CN111786078B - 一种圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线 - Google Patents

一种圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线，包括三角形缺陷辐射贴片、圆形耦合贴片、接地探针、馈电探针、馈电网络、介质板、金属地板、同轴连接器和短路针。该结构利用三角形缺陷辐射贴片之间的十字形缝隙进行辐射展宽了天线的圆极化波束宽度；接地探针有效地减小了三角形缺陷辐射贴片的尺寸；三角形缺陷辐射贴片与圆形耦合贴片之间的间隙电容提高了天线的阻抗匹配性能；空气层的引入提高了天线的带宽；基于混合环和TRD耦合器的馈电网络消除了三角形缺陷辐射贴片之间的互耦影响，实现了良好的圆极化性能。

Description

一种圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线。
背景技术
射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是一种通过射频信号非接触式的自动识别技术。随着市场需求和超高频RFID技术的不断发展，RFID产品广泛应用与物流管理、智能跟踪、智能卡、动物标签、电子收费和商店安全等领域。在可用于UHF RFID系统阅读器的各种天线中，贴片天线以其成本低、体积小、重量轻、易加工、馈电结构灵活等优点，而得到了更多的研究和应用。
天线是实现射频标签和阅读器信息传递的桥梁，RFID阅读器天线是射频信息传输系统的重要组成部分，其性能的好坏是影响整个系统性能的关键因素之一。RFID在超高频频段受到了广泛关注，然而不同的国家有着不同的频段标准。为了在设备内集成多个工作频段，宽带天线的设计具有重要意义。由于在工程应用中标签多为线极化，为了适应标签线极化和任意摆放，读写器天线多采用圆极化天线。然而已有的圆极化读写器天线的圆极化波束窄，只能在最大辐射方向附近的较小波束范围内识别标签，不适合大范围识别的应用场景。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线，包括三角形缺陷辐射贴片、圆形耦合贴片、接地探针、馈电探针、馈电网络、介质板、金属地板、同轴连接器和短路针；
所述三角形缺陷辐射贴片包括四个结构相同的三角形缺陷辐射贴片Ⅰ、三角形缺陷辐射贴片Ⅱ、三角形缺陷辐射贴片Ⅲ和三角形缺陷辐射贴片Ⅳ；所述三角形缺陷辐射贴片Ⅰ的边缘为等腰直角三角形；所述三角形缺陷辐射贴片Ⅰ包括一个圆形缺陷结构；
所述介质板包括上层介质板和下层介质板；所述三角形缺陷辐射贴片和圆形耦合贴片位于上层介质板的上表面；所述馈电网络位于下层介质板的上表面；所述金属地板位于下层介质板的下表面；所述接地探针穿过上层介质板和下层介质板将三角形缺陷辐射贴片和金属地板连接起来。
所述圆形耦合贴片包括四个结构相同的第一圆形耦合贴片、第二圆形耦合贴片、第三圆形耦合贴片和第四圆形耦合贴片；所述第一圆形耦合贴片的圆心与三角形缺陷辐射贴片Ⅰ的圆形缺陷结构的圆心重合；
所述馈电探针的一端与圆形耦合贴片相连接、另一端与馈电网络相连接；所述馈电探针包括第一馈电探针、第二馈电探针、第三馈电探针和第四馈电探针；
所述短路针包括短路针Ⅰ、短路针Ⅱ和短路针Ⅲ；
所述馈电网络包括混合环耦合器、第一TRD耦合器、第二TRD耦合器和两段传输微带线；
所述混合环耦合器包括圆形环、七个阶跃阻抗开路微带线、输入端口、隔离端口、隔离电阻、接地金属片、输出端口Ⅰ和输出端口Ⅱ；
所述同轴连接器的内导体穿过下层介质板与输入端口相连接；所述同轴连接器的外导体与金属地板相连接；所述隔离电阻的一端与隔离端口相连接、另一端与接地金属片相连接；所述接地金属片通过第一短路针与金属地板相连接；
所述两段传输微带线包括第一传输微带线和第二传输微带线；
所述混合环耦合器的输出端口Ⅰ通过第一传输微带线与第一TRD耦合器相连接；
所述混合环耦合器的输出端口Ⅱ通过第二传输微带线与第二TRD耦合器相连接；
所述第一TRD耦合器与第二TRD耦合器结构相同；所述第一TRD耦合器包括输入微带线、第一输出微带线、第二输出微带线、平行耦合微带线、四个跨接电容、隔离微带线、隔离电阻Ⅰ和接地金属片Ⅰ；所述跨接电容跨接在平行耦合微带线上；所述隔离电阻Ⅰ的一端与隔离微带线相连接、另一端与接地金属片Ⅰ相连接；所述接地金属片Ⅰ通过短路针Ⅱ与金属地板相连接；所述第一输出微带线和第二输出微带线通过馈电探针与圆形耦合贴片相连接。
