CN110289479A - 一种方向图可重构的超高频rfid标签天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种方向图可重构的超高频RFID标签天线，包括介质基板和辐射单元，辐射单元包括环形金属层、第一弧形金属层、第二弧形金属层、第三弧形金属层、射频芯片和n个数字开关，n为大于等于4的整数，环形金属层、第一弧形金属层、第二弧形金属层和第三弧形金属层分别附着在介质基板上表面，环形金属层上设置有n个弧形槽，n个弧形槽将环形金属层等分为n个相互独立的弧形金属块，n个数字开关一一对应设置在n个弧形槽处，且每个数字开关分别和与其相邻的两个独立的弧形金属块连接；优点是天线读写器能够控制n个数字开关来重构方向图，对准重构后的增益方向图的最大增益方向，提高了阅读距离，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高频RFID标签天线，尤其是涉及一种方向图可重构的超高频RFID标签天线。
背景技术
RFID标签天线能够粘贴在不同的物体上，与RFID读写器通过射频信号进行数据交换，从而达到物体识别和追踪等目的，已取代传统的条码扫描技术得到了广泛的应用。
目前，RFID标签天线的常用工作频段通常包括低频段、高频段和超高频段，其中低频段RFID标签天线和高频段RFID标签天线分别采用电磁耦合方式工作，传输数据速度较慢，阅读距离较近，而超高频段RFID标签天线一般采用电磁发射原理工作，传输数据速度较快，阅读距离较远，因此超高频段RFID标签天线是当前研究的主流。超高频段RFID标签天线都是无源的，它的能量都来源于天线读写器，所以超高频段RFID标签天线的能量较小。超高频段RFID标签天线的增益与其能量是正相关的，能量较小导致超高频段RFID标签天线的增益也较小，而超高频段RFID标签天线的读写距离与其自身的增益有着直接的关系，超高频段RFID标签天线的增益越大，读取距离越远，实用性越强。
现有的超高频RFID标签天线的增益方向图为一个固定方向，因此其最大增益方向也是不变的，而天线读写器与超高频RFID标签天线的最大增益方向对准时，天线读写器的阅读距离是最大的。但是天线读写器在读取设置在物体上的超高频RFID标签天线时，受到环境的影响，难以对准超高频RFID标签天线最大增益方向，由此导致阅读距离的缩短，实用性大大降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种方向图可重构的超高频RFID标签天线，该超高频RFID标签天线通过天线读写器对设置在其上数字开关的通断控制来改变其表面电流的分布，从而实现其增益方向图的可重构，使天线读写器能够对准重构后的增益方向图的最大增益方向。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种方向图可重构的超高频RFID标签天线，包括圆柱形的介质基板和设置在所述的介质基板上表面的辐射单元，所述的辐射单元包括环形金属层、第一弧形金属层、第二弧形金属层、第三弧形金属层、射频芯片和n个数字开关，n为大于等于4的整数，n个所述的数字开关能够在天线读写器的控制下闭合或者断开，所述的环形金属层、所述的第一弧形金属层、所述的第二弧形金属层和所述的第三弧形金属层分别附着在所述的介质基板上表面；所述的环形金属层的圆心与所述的介质基板上表面的圆心位于同一直线上且该直线垂直于所述的介质基板，所述的环形金属层的外径等于所述的介质基板的直径，所述的环形金属层的内径为所述的介质基板的直径的0.64倍～0.92倍；所述的第一弧形金属层、所述的第二弧形金属层和所述的第三弧形金属层分别位于所述的环形金属层的内侧，所述的第一弧形金属层的圆心与所述的环形金属层的圆心重合，所述的第一弧形金属层的外径、所述的第二弧形金属层的外径和所述的第三弧形金属层的外径相等且小于所述的环形金属层的内径，所述的第一弧形金属层的内