CN111082200B - 基于极化可重构的电小八木rfid天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于极化可重构的电小八木RFID天线，包括：介质基板、引向单元、反射单元和可重构激励单元；引向单元设置于第一介质基板、可重构激励单元设置于第二介质基板，反射单元设置于第三介质基板；可重构激励单元包括结构相同且互相正交设置的两组激励偶极子结构，通过分别控制设置在每部分上的激励偶极子结构中的控制激励单元的工作状态，完成切换沿x轴线极化、沿y轴线极化、左旋圆极化和右旋圆极化状态；本发明可以在不需要对寄生单元进行任何改变的情况下，仅通过控制可重构激励单元上加载的控制激励单元的状态，实现极化可重构的功能，本发明具有高方向性以及良好的端射特性，同时具有小型化、紧凑化、结构简单、成本低等特点。

Description

基于极化可重构的电小八木RFID天线
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于极化可重构的电小八木RFID天线。
背景技术
随着无线通信系统的快速发展，天线技术的发展日新月异，其中，高定向性、极化可重构天线可以根据实时环境的变化选择合适的极化方式，通过复用相同的信道和频谱来提高系统容量，避免极化失配，减少信道干扰，因此是无线通信和射频识别(RFID)系统中的重要组成部分。
目前，还鲜有实现电小八木天线极化可重构的方法，现有的八木天线通常馈电结构比较复杂造成了馈电网络的高损耗问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种基于极化可重构的电小八木RFID天线，以解决上述技术问题。
本发明提供的基于极化可重构的电小八木RFID天线，包括：
介质基板、引向单元、反射单元和可重构激励单元；
所述介质基板包括依次同轴设置的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，所述引向单元设置于第一介质基板、所述可重构激励单元设置于第二介质基板，所述反射单元设置于第三介质基板；
所述引向单元包括结构相同且互相正交设置的两组引向偶极子结构，用于分别产生沿x轴线极化状态和沿y轴线极化状态；
所述反射单元包括结构相同且互相正交设置的两组反射偶极子结构，用于分别产生沿x轴线极化状态和沿y轴线极化状态；
所述可重构激励单元包括结构相同且互相正交设置的两组激励偶极子结构，以同轴轴心为原点，所述两组激励偶极子结构经正交后，将第二介质基板的x轴和y轴共分为四部分，通过分别控制设置在每部分上的激励偶极子结构中的控制激励单元的工作状态，完成切换沿x轴线极化、沿y轴线极化、左旋圆极化和右旋圆极化状态。
可选的，所述第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板为圆形结构，且尺寸相同。
可选的，所述可重构激励单元中的一激励偶极子结构包括顶帽弧形部和两条设置于不同部分的金属条带，所述顶帽弧形部为弧型结构，所述弧形结构内曲的中部与一金属条带的远心端连接，通过控制激励单元的工作状态使所述可重构激励单元变为单个偶极子或单个偶极子加一与其正交的金属条带的形式。
可选的，所述激励偶极子结构包括沿x轴设置的第一激励偶极子结构和沿y轴设置的第二激励偶极子结构，
所述控制激励单元包括第一控制激励单元、第二控制激励单元、第三控制激励单元和第四控制激励单元；
所述第一激励偶极子结构包括第一顶帽弧形部、第一金属条带和第三金属条带，所述第三金属条带设置于x轴的一部分，且其远心端与第一顶帽弧形部连接，近心端通过第三控制激励单元与馈线连接，所述第一金属条带设置于x轴的另一部分，其近心端通过第一控制激励单元与馈线连接；
所述第二激励偶极子结构包括第二顶帽弧形部、第二金属条带和第四金属条带，所述第二金属条带设置于y轴的一部分，且其远心端与第二顶帽弧形部连接，近心端通过第三控制激励单元与馈线连接，所述第四金属条带设置于y轴的另一部分，其近心端通过第二控制激励单元与馈线连接。
可选的，所述第一顶帽弧形部为以第三金属条带为对称轴的对称结构。
可选的，所述控制激励单元为PIN二极管，第一控制激励单元为第一PIN管，第二控制激励单元为第二PIN管，第三控制激励单元为第三PIN管，第四控制激励单元为第四PIN管；