进一步的，所述三角形缺陷辐射贴片与圆形耦合贴片之间设置有间隙电容。
进一步的，所述上层介质板与下层介质板之间设置有空气层，所述空气层的厚度为15mm。
所述三角形缺陷辐射贴片Ⅰ的直角边Ⅰ和直角边Ⅱ的电场存在90度的相位差。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线，该结构通过利用三角形缺陷辐射贴片之间的十字形缝隙进行辐射展宽了天线的圆极化波束宽度；接地探针有效地减小了三角形缺陷辐射贴片的尺寸；三角形缺陷辐射贴片与圆形耦合贴片之间的间隙电容提高了天线的阻抗匹配性能；空气层的引入提高了天线的带宽；基于混合环和TRD耦合器的馈电网络消除了三角形缺陷辐射贴片之间的互耦影响，实现了良好的圆极化性能。此外，该天线具有结构紧凑、体积小、重量轻等特点。应用于RFID系统提高了标签的识别范围，具有广泛的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请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为本发明圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线的俯视图；
图2为本发明圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线的侧视图；
图3为本发明圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线的辐射贴片结构图；
图4为本发明圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线的馈电网络结构图；
图5为本发明圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线的TRD耦合器结构图；
图6为本发明圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线的反射系数幅度曲线图；
图7为本发明圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线的顶点轴比和增益随频率的曲线图；
图8为本发明圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线的方向性图；
图9为本发明圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线的轴比随角度的曲线图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1-图5所示的一种圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线，具体包括如下结构：三角形缺陷辐射贴片1、圆形耦合贴片2、接地探针3、馈电探针4、馈电网络5、介质板6、金属地板7、同轴连接器8和短路针9；
所述三角形缺陷辐射贴片1包括四个结构相同的三角形缺陷辐射贴片Ⅰ11、三角形缺陷辐射贴片Ⅱ12、三角形缺陷辐射贴片Ⅲ13和三角形缺陷辐射贴片Ⅳ14；所述三角形缺陷辐射贴片Ⅰ11的边缘是一个等腰直角三角形；所述三角形缺陷辐射贴片Ⅰ包含一个圆形缺陷结构；
所述介质板6包括上层介质板61和下层介质板62；所述三角形缺陷辐射贴片1和圆形耦合贴片2位于上层介质板61的上表面；所述馈电网络5位于下层介质板62的上表面；所述金属地板7位于下层介质板62的下表面；所述接地探针3穿过上层介质板61和下层介质板62将三角形缺陷辐射贴片1和金属地板7连接起来。
所述圆形耦合贴片2包括四个结构相同的第一圆形耦合贴片21、第二圆形耦合贴片22、第三圆形耦合贴片23和第四圆形耦合贴片24；所述第一圆形耦合贴片21的圆心与三角形缺陷辐射贴片Ⅰ11的圆形缺陷结构的圆心重合。
所述馈电探针4的一端连接圆形耦合贴片2，另一端连接馈电网络5；所述馈电探针包括第一馈电探针41、第二馈电探针42、第三馈电探针43和第四馈电探针44；
所述短路针9包括短路针Ⅰ91、短路针Ⅱ92和短路针Ⅲ93；
所述馈电网络5包括一个混合环耦合器51、第一TRD耦合器52、第二TRD耦合器53和两段传输微带线54；