径、所述的第二弧形金属层的内径和所述的第三弧形金属层的内径相等，所述的第一弧形金属层的一端和所述的第二弧形金属层的一端连接，所述的第一弧形金属层的另一端和所述的第三弧形金属层的一端连接，如果将所述的第二弧形金属层翻转180度，此时所述的第二弧形金属层的圆心将与所述的第一弧形金属层的圆心重合，如果将所述的第三弧形金属层翻转180度，此时所述的第三弧形金属层的圆心将与所述的第一弧形金属层的圆心重合，所述的第一弧形金属层的弧度大于240度且小于等于270度，所述的第二弧形金属层的弧度和所述的第三弧形金属层的弧度相等，所述的第一弧形金属层的弧度、所述的第二弧形金属层的弧度和所述的第三弧形金属层的弧度三者之和小于358度，所述的射频芯片固定设置在所述的第二弧形金属层的另一端和所述的第二弧形金属层的另一端之间，所述的射频芯片分别与所述的第二弧形金属层的另一端和所述的第二弧形金属层的另一端连接；所述的环形金属层上设置有n个弧形槽，所述的介质基板的上表面在n个所述的弧形槽处暴露出来，n个所述的弧形槽将所述的环形金属层等分为n个相互独立的弧形金属块，n个所述的数字开关一一对应设置在n个所述的弧形槽处，且每个所述的数字开关分别和与其相邻的两个独立的弧形金属块连接。
所述的介质基板的下表面设置有阻抗匹配单元，所述的阻抗匹配单元包括互不连接的第四弧形金属层和第五弧形金属层，所述的第四弧形金属层的外径等于所述的第五弧形金属层的外径，所述的第四弧形金属层的内径等于所述的第五弧形金属层的内径，所述的第四弧形金属层的圆心与所述的第五弧形金属层的圆心重合，所述的第四弧形金属层的圆心与所述的介质基板下表面的圆心位于同一直线上且该直线垂直于所述的介质基板，所述的第四弧形金属层的外径小于所述的环形金属层的内径且大于所述的第一环形金属层的外径，所述的第四弧形金属层的内径小于所述的第一环形金属层的外径且大于所述的第一环形金属层的内径，所述的第四弧形金属层的弧度与所述的第五弧形金属层的弧形之和大于250度且小于310度，所述的第四弧形金属层与所述的第五弧形金属层能够被同一直线分别等分。该结构中，通过第四弧形金属层和第五弧形金属层进行阻抗匹配稳定，保证重构后的不同方向图下超高频RFID标签天线的工作频率稳定，一致性高。
所述的数字开关的数量和所述的弧形槽的数量均为4，所述的介质基板的半径为25mm，厚度为0.5mm，材料为FR4_epoxy，所述的环形金属层的内圆弧半径为19mm，所述的第一弧形金属层的外圆弧半径为14mm，内圆弧半径为12mm，所述的第一弧形金属层的弧度为258度，所述的第二弧形金属层的弧度为50度，所述的第四弧形金属层的外圆弧半径为16mm,内圆弧半径为13.5mm，所述的第四弧形金属层的弧度为150度，所述的第五弧形金属层的的弧度为125度。
所述的射频芯片采用Alien厂商生产的H3芯片。
现有技术相比，本发明的优点在于通过环形金属层、第一弧形金属层、第二弧形金属层、第三弧形金属层、射频芯片和n个数字开关来构建辐射单元，n个数字开关能够在天线读写器的控制下闭合或者断开，通过天线读写器发送不同的指令使n个数字开关中一个数字开关处于闭合状态，其他数字开关全部处于断开状态，改变介质基板表面的电流分布，重构其增益方向图，使增益方向图的最大增益方向沿着介质基板的圆心出发径向延伸经过该闭合的数字开关，使用者可以在目测到超高频RFID标签天线时，可以根据环境来操作天线读写器发送对应的命令开启对应的数字开关重构增益方向图，使天线读写器对准最大增益方向，由此本发明的超高频RFID标签天线通过天线阅读器对设置在其上数字开关的通断控制来改变其表面电流的分布，从而实现其增益方向图的可重构，使天线读写器能够对准重构后的增益方向图的最大增益方向。
附图说明
图1为本发明的方向图可重构的超高频RFID标签天线的俯视图；
图2为本发明的方向图可重构的超高频RFID标签天线的底视图；