当所述第一PIN管和第三PIN管导通，第二PIN管和第四PIN管截止时，产生沿x轴线极化状态；
当所述第二PIN管和第四PIN管导通，第一PIN管和第三PIN管截止时，产生沿y轴线极化状态；
当所述第二PIN管断开，第一PIN管、第三PIN管和第四PIN管导通时，产生左旋圆极化状态；
当所述第三PIN管断开，第一PIN管、第二PIN管和第四PIN管导通时，产生右旋圆极化状态。
可选的，所述引向单元设置于第一介质基板的上表面，所述可重构激励单元设置于第二介质基板的下表面，所述反射单元设置于第三介质基板的上表面。
可选的，所述引向偶极子结构包括两条正交设置的引向金属条带，以及分别设置于引向金属条带端部的弧型结构。
可选的，所述反射偶极子结构包括两条正交设置的反射金属条带，以及分别设置于反射金属条带端部的弧型结构，两条正交设置的反射金属条带的中心为圆环结构。
可选的，所述可重构激励单元与馈线连接，所述馈线为同轴电缆，所述同轴电缆的内外导体分别经过与一平行双线的两面连接进行馈电。
本发明的有益效果：本发明中的基于极化可重构的电小八木RFID天线，通过采用可重构的激励单元，可以在不需要对寄生单元进行任何改变的情况下，仅通过控制可重构激励单元上加载的控制激励单元的状态，即可实现电小八木天线极化可重构的功能，本发明中的天线具有高方向性以及良好的端射特性，同时具有小型化、紧凑化、结构简单、成本低等特点，且具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例中基于极化可重构的电小八木RFID天线的结构示意图。
图2是本发明实施例中基于极化可重构的电小八木RFID天线的侧视图。
图3是本发明实施例中基于极化可重构的电小八木RFID天线的引向单元结构示意图。
图4是本发明实施例中基于极化可重构的电小八木RFID天线的可重构激励单元结构示意图。
图5是本发明实施例中基于极化可重构的电小八木RFID天线的反射单元结构示意图。
图6是本发明实施例中基于极化可重构的电小八木RFID天线在线极化状态下与左、右旋圆极化状态下，天线的反射系数(|S11|)随频率变化的曲线图。
图7是本发明实施例中基于极化可重构的电小八木RFID天线的轴比曲线示意图。
图8(a)是本发明实施例中基于极化可重构的电小八木RFID天线在0.95GHz频点的x轴极化的辐射方向图。
图8(b)是本发明实施例中基于极化可重构的电小八木RFID天线在0.95GHz频点的y轴极化的辐射方向图。
图8(c)是本发明实施例中基于极化可重构的电小八木RFID天线在0.95GHz频点的左旋圆极化的辐射方向图。
图8(d)是本发明实施例中基于极化可重构的电小八木RFID天线在0.95GHz频点的右旋圆极化的辐射方向图。
附图标记说明：
1-第一介质基板、2-第二介质基板、3-第三介质基板、4-同轴电缆。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在下文描述中，探讨了大量细节，以提供对本发明实施例的更透彻的解释，然而，对本领域技术人员来说，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例是显而易见的，在其他实施例中，以方框图的形式而不是以细节的形式来示出公知的结构和设备，以避免使本发明的实施例难以理解。
如图1所示，本实施例中的基于极化可重构的电小八木RFID天线，包括：
介质基板、引向单元、反射单元和可重构激励单元；
介质基板包括依次同轴设置的第一介质基板1、第二介质基板2和第三介质基板3，引向单元设置于第一介质基板1、可重构激励单元设置于第二介质基板2，反射单元设置于第三介质基板3；
引向单元包括结构相同且互相正交设置的两组引向偶极子结构，用于分别产生沿x轴线极化状态和沿y轴线极化状态；
反射单元包括结构相同且互相正交设置的两组反射偶极子结构，用于分别产生沿x轴线极化状态和沿y轴线极化状态；
可重构激励单元包括结构相同且互相正交设置的两组激励偶极子结构，以同轴轴心为原点，所述两组激励偶极子结构经正交后，将第二介质基板2的x轴和y轴共分为四部分，通过分别控制设置在每部分上的激励偶极子结构中的控制激励单元的工作状态，完成切换沿x轴线极化、沿y轴线极化、左旋圆极化和右旋圆极化状态。