所述混合环耦合器51包括圆形环511、七个阶跃阻抗开路微带线512、输入端口513、隔离端口514、隔离电阻515、接地金属片516、输出端口Ⅰ517和输出端口Ⅱ518；
所述同轴连接器8的内导体穿过下层介质板62与输入端口513相连接；所述同轴连接器8的外导体与金属地板7相连接；所述隔离电阻515一端接隔离端口514，另一端与接地金属片516相连接；所述接地金属片516通过第一短路针91与金属地板7相连接；
所述的两段传输微带线54包括第一传输微带线541和第二传输微带线542；
所述混合环耦合器51的输出端口Ⅰ517通过第一传输微带线541与第一TRD耦合器52相连接；
所述混合环耦合器51的输出端口Ⅱ518通过第二传输微带线542与第二TRD耦合器53相连接；
所述第一TRD耦合器52与第二TRD耦合器53结构相同；所述第一TRD耦合器52包括输入微带线521、第一输出微带线522、第二输出微带线523、平行耦合微带线524、四个跨接电容525、隔离微带线526、隔离电阻Ⅰ527和接地金属片Ⅰ528；所述跨接电容522跨接在平行耦合微带线524上；所述隔离电阻Ⅰ527一端接隔离微带线526，另一端与接地金属片Ⅰ528相连接；所述接地金属片Ⅰ528通过短路针Ⅱ92与金属地板7相连接；所述第一输出微带线522和第二输出微带线523通过馈电探针4与圆形耦合贴片2相连接。
所述接地探针3有效地减小了三角形缺陷辐射贴片1的尺寸；
所述三角形缺陷辐射贴片1与圆形耦合贴片2之间的间隙电容提高了天线的阻抗匹配性能。
所述上层介质板61与下层介质板62之间设置空气层以提高天线的带宽。
所述空气层的厚度为15mm。
所述三角形缺陷辐射贴片Ⅰ11的直角边Ⅰ111和直角边Ⅱ112的电场存在90度的相位差。
进一步的，图6为本发明圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线的反射系数幅度曲线图。从图6可以看到，天线在840～960MHz频率范围内|S11|都处于-11.5dB以下，说明本发明提出的读写器天线具有良好的输入阻抗匹配性能。
进一步的，图7为本发明圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线的顶点轴比和增益随频率的曲线图。从图7可以看到，本实施例中一种圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线在840～960MHz频带内顶点轴比都小于1.6dB，说明本发明提出的读写器天线具有良好的圆极化特性。
进一步的，图8为本发明圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线的左右旋圆极化增益方向性图。从图8可以看到，在上半空间的整个空域，右旋圆极化都远大于左旋圆极化，说明本发明提出的读写器天线在上半空域都具有较好的圆极化性能。
进一步的，图9为本发明圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线的轴比随角度的曲线图。从图9可以看到，轴比小于3dB的圆极化波束宽度大于180度，说明本发明提出的读写器天线具有圆极化波束宽的特性。
综上所述，本发明圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线，通过利用三角形缺陷辐射贴片之间的十字形缝隙进行辐射展宽了天线的圆极化波束宽度；接地探针有效地减小了三角形缺陷辐射贴片的尺寸；三角形缺陷辐射贴片与圆形耦合贴片之间的间隙电容提高了天线的阻抗匹配性能；空气层的引入提高了天线的带宽；基于混合环和TRD耦合器的馈电网络消除了三角形缺陷辐射贴片之间的互耦影响，实现了良好的圆极化性能。此外，该天线具有结构紧凑、体积小、重量轻等特点。应用于RFID系统提高了标签的识别范围，具有广泛的应用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线，其特征在于，包括三角形缺陷辐射贴片(1)、圆形耦合贴片(2)、接地探针(3)、馈电探针(4)、馈电网络(5)、介质板(6)、金属地板(7)、同轴连接器(8)和短路针(9)；
所述三角形缺陷辐射贴片(1)包括四个结构相同的三角形缺陷辐射贴片Ⅰ(11)、三角形缺陷辐射贴片Ⅱ(12)、三角形缺陷辐射贴片Ⅲ(13)和三角形缺陷辐射贴片Ⅳ(14)；所述三角形缺陷辐射贴片Ⅰ(11)的边缘为等腰直角三角形；所述三角形缺陷辐射贴片Ⅰ(11)包括一个圆形缺陷结构；