图3为本发明的方向图可重构的超高频RFID标签天线的S参数中S11仿真图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：如图1和图2所示，一种方向图可重构的超高频RFID标签天线，包括圆柱形的介质基板1和设置在介质基板1上表面的辐射单元，辐射单元包括环形金属层2、第一弧形金属层3、第二弧形金属层4、第三弧形金属层5、射频芯片6和n个数字开关7，n等于4，n个数字开关7能够在天线读写器的控制下闭合或者断开，环形金属层2、第一弧形金属层3、第二弧形金属层4和第三弧形金属层5分别附着在介质基板1上表面；环形金属层2的圆心与介质基板1上表面的圆心位于同一直线上且该直线垂直于介质基板1，环形金属层2的外径等于介质基板1的直径，环形金属层2的内径为介质基板1的直径的0.64倍；第一弧形金属层3、第二弧形金属层4和第三弧形金属层5分别位于环形金属层2的内侧，第一弧形金属层3的圆心与环形金属层2的圆心重合，第一弧形金属层3的外径、第二弧形金属层4的外径和第三弧形金属层5的外径相等且小于环形金属层2的内径，第一弧形金属层3的内径、第二弧形金属层4的内径和第三弧形金属层5的内径相等，第一弧形金属层3的一端和第二弧形金属层4的一端连接，第一弧形金属层3的另一端和第三弧形金属层5的一端连接，如果将第二弧形金属层4翻转180度，此时第二弧形金属层4的圆心将与第一弧形金属层3的圆心重合，如果将第三弧形金属层5翻转180度，此时第三弧形金属层5的圆心将与第一弧形金属层3的圆心重合，第一弧形金属层3的弧度大于240度且小于等于270度，第二弧形金属层4的弧度和第三弧形金属层5的弧度相等，第一弧形金属层3的弧度、第二弧形金属层4的弧度和第三弧形金属层5的弧度三者之和小于358度，射频芯片6固定设置在第二弧形金属层4的另一端和第二弧形金属层4的另一端之间，射频芯片6分别与第二弧形金属层4的另一端和第二弧形金属层4的另一端连接；环形金属层2上设置有n个弧形槽8，介质基板1的上表面在n个弧形槽8处暴露出来，n个弧形槽8将环形金属层2等分为n个相互独立的弧形金属块，n个数字开关7一一对应设置在n个弧形槽8处，且每个数字开关7分别和与其相邻的两个独立的弧形金属块连接。
本实施例中，介质基板1的下表面设置有阻抗匹配单元，阻抗匹配单元包括互不连接的第四弧形金属层9和第五弧形金属层10，第四弧形金属层9的外径等于第五弧形金属层10的外径，第四弧形金属层9的内径等于第五弧形金属层10的内径，第四弧形金属层9的圆心与第五弧形金属层10的圆心重合，第四弧形金属层9的圆心与介质基板1下表面的圆心位于同一直线上且该直线垂直于介质基板1，第四弧形金属层9的外径小于环形金属层2的内径且大于第一环形金属层2的外径，第四弧形金属层9的内径小于第一环形金属层2的外径且大于第一环形金属层2的内径，第四弧形金属层9的弧度与第五弧形金属层10的弧形之和大于250度且小于310度，第四弧形金属层9与第五弧形金属层10能够被同一直线分别等分。
本实施例中，介质基板1的半径为25mm，厚度为0.5mm，材料为FR4_epoxy，环形金属层2的内圆弧半径为19mm，第一弧形金属层3的外圆弧半径为14mm，内圆弧半径为12mm，第一弧形金属层3的弧度为258度，第二弧形金属层4的弧度为50度，第四弧形金属层9的外圆弧半径为16mm,内圆弧半径为13.5mm，第四弧形金属层9的弧度为150度，第五弧形金属层10的的弧度为125度。
本实施例中，射频芯片6采用Alien厂商生产的H3芯片