在本实施例中，第一介质基板1、第二介质基板2和第三介质基板3为圆形结构，并沿+z方向依次堆叠而成，第一介质基板1距离原点较远，第三介质基板3距离原点较近，以第一介质基板1背向第二介质基板2的面为上表面，引向单元印刷在第一介质基板1的上表面，本实施例中的引向单元包括结构相同且互相正交设置的两组引向偶极子结构，用于分别产生沿x轴线极化状态和沿y轴线极化状态，引向单元采用两组正交放置的偶极子结构，形成类似埃及战斧形偶极子。本实施例中的引向偶极子的长度为110～112mm，宽度为3～4mm，顶帽弧形的内半径为27～27.5mm，外半径为30～31mm，夹角为80°～90°，两个顶帽之间的距离为46～48mm。
在本实施例中，反射单元包括结构相同且互相正交设置的两组反射偶极子结构，其中两组反射偶极子结构为尺寸相同，且中心为圆环的结构，中心的圆环可以避免馈电结构穿过反射单元时产生的短路现象，本实施例中的反射单元主要用于增强八木天线的方向性。本实施例中的反射偶极子的长度为66～68mm，宽度为3～3.5mm，顶帽弧形的内半径为19～19.5mm，外半径为20～21mm，夹角为50°～60°。
在本实施例中，可重构激励单元包括结构相同且互相正交设置的两组激励偶极子结构，以同轴轴心为原点，两组激励偶极子结构经正交后，将第二介质基板2的x轴和y轴共分为四部分，通过分别控制设置在每部分上的激励偶极子结构中的控制激励单元的工作状态，完成切换沿x轴线极化、沿y轴线极化、左旋圆极化和右旋圆极化状态，可重构激励单元中的一激励偶极子结构包括顶帽弧形部和两条设置于不同部分的金属条带，顶帽弧形部为弧型结构，弧形结构内曲的中部与一金属条带的远心端连接，通过控制激励单元的工作状态使所述可重构激励单元变为单个偶极子或单个偶极子加一与其正交的金属条带的形式。可选的，激励偶极子结构包括沿x轴设置的第一激励偶极子结构和沿y轴设置的第二激励偶极子结构，控制激励单元包括第一控制激励单元、第二控制激励单元、第三控制激励单元和第四控制激励单元；第一激励偶极子结构包括第一顶帽弧形部、第一金属条带和第三金属条带，所述第三金属条带设置于x轴的一部分，且其远心端与第一顶帽弧形部连接，近心端通过第三控制激励单元与馈线连接，所述第一金属条带设置于x轴的另一部分，其近心端通过第一控制激励单元与馈线连接；第二激励偶极子结构包括第二顶帽弧形部、第二金属条带和第四金属条带，所述第二金属条带设置于y轴的一部分，且其远心端与第二顶帽弧形部连接，近心端通过第三控制激励单元与馈线连接，所述第二金属条带设置于y轴的另一部分，其近心端通过第二控制激励单元与馈线连接，本实施例中的激励偶极子的长度为110～112mm，宽度为3.5～4mm，两个顶帽之间的距离为45～46mm，顶帽弧形的内半径为27～28mm，外半径为31～32mm，夹角为80°～90°，中心圆环的内半径为2～2.5mm，外半径为5～5.5mm。
优选地，本实施例中的可重构激励单元结构由加载有4个PIN管的两个尺寸相等、顶帽弧形偶极子正交组成，通过控制PIN管的导通或截止状态，控制激励单元结构形成单个偶极子或者单个偶极子加一根与其垂直的金属条带的形式，从而激励天线形成沿x轴线极化、沿y轴线极化、左旋圆极化或右旋圆极化的极化状态，并且能够在四种极化状态中快速转换。通过对所述4个PIN管导通或截止状态的控制，能够使该天线实现沿x轴线极化、沿y轴线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间的转换，如图4所示，将四个PIN管分别记为第一PIN管PIN#1、第二PIN管PIN#2、第三PIN管PIN#3、第四PIN管PIN#4。本实施例中的顶帽弧形偶极子印刷在第二介质基板2的下表面，通过同轴电缆经过一根平行双线进行馈电，同轴电缆的内外导体分别连接平行双线的两面，通过控制激励单元上PIN管的通断状态能够使天线产生沿x轴线极化、沿y轴线极化、左旋圆极化和右旋圆极化四种极化状态。
1)当PIN#1、PIN#3导通，同时PIN#2、PIN#4截止时，天线产生沿x轴线极化状态；
2)当PIN#2、PIN#4导通，同时PIN#1、PIN#3截止时，天线产生沿y轴线极化状态；
3)当PIN#2断开，其余三个PIN管全部导通时，天线产生左旋圆极化状态；
4)当PIN#3断开，其余三个PIN管全部导通时，天线产生右旋圆极化状态。
