，由于发射天线的各个单元匹配良好,所以该方程可以简化为特征方程（2）,该特征方程的最大特征值就是最大传输效率 ,其对应的特征向量就是最优的激励分布,各元素的模值就是最佳激励振幅，特征向量各元素的相位就是最佳相位。
（3）再将其余贴片天线单元依次设为接收天线来分别得到传输效率，对比各个贴片天线单元作为接收天线时的传输效率后，确定最大传输效率的贴片天线为接收天线，以及确定该接收天线的位置，从而确定发射天线的分布；
（4）将对应最大传输效率的各最优激励赋给对应的各发射天线，可得各发射天线可在目标物体1处聚焦；
（5）目标物体1位置移动时，重复步骤（2）-（4）来使天线聚焦。
本发明主要通过使用仿真软件HFSS来对聚焦天线的聚焦结果进行仿真展示，仿真步骤如下：
（1）在HFSS系统里建立一个和实物完全一样的天线阵列系统，天线阵列100的中心频点在2.45GHz，相对带宽达到10%以上，通过在仿真软件里选中通孔13设置好激励（相当于实物当中矢量网络分析仪15给天线阵列100的信号）。
（2）如图6所示，在仿真软件里将目标物体1置于第四贴片天线单元5下方，将第一贴片天线单元2设为接收天线，通过HFSS仿真软件直接点击传输系数参数结果分别测得此时其他四个贴片天线单元作为发射天线的传输系数，具体数据如图7所示的表格，并通过公式（2）得第一贴片天线单元作为接收天线时的传输效率为0.209%。
（3）分别将第二贴片天线单元3、第三贴片天线单元4、第四贴片天线单元5和第五贴片天线单元6作为接收天线，重复步骤（2）分别通过HFSS仿真软件直接测得其他四个贴片天线单元作为发射天线的传输系数，通过公式（2）计算得第二贴片天线单元3、第三贴片天线单元4、第四贴片天线单元5和第五贴片天线单元6分别作为接收天线时的传输效率为0.319%，0.878%，0.815%和0.809%，此时的传输效率为理论值，比较五个所得传输效率可得，此时最优传输效率为正中间的第三贴片天线单元4为最佳接收天线，其余四个贴片天线单元为发射天线。五个贴片天线单元分别作为接收天线的传输系数结果如图7的表格所示。
（4）将各发射天线连接到一个总的激励端口，通过最优传输效率可得当第三贴片单元4作为接收天线时，根据公式（2）可得第一贴片天线单元2、第二贴片天线单元3、第四贴片天线单元5和第五贴片天线单元6作为发射天线的最优激励分别为0.6974∠-31.4331°、0.6202∠-97.4735°、0.3203∠9.25°和0.1626∠0°，将这四个最优激励赋给对应的发射天线，然后进行仿真，得到发射天线总端口到接收天线的传输系数-21.25964dB，如图8中实线所示，以此可得最佳传输效率为0.74823%，该值为仿真值，与理论值0.848%相比在误差范围之内。
（5）为确保该传输效率的最优性，发射天线输入最优传输激励将与现有的发射天线输入等幅同相激励进行对比，如图8中虚线所示，仿真传输系数值为-25.0623dB，即激励传输效率为0.3117%，远小于自适应目标探测阵列天线的传输效率。当天线阵列100的传输效率为最佳值时，目标物体1的散射最强，所以天线阵列100在目标物体1处的电场聚焦最好。
本发明中的天线的输入反射系数，即为天线的发射效率好不好，图9为E形贴片天线的反射系数的仿真图，反射系数相对带宽为11.7%，反射系数表示回波损耗特性，值越大，表示天线本身反射回来的能量越大，这样天线的效率就越差。
本发明的聚焦天线在目标物体1在不同位置移动时，天线阵列100的聚焦点可随着目标物体1的位置变化而变化，如图10、图11、图12所示即分别为目标物体1在第二贴片天线单元3、第三贴片天线单元4、第四贴片天线单元5下的仿真电场变化图，图中阴影表示目标物体1的位置，聚焦处始终集中在目标物体的正下方，这也验证了该天线阵列100自适应探测目标物体过程中极佳的聚焦效果。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (8)

1.一款应用于RFID的近场自适应聚焦天线，其特征在于：包括目标物体和天线阵列，所述天线阵列包括5个贴片天线单元，所述天线阵列为5×1的天线阵列；每一所述贴片天线单元的结构为：包括贴片天线、贴片天线支撑基板、金属探针、地板支撑基板和金属地，所述地板支撑基板贴合于金属地上表面，所述贴片天线支撑基板置于地板支撑基板上方，且不与地板支撑基板接触，所述贴片天线贴合于贴片天线支撑基板上表面，所述金属探针下端穿过地板支撑基板并连接金属地，所述金属探针上端穿过贴片天线支撑基板并接触贴片天线。
2.根据权利要求1所述的一款应用于RFID的近场自适应聚焦天线，其特征在于：所述贴片天线支撑基板和地板支撑基板均为Fr4介质基板，且介电常数均4.4，基板损耗均为0.02。
3.根据权利要求1所述的一款应用于RFID的近场自适应聚焦天线，其特征在于：所述贴片天线为开有互为对称的矩形槽的E形贴片天线，所述贴片天线的尺寸为42.5mm×41.5mm，所述矩形槽的尺寸是28mm×5mm。
4.根据权利要求2所述的一款应用于RFID的近场自适应聚焦天线，其特征在于：所述金属地在与金属探针连接的部位开设有一通孔，所述通孔内焊接有一SMA接头，所述金属探针为SMA接头向贴片天线方向的延伸。
5.根据权利要求1所述的一款应用于RFID的近场自适应聚焦天线，其特征在于：所述SMA接头通过连接线连接一矢量网络分析仪。
6.根据权利要求1所述的一款应用于RFID的近场自适应聚焦天线，其特征在于：所述贴片天线的谐振点为2.45GHz。
7.根据权利要求1所述的一款应用于RFID的近场自适应聚焦天线，其特征在于：所述贴片天线支撑基板的外径小于地板支撑基板的外径。
8.一种基于权利要求1所述的聚焦天线的聚焦方法，其特征在于：所述聚焦方法的具体步骤为：
（1）创建5*1天线阵列模型，通过矢量网络分析仪测量各个天线的输入反射系数,后将目标物体置于某一位置；
（2）将天线阵列的某个贴片天线单元设为接收天线，其他贴片天线单元作为发射天线，使用矢量网络分析仪通过SMA接头给天线阵列提供信号，发射天线接收来自矢量网络分析仪的信号并发射出去，通过矢量网络分析仪测量发射天线到该接收天线的传输系数，将测量得到的传输系数和代入广义本征方程，在本征方程中，，由于发射天线的各个单元匹配良好,所以该方程可以简化为特征方程,该特征方程的最大特征值就是最大传输效率 ,其对应的特征向量就是最优的激励分布,各元素的模值就是最佳激励振幅，特征向量各元素的相位就是最佳相位；
（3）再将其余贴片天线单元依次设为接收天线来分别得到传输效率，对比各个贴片天线单元作为接收天线时的传输效率后，确定最大传输效率的贴片天线单元为接收天线，以及确定该接收天线的位置，从而确定发射天线的分布；
（4）将对应最大传输效率的各最优激励赋给对应的各发射天线，可得各发射天线可在目标物体处聚焦；
（5）目标物体位置移动时，重复步骤（2）-（4）来使天线聚焦。
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