CN111900540A - 一种双圆极化rfid阵列天线 - Google Patents

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丁胜高
韩睿
张悦
徐义晗
董进
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Abstract

本发明公开了一种双圆极化RFID阵列天线，包括功分移相馈电单元、右旋圆极化天线单元、左旋圆极化天线单元和馈电连接电路板。功分移相馈电单元为双面敷铜电路板，底部金属层为地平面、顶部金属层为两个相同的功分移相馈电电路。功分移相馈电电路由不等分功分器和威尔金森功分移相器级联而成，用于产生幅度呈二项式分布、相位依次滞后90°的4个馈电源。右旋、左旋圆极化天线单元均为单面敷铜电路板，其顶部分别由4个相同臂顺时针和逆时针旋转构成。馈电连接电路板用于连接功分移相馈电单元和天线单元。本发明利用功分移相馈电单元控制馈电源的幅度和相位，再结合四臂螺旋天线单元，实现RFID阵列天线的双圆极化特性，从而识别不同极化的标签。

Description

一种双圆极化RFID阵列天线
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种双圆极化RFID阵列天线。
背景技术
近年来，射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术已经被用于工业制造、库存控制、商品追踪、防盗门禁和货物盘点等诸多领域。无源特高频(Ultra HighFrequency，UHF)频段RFID技术具有读取距离远、传输速率快等优点，被认为是最具应用前景的RFID技术。阅读器天线作为RFID系统的重要组成部分，其性能往往决定了整个系统的性能。
在RFID的实际应用中，不同的应用场景对天线的极化性能和辐射特性的要求不同。许多研究人员对如何实现RFID阅读器天线的圆极化特性进行了相关研究，比如使用两个谐振路径幅度相等、相位相差90°的单极子天线来实现圆极化特性；在单馈电微带天线的基础上，采用探针馈电曲线贴片的方式，在圆形贴片上开了对称的方形缝隙来改善天线的带宽和圆极化特性；此外，结合威尔金森功分器和3dB分支线定向耦合器来产生幅度相等、相位差为90°的激励源，从而给贴片天线进行馈电，实现了良好的圆极化性能。然而，大部分RFID圆极化天线都是以单元天线的形式来实现的，鲜有对RFID圆极化阵列天线的报道，且只能实现左旋圆极化或右旋圆极化。
因此，进一步研究阵列天线在RFID阅读器天线中的应用及双圆极化的实现方式十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双圆极化RFID阵列天线，实现远场双圆极化，以适应不同极化方式的标签；同时，馈电幅度呈二项式分布能够抑制天线旁瓣电平，从而确保在规定识别区域外无标签误读且在识别区域内无漏读。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提供的一种双圆极化RFID阵列天线，包括功分移相馈电单元、右旋圆极化天线单元、左旋圆极化天线单元和馈电连接电路板。所述功分移相馈电单元为双面敷铜电路板，所述双面敷铜电路板包括底部金属层、中间介质层和顶部金属层，所述底部金属层为地平面，所述顶部金属层为两个相同的功分移相馈电电路。所述功分移相馈电电路由不等分功分器和威尔金森功分移相器级联而成，利用不等分功分器可获得幅度呈二项式分布(幅度比为1∶3∶3∶1)且等相的输出，再通过级联威尔金森功分移相器产生幅度相等、相位依次滞后90°的4个馈电源，用于天线单元的馈电。所述右旋圆极化天线单元为单面敷铜电路板，所述单面敷铜电路板的顶部金属层由4个相同臂顺时针旋转构成，用于产生右旋圆极化的辐射场。所述左旋圆极化天线单元为单面敷铜电路板，所述单面敷铜电路板的顶部金属层由4个相同臂逆时针旋转构成，用于产生左旋圆极化的辐射场。所述右旋圆极化天线单元中的臂和所述左旋圆极化天线单元中的臂相同。所述馈电连接电路板用于连接功分移相馈电单元和天线单元，保证了良好的电气连接。
本发明所提供的一种双圆极化RFID阵列天线和现有的远场天线相比，有益效果在于：
(1)提供了一种阵列形式的远场RFID天线，打破了原有增益的局限，提供了更远的识别距离。
(2)不等分功分器的运用可以有效地抑制旁瓣电平，从而保证识别区域内无漏读，识别区域外无误读。
(3)提供了一种双圆极化远场RFID天线，打破了原有单圆极化的限制，能够更好地识别不同极化的标签。
附图说明
图1为本发明提出的双圆极化RFID阵列天线的三维示意图。
图2为本发明提出的双圆极化RFID阵列天线的组成部件示意图(a)功分移相馈电单元；(b)右旋圆极化天线单元；(c)左旋圆极化天线单元；(d)馈电连接电路板。
图3(a)为本发明所提出的右旋圆极化天线单元的设计参数标注图；图3(b)为本发明所提出的馈电连接电路板的设计参数标注图。
图4为本发明所提出的双圆极化RFID阵列天线不同圆极化条件下驻波比的仿真结果图。
图5为本发明所提出的双圆极化RFID阵列天线不同圆极化条件下轴比和增益随频率变化的仿真结果图。
图6为本发明所提出的双圆极化RFID阵列天线不同圆极化条件下辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提供的一种双圆极化RFID阵列天线实施进行具体说明：
本发明设计的一种双圆极化RFID阵列天线如图1所示，包括1个功分移相馈电单元1、4个右旋圆极化天线单元2、4个左旋圆极化天线单元3以及32个馈电连接电路板4。
图2为本发明提出的双圆极化RFID阵列天线的组成部件示意图。图2(a)为功分移相馈电单元1，它为双面敷铜电路板，其底部金属层为地平面1-4、顶部金属层为两个相同的功分移相馈电电路(1-1、1-2)、中间为介质层1-3。每个功分移相馈电电路由不等分功分器和威尔金森功分移相器级联而成，利用不等分功分器可获得幅度呈二项式分布(幅度比为1∶3∶3∶1)且等相的输出，再通过级联威尔金森功分移相器产生幅度相等、相位依次滞后90°的4个馈电源，用于天线单元的馈电。图2(b)为右旋圆极化天线单元2，它为单面敷铜电路板，其顶部金属层由2-1a、2-1b、2-1c、2-1d四个相同臂顺时针旋转构成，介质层为2-2，用于产生右旋圆极化的辐射场。图2(c)为左旋圆极化天线单元3，它为单面敷铜电路板，其顶部金属层由3-1a、3-1b、3-1c、3-1d四个相同臂顺时针旋转构成，介质层为3-2，用于产生左旋圆极化的辐射场。右旋圆极化天线单元中的臂和左旋圆极化天线单元中的臂相同。图2(d)为馈电连接电路板4，它为单面敷铜电路板，其顶部金属层为4-1，介质层为4-2，用于连接功分移相馈电单元和天线单元，保证了良好的电气连接。
本发明所提出的一种双圆极化RFID阵列天线的中心频率为920MHz。图3(a)为本发明所提出的右旋圆极化天线单元的设计参数标注图，其介质基板的相对介电常数为4.4，厚度为0.6mm，介质基板的长度为L1＝75mm，宽度为W1＝75mm。臂的结构尺寸包括W2＝37.7mm，W3＝23.8mm，W4＝12.9mm，W5＝7.5mm，K1＝9.9mm，K2＝16.8mm，L2＝2mm，L3＝3.6mm。图3(b)为本发明所提出的馈电连接电路板的设计参数标注图，其介质基板的相对介电常数为4.4，厚度为0.6mm，长度为L6＝11mm，宽度可根据实际情况调整，馈电连接电路板的其他设计参数为L4＝5.5mm，L5＝3.5mm，W6＝1mm，W7＝1.8mm。
图4是使用三维电磁仿真软件HFSS得到的本发明在不同圆极化条件下的驻波比仿真结果图，由图可以得知，该双圆极化RFID阵列天线在860MHz～980MHz工作频率范围内驻波比均小于1.35，符合国内远场RFID标签的规范要求。
图5是本发明在不同圆极化条件下的轴比和增益仿真结果图，由图可以看出，在很大频率范围内轴比均小于3dB，这充分说明本发明具有性能优越的双圆极化性能，能够很好的识别任意极化方式的标签；此外，从图中也可以发现，本发明的最大增益可以达到6dB，远大于一般圆极化天线的增益，从而增加了标签的识别距离。
图6是本发明在不同圆极化条件下的仿真辐射方向图，从图中可以看出，本发明天线的旁瓣抑制大于18dB，从而能够更好地保证在识别区域内不漏读，在识别区域外无误读。