PIN管状态与极化可重构状态之间的关系如表1所示：
PIN#1 PIN#2 PIN#3 PIN#4 极化状态
ON OFF ON OFF 沿x轴线极化
OFF ON OFF ON 沿y轴线极化
ON OFF ON ON 左旋圆极化
ON ON OFF ON 右旋圆极化
表1
下面通过一个具体实施例进行进一步说明，
如图1-5所示，本实施例中的馈线采用50欧姆同轴电缆经由一根平行双线对可重构激励单元进行馈电，50欧姆同轴电缆的内外导体分别连接平行双线的两面，第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3均为圆形结构，半径均为32mm，基板厚度均为1.27mm，三层介质基板均采用型号为Rogers RT/duroid6010的制作材料，其相对介电常数为10.2，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.0023。PIN管均采用型号为BAR5002VH6327XTSA1，二极管的导通状态等效为1.2欧姆电阻，截止状态等效为0.015pF的电容，引向单元由两个完全相同的埃及战斧形偶极子正交组成，印刷于第一层介质基板的上表面。偶极子的长度为l1＝111mm，宽度为w1＝3.9mm，顶帽弧形的内半径为r1＝27.3mm，外半径为r2＝31mm，夹角为α1＝90°，两个顶帽之间的距离为l2＝47.2mm。所述可重构激励单元结构由两个顶帽弧形加载的偶极子正交组成，印刷于第二层介质基板的下表面。其中偶极子长度为l3＝67mm，宽度为w2＝3.2mm，顶帽弧形的内半径为r3＝19.2mm，外半径为r4＝20.5mm，夹角为α2＝60°。所述反射单元结构由两个尺寸相同、中心为圆环的埃及战斧形偶极子正交组成，印刷于第三层介质基板的上表面。偶极子的长度为l4＝117mm，宽度为w3＝4mm，两个顶帽之间的距离为l5＝45.4mm，顶帽弧形的内半径为r5＝28mm，外半径为r6＝32mm，夹角为α1＝90°。中心圆环的内半径为r7＝2.32mm，外半径为r8＝5.32mm。
经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如表2所示：
Figure GDA0002930054600000071
Figure GDA0002930054600000081
表2
如图6所示，其中x-LP为沿x轴线极化状态下的|S11|曲线y-LP为沿y轴线极化状态下的|S11|曲线，RHCP(LHCP)为右(左)旋圆极化状态下的|S11|曲线。当天线|S11|<-10dB时，本天线沿x轴线极化、y轴线极化、左旋圆极化和右旋圆极化重叠阻抗带宽范围为0.944～0.976GHz。
如图7所示，根据结构的对称性可知左右旋圆极化的轴比(AR)曲线相同。仿真结果显示圆极化带宽范围为0.946～0.954GHz，与线极化阻抗带宽的重叠范围为0.946～0.954GHz。
如图8(a)(b)(c)(d)所示，在0.95GHz频点处的沿x轴、y轴的线极化以及左、右旋圆极化。天线在0.95GHz时呈现出良好的端射辐射特性。
在上述实施例中，除非另外规定，否则通过使用“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等序号对共同的对象进行描述，只表示其指代相同对象的不同实例，而非是采用表示被描述的对象必须采用给定的顺序，无论是时间地、空间地、排序地或任何其他方式。
在上述实施例中，说明书对“本实施例”、“一实施例”、“另一实施例”、或“其他实施例”的提及表示结合实施例说明的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施例中，但不必是全部实施例。“本实施例”、“一实施例”、“另一实施例”的多次出现不一定全部都指代相同的实施例。如果说明书描述了部件、特征、结构或特性“可以”、“或许”或“能够”被包括，则该特定部件、特征、结构或特性“可以”、“或许”或“能够”被包括，则该特定部件、特征、结构或特性不是必须被包括的。如说明书或权利要求提及“一”元件，并非表示仅有一个元件。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于极化可重构的电小八木RFID天线，其特征在于，包括：