实施例二：如图1和图2所示，一种方向图可重构的超高频RFID标签天线，包括圆柱形的介质基板1和设置在介质基板1上表面的辐射单元，辐射单元包括环形金属层2、第一弧形金属层3、第二弧形金属层4、第三弧形金属层5、射频芯片6和n个数字开关7，n等于4，n个数字开关7能够在天线读写器的控制下闭合或者断开，环形金属层2、第一弧形金属层3、第二弧形金属层4和第三弧形金属层5分别附着在介质基板1上表面；环形金属层2的圆心与介质基板1上表面的圆心位于同一直线上且该直线垂直于介质基板1，环形金属层2的外径等于介质基板1的直径，环形金属层2的内径为介质基板1的直径的0.92倍；第一弧形金属层3、第二弧形金属层4和第三弧形金属层5分别位于环形金属层2的内侧，第一弧形金属层3的圆心与环形金属层2的圆心重合，第一弧形金属层3的外径、第二弧形金属层4的外径和第三弧形金属层5的外径相等且小于环形金属层2的内径，第一弧形金属层3的内径、第二弧形金属层4的内径和第三弧形金属层5的内径相等，第一弧形金属层3的一端和第二弧形金属层4的一端连接，第一弧形金属层3的另一端和第三弧形金属层5的一端连接，如果将第二弧形金属层4翻转180度，此时第二弧形金属层4的圆心将与第一弧形金属层3的圆心重合，如果将第三弧形金属层5翻转180度，此时第三弧形金属层5的圆心将与第一弧形金属层3的圆心重合，第一弧形金属层3的弧度大于240度且小于等于270度，第二弧形金属层4的弧度和第三弧形金属层5的弧度相等，第一弧形金属层3的弧度、第二弧形金属层4的弧度和第三弧形金属层5的弧度三者之和小于358度，射频芯片6固定设置在第二弧形金属层4的另一端和第二弧形金属层4的另一端之间，射频芯片6分别与第二弧形金属层4的另一端和第二弧形金属层4的另一端连接；环形金属层2上设置有n个弧形槽8，介质基板1的上表面在n个弧形槽8处暴露出来，n个弧形槽8将环形金属层2等分为n个相互独立的弧形金属块，n个数字开关7一一对应设置在n个弧形槽8处，且每个数字开关7分别和与其相邻的两个独立的弧形金属块连接。
本实施例中，介质基板1的下表面设置有阻抗匹配单元，阻抗匹配单元包括互不连接的第四弧形金属层9和第五弧形金属层10，第四弧形金属层9的外径等于第五弧形金属层10的外径，第四弧形金属层9的内径等于第五弧形金属层10的内径，第四弧形金属层9的圆心与第五弧形金属层10的圆心重合，第四弧形金属层9的圆心与介质基板1下表面的圆心位于同一直线上且该直线垂直于介质基板1，第四弧形金属层9的外径小于环形金属层2的内径且大于第一环形金属层2的外径，第四弧形金属层9的内径小于第一环形金属层2的外径且大于第一环形金属层2的内径，第四弧形金属层9的弧度与第五弧形金属层10的弧形之和大于250度且小于310度，第四弧形金属层9与第五弧形金属层10能够被同一直线分别等分。
本实施例中，介质基板1的半径为25mm，厚度为0.5mm，材料为FR4_epoxy，环形金属层2的内圆弧半径为19mm，第一弧形金属层3的外圆弧半径为14mm，内圆弧半径为12mm，第一弧形金属层3的弧度为258度，第二弧形金属层4的弧度为50度，第四弧形金属层9的外圆弧半径为16mm,内圆弧半径为13.5mm，第四弧形金属层9的弧度为150度，第五弧形金属层10的的弧度为125度。
本实施例中，射频芯片6采用Alien厂商生产的H3芯片。
对本发明实施例一的方向图可重构的超高频RFID标签天线进行仿真，其S参数仿真曲线如图3所示,图3中带有倒三角形图例的曲线为图1中位于下侧的电子开关闭合，其他三个电子开关断开时的仿真曲线，带有正三角形图例的曲线为图1中位于上侧的电子开关闭合，其他三个电子开关断开时的仿真曲线，带有矩形图例的曲线为图1中位于右侧的电子开关闭合，其他三个电子开关断开时的仿真曲线，带有圆形图例的曲线为图1中位于左侧的电子开关闭合，其他三个电子开关断开时的仿真曲线。分析图3可知，在工作频率为902-928MHZ时，仿真结果S参数中的S11在任意数字开关开通的情况下，工作频率都落在900-928MHZ之间，符合北美RFID标签天线的标准，并且S11的值都在-20dB以下，由此可知本发明方向图可重构的超高频RFID标签天线阻抗匹配较好。
Claims (4)