Claims (7)

1.一种双圆极化RFID阵列天线，其特征在于，所述双圆极化RFID阵列天线由1个功分移相馈电单元、4个右旋圆极化天线单元、4个左旋圆极化天线单元和32个馈电连接电路板组成。
2.根据权利要求1所述的一种双圆极化RFID阵列天线，其特征在于，所述功分移相馈电单元为双面敷铜电路板，所述双面敷铜电路板包括底部金属层、中间介质层和顶部金属层，所述底部金属层为地平面，所述顶部金属层为两个相同的功分移相馈电电路。
3.根据权利要求2所述的一种双圆极化RFID阵列天线，其特征在于，所述功分移相馈电电路由不等分功分器和威尔金森功分移相器级联而成，用于产生幅度呈二项式分布、相位依次滞后90°的4个馈电源。
4.根据权利要求1所述的一种双圆极化RFID阵列天线，其特征在于，所述右旋圆极化天线单元为单面敷铜电路板，所述单面敷铜电路板的顶部金属层由4个相同臂顺时针旋转构成。
5.根据权利要求1所述的一种双圆极化RFID阵列天线，其特征在于，所述左旋圆极化天线单元为单面敷铜电路板，所述单面敷铜电路板的顶部金属层由4个相同臂逆时针旋转构成。
6.根据权利要求4和权利要求5所述的一种双圆极化RFID阵列天线，其特征在于，所述右旋圆极化天线单元中的臂和所述左旋圆极化天线单元中的臂相同。
7.根据权利要求1所述的一种双圆极化RFID阵列天线，其特征在于，所述馈电连接电路板为单面敷铜电路板，用于连接所述功分移相馈电单元和天线单元，确保良好的电气连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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