介质基板、引向单元、反射单元和可重构激励单元；
所述介质基板包括依次同轴设置的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，所述引向单元设置于第一介质基板、所述可重构激励单元设置于第二介质基板，所述反射单元设置于第三介质基板；
所述引向单元包括结构相同且互相正交设置的两个引向偶极子结构，用于分别产生沿x轴线极化状态和沿y轴线极化状态；
所述反射单元包括结构相同且互相正交设置的两个反射偶极子结构，用于分别产生沿x轴线极化状态和沿y轴线极化状态；
所述可重构激励单元包括结构相同且互相正交设置的两个激励偶极子结构，以同轴轴心为原点，所述两个激励偶极子结构经正交后，将第二介质基板的x轴和y轴共分为四部分，通过分别控制设置在每部分上的激励偶极子结构中的控制激励单元的工作状态，完成切换沿x轴线极化、沿y轴线极化、左旋圆极化和右旋圆极化状态；
所述激励偶极子结构包括沿x轴设置的第一激励偶极子结构和沿y轴设置的第二激励偶极子结构，
所述控制激励单元包括第一控制激励单元、第二控制激励单元、第三控制激励单元和第四控制激励单元；所述控制激励单元为PIN二极管，第一控制激励单元为第一PIN管，第二控制激励单元为第二PIN管，第三控制激励单元为第三PIN管，第四控制激励单元为第四PIN管；
所述第一激励偶极子结构包括第一顶帽弧形部、第一金属条带和第三金属条带，所述第三金属条带设置于x轴的一部分，且其远心端与第一顶帽弧形部连接，近心端通过第三控制激励单元与馈线连接，所述第一金属条带设置于x轴的另一部分，其近心端通过第一控制激励单元与馈线连接；
所述第二激励偶极子结构包括第二顶帽弧形部、第二金属条带和第四金属条带，所述第二金属条带设置于y轴的一部分，且其远心端与第二顶帽弧形部连接，近心端通过第三控制激励单元与馈线连接，所述第四金属条带设置于y轴的另一部分，其近心端通过第二控制激励单元与馈线连接。
2.根据权利要求1所述的基于极化可重构的电小八木RFID天线，其特征在于，所述第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板为圆形结构，且尺寸相同。
3.根据权利要求2所述的基于极化可重构的电小八木RFID天线，其特征在于，所述可重构激励单元中的一激励偶极子结构包括顶帽弧形部和两条设置于不同部分的金属条带，所述顶帽弧形部为弧型结构，所述弧形结构内曲的中部与一金属条带的远心端连接，通过控制激励单元的工作状态使所述可重构激励单元变为单个偶极子或单个偶极子加一与其正交的金属条带的形式。
4.根据权利要求1所述的基于极化可重构的电小八木RFID天线，其特征在于，所述第一顶帽弧形部为以第三金属条带为对称轴的对称结构。
5.根据权利要求1所述的基于极化可重构的电小八木RFID天线，其特征在于，
当所述第一PIN管和第三PIN管导通，第二PIN管和第四PIN管截止时，产生沿x轴线极化状态；
当所述第二PIN管和第四PIN管导通，第一PIN管和第三PIN管截止时，产生沿y轴线极化状态；
当所述第二PIN管断开，第一PIN管、第三PIN管和第四PIN管导通时，产生左旋圆极化状态；
当所述第三PIN管断开，第一PIN管、第二PIN管和第四PIN管导通时，产生右旋圆极化状态。
6.根据权利要求2所述的基于极化可重构的电小八木RFID天线，其特征在于，所述引向单元设置于第一介质基板的上表面，所述可重构激励单元设置于第二介质基板的下表面，所述反射单元设置于第三介质基板的上表面。
7.根据权利要求2所述的基于极化可重构的电小八木RFID天线，其特征在于，所述引向偶极子结构包括两条正交设置的引向金属条带，以及分别设置于引向金属条带端部的弧型结构。
8.根据权利要求2所述的基于极化可重构的电小八木RFID天线，其特征在于，所述反射偶极子结构包括两条正交设置的反射金属条带，以及分别设置于反射金属条带端部的弧型结构，两条正交设置的反射金属条带的中心为圆环结构。
9.根据权利要求2所述的基于极化可重构的电小八木RFID天线，其特征在于，所述可重构激励单元与馈线连接，所述馈线为同轴电缆，所述同轴电缆的内外导体分别与一根平行双线的两面连接进行馈电。
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