所述介质板(6)包括上层介质板(61)和下层介质板(62)；所述三角形缺陷辐射贴片(1)和圆形耦合贴片(2)位于上层介质板(61)的上表面；所述馈电网络(5)位于下层介质板(62)的上表面；所述金属地板(7)位于下层介质板(62)的下表面；所述接地探针(3)穿过上层介质板(61)和下层介质板(62)将三角形缺陷辐射贴片(1)和金属地板(7)连接起来；
所述圆形耦合贴片(2)包括四个结构相同的第一圆形耦合贴片(21)、第二圆形耦合贴片(22)、第三圆形耦合贴片(23)和第四圆形耦合贴片(24)；所述第一圆形耦合贴片(21)的圆心与三角形缺陷辐射贴片Ⅰ(11)的圆形缺陷结构的圆心重合；
所述馈电探针(4)的一端与圆形耦合贴片(2)相连接、另一端与馈电网络(5)相连接；所述馈电探针包括第一馈电探针(41)、第二馈电探针(42)、第三馈电探针(43)和第四馈电探针(44)；
所述短路针(9)包括短路针Ⅰ(91)、短路针Ⅱ(92)和短路针Ⅲ(93)；
所述馈电网络(5)包括混合环耦合器(51)、第一TRD耦合器(52)、第二TRD耦合器(53)和两段传输微带线(54)；
所述混合环耦合器(51)包括圆形环(511)、七个阶跃阻抗开路微带线(512)、输入端口(513)、隔离端口(514)、隔离电阻(515)、接地金属片(516)、输出端口Ⅰ(517)和输出端口Ⅱ(518)；
所述同轴连接器(8)的内导体穿过下层介质板(62)与输入端口(513)相连接；所述同轴连接器(8)的外导体与金属地板(7)相连接；所述隔离电阻(515)的一端与隔离端口(514)相连接、另一端与接地金属片(516)相连接；所述接地金属片(516)通过第一短路针(91)与金属地板(7)相连接；
所述两段传输微带线(54)包括第一传输微带线(541)和第二传输微带线(542)；
所述混合环耦合器(51)的输出端口Ⅰ(517)通过第一传输微带线(541)与第一TRD耦合器(52)相连接；
所述混合环耦合器(51)的输出端口Ⅱ(518)通过第二传输微带线(542)与第二TRD耦合器(53)相连接；
所述第一TRD耦合器(52)与第二TRD耦合器(53)结构相同；所述第一TRD耦合器(52)包括输入微带线(521)、第一输出微带线(522)、第二输出微带线(523)、平行耦合微带线(524)、四个跨接电容(525)、隔离微带线(526)、隔离电阻Ⅰ(527)和接地金属片Ⅰ(528)；所述跨接电容(522)跨接在平行耦合微带线(524)上；所述隔离电阻Ⅰ(527)的一端与隔离微带线(526)相连接、另一端与接地金属片Ⅰ(528)相连接；所述接地金属片Ⅰ(528)通过短路针Ⅱ(92)与金属地板(7)相连接；所述第一输出微带线(522)和第二输出微带线(523)通过馈电探针(4)与圆形耦合贴片(2)相连接；
所述接地探针(3)位于三角形缺陷辐射贴片(1)的长边上，将三角形缺陷辐射贴片(1)和金属地板(7)连接起来；
所述第二圆形耦合贴片(22)的圆心与三角形缺陷辐射贴片Ⅱ(12)的圆形缺陷结构的圆心重合、第三圆形耦合贴片(23)的圆心与三角形缺陷辐射贴片Ⅲ(13)的圆形缺陷结构的圆心重合，第四圆形耦合贴片(24)的圆心与三角形缺陷辐射贴片Ⅳ(14)的圆形缺陷结构的圆心重合。
2.根据权利要求1所述的一种圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线，其特征还在于：所述三角形缺陷辐射贴片(1)与圆形耦合贴片(2)之间设置有间隙电容。
3.根据权利要求1所述的一种圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线，其特征还在于：所述上层介质板(61)与下层介质板(62)之间设置有空气层。
4.根据权利要求3所述的一种圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线，其特征还在于：所述空气层的厚度为15mm。
5.根据权利要求1-4任意一项权利要求所述的一种圆极化波束宽的宽带射频识别读写器天线，其特征还在于：所述三角形缺陷辐射贴片Ⅰ(11)包括直角边Ⅰ(111)和直角边Ⅱ(112)，所述直角边Ⅰ(111)和直角边Ⅱ(112)的电场存在90度的相位差。
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