1.一种方向图可重构的超高频RFID标签天线，包括圆柱形的介质基板和设置在所述的介质基板上表面的辐射单元，其特征在于所述的辐射单元包括环形金属层、第一弧形金属层、第二弧形金属层、第三弧形金属层、射频芯片和n个数字开关，n为大于等于4的整数，n个所述的数字开关能够在天线读写器的控制下闭合或者断开，所述的环形金属层、所述的第一弧形金属层、所述的第二弧形金属层和所述的第三弧形金属层分别附着在所述的介质基板上表面；所述的环形金属层的圆心与所述的介质基板上表面的圆心位于同一直线上且该直线垂直于所述的介质基板，所述的环形金属层的外径等于所述的介质基板的直径，所述的环形金属层的内径为所述的介质基板的直径的0.64倍～0.92倍；所述的第一弧形金属层、所述的第二弧形金属层和所述的第三弧形金属层分别位于所述的环形金属层的内侧，所述的第一弧形金属层的圆心与所述的环形金属层的圆心重合，所述的第一弧形金属层的外径、所述的第二弧形金属层的外径和所述的第三弧形金属层的外径相等且小于所述的环形金属层的内径，所述的第一弧形金属层的内径、所述的第二弧形金属层的内径和所述的第三弧形金属层的内径相等，所述的第一弧形金属层的一端和所述的第二弧形金属层的一端连接，所述的第一弧形金属层的另一端和所述的第三弧形金属层的一端连接，如果将所述的第二弧形金属层翻转180度，此时所述的第二弧形金属层的圆心将与所述的第一弧形金属层的圆心重合，如果将所述的第三弧形金属层翻转180度，此时所述的第三弧形金属层的圆心将与所述的第一弧形金属层的圆心重合，所述的第一弧形金属层的弧度大于240度且小于等于270度，所述的第二弧形金属层的弧度和所述的第三弧形金属层的弧度相等，所述的第一弧形金属层的弧度、所述的第二弧形金属层的弧度和所述的第三弧形金属层的弧度三者之和小于358度，所述的射频芯片固定设置在所述的第二弧形金属层的另一端和所述的第二弧形金属层的另一端之间，所述的射频芯片分别与所述的第二弧形金属层的另一端和所述的第二弧形金属层的另一端连接；所述的环形金属层上设置有n个弧形槽，所述的介质基板的上表面在n个所述的弧形槽处暴露出来，n个所述的弧形槽将所述的环形金属层等分为n个相互独立的弧形金属块，n个所述的数字开关一一对应设置在n个所述的弧形槽处，且每个所述的数字开关分别和与其相邻的两个独立的弧形金属块连接。
2.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的超高频RFID标签天线，其特征在于所述的介质基板的下表面设置有阻抗匹配单元，所述的阻抗匹配单元包括互不连接的第四弧形金属层和第五弧形金属层，所述的第四弧形金属层的外径等于所述的第五弧形金属层的外径，所述的第四弧形金属层的内径等于所述的第五弧形金属层的内径，所述的第四弧形金属层的圆心与所述的第五弧形金属层的圆心重合，所述的第四弧形金属层的圆心与所述的介质基板下表面的圆心位于同一直线上且该直线垂直于所述的介质基板，所述的第四弧形金属层的外径小于所述的环形金属层的内径且大于所述的第一环形金属层的外径，所述的第四弧形金属层的内径小于所述的第一环形金属层的外径且大于所述的第一环形金属层的内径，所述的第四弧形金属层的弧度与所述的第五弧形金属层的弧形之和大于250度且小于310度，所述的第四弧形金属层与所述的第五弧形金属层能够被同一直线分别等分。
3.根据权利要求2所述的一种方向图可重构的超高频RFID标签天线，其特征在于所述的数字开关的数量和所述的弧形槽的数量均为4，所述的介质基板的半径为25mm，厚度为0.5mm，材料为FR4_epoxy，所述的环形金属层的内圆弧半径为19mm，所述的第一弧形金属层的外圆弧半径为14mm，内圆弧半径为12mm，所述的第一弧形金属层的弧度为258度，所述的第二弧形金属层的弧度为50度，所述的第四弧形金属层的外圆弧半径为16mm,内圆弧半径为13.5mm，所述的第四弧形金属层的弧度为150度，所述的第五弧形金属层的的弧度为125度。
4.根据权利要求1所述的一种方向图可重构的超高频RFID标签天线，其特征在于所述的射频芯片采用Alien厂商生产的H3芯片。
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