CN111900541B - 一种识别区域可重构的uhf近场rfid阅读器天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种识别区域可重构的UHF近场RFID阅读器天线，包括介质板和金属层。金属层刻蚀在介质板的上表面，由两个结构相同且共线摆放的偶极子阵列组成。偶极子阵列均由一个馈电单元和一个寄生单元构成，且馈电单元包括两个长度相等的臂；寄生单元略短于馈电单元。调节寄生单元与馈电单元的间距使其构成反向电流对，在天线近场较大区域内产生强度强且较均匀的磁场，识别该区域的近场标签。基于叠加原理，共线摆放且等相位馈电的两个偶极子阵列可增强中间区域的近场磁场强度，通过调节偶极子阵列的间距，使得近场磁场均匀，拓展天线的识别区域；通过调节两个偶极子阵列的馈电相位差，实现识别区域的可重构。
Description
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种识别区域可重构的UHF近场RFID阅读器天线。
背景技术
近场射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)系统基于磁场耦合且工作在低频(Low Frequency，LF)或高频(High Frequency，HF)频段，不易受标签所处的环境影响，但其识别距离受限且阅读速率低；远场RFID系统一般采用特高频(Ultra HighFrequency，UHF)或微波(MicroWave，MW)频段，其阅读速率高、识别距离远，但易受阅读器标签的环境影响。综合近远场的优势，研究人员提出了UHF近场RFID系统，并广泛地应用于零售业、物流仓储以及医药管理等行业。阅读器天线作为系统的重要组成部分，它的性能在较大的程度上决定了整个系统性能。其中，识别区域是衡量阅读器天线性能的重要指标之一。
对传统的环形阅读器天线而言，当其工作在UHF频段时，环上电流出现反向，导致识别盲区的产生，从而大大减小了识别区域，因此如何拓展识别区域是近年来的一个研究热点。一般来说有如下三种方法：一是将电大尺寸的环天线进行分段，并在段与段之间加载集总或分布电容，实现环表面电流同向；二是两个或者四个偶极子组合成圆环或者方环的形式，并对偶极子等相位馈电，实现电流同向；以上这两种方法均能够拓展识别区域的面积，但仍然受限于环天线的周长尺寸，难以进一步拓展识别区域；三是构建反向电流对，增强在反向电流对之间的近场磁场，该方法结构简单，但识别区域较小。基于上述三种方法的阅读器天线的识别区域面积均难更进一步扩展，且区域固定不具备可重构性。因此，需要设计一款新型的UHF近场RFID阅读器天线，使其既能够拓展识别区域又能重构识别区域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种识别区域可重构的UHF近场RFID阅读器天线，通过调节两个同相馈电的偶极子阵列的间距来拓展识别区域；另外，通过调节两个偶极子阵列的馈电相位差来实现识别区域的重构。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提供的一种识别区域可重构的UHF近场RFID阅读器天线，包括介质板和金属层。金属层刻蚀在介质板的上表面，馈电端子位于介质板的下表面。金属层包括第一偶极子阵列和第二偶极子阵列，第一偶极子阵列包括第一馈电单元和第一寄生单元，第二偶极子阵列包括第二馈电单元和第二寄生单元；其中，第一馈电单元包括第一臂和第二臂，第二馈电单元包括第三臂和第四臂。第一臂、第二臂、第三臂和第四臂共线且长度相等；任意一臂的长度为四分之一波长，UHF频段为860～960MHz，此处波长为915MHz对应的波长。第一寄生单元和第二寄生单元共线且长度相等；任意一个寄生单元的长度均小于任意一个馈电单元。通过调节寄生单元与馈电单元的间距使其构成反向电流对，从而在天线近场较大区域内产生强度强且较均匀的磁场，识别位于该区域的近场标签。基于叠加原理，共线摆放且等相位馈电的两个偶极子阵列可增强中间区域的近场磁场强度，通过调节偶极子阵列的间距，使得近场磁场均匀，拓展天线的识别区域；通过调节第一偶极子阵列和第二偶极子阵列的馈电相位差，共线摆放的偶极子阵列就能够产生可重构的识别区域。
本发明所提供的一种识别区域可重构的UHF近场RFID阅读器天线和现有的阅读器天线相比，有益效果在于：
(1)提供了一种新型的阅读器天线，打破了已有阅读器天线识别区域不可重构的局限。
(2)通过调节馈电单元与寄生单元的间距，使任意一个偶极子阵列均能够构成反向电流对，从而在天线近场较大区域内产生强度强且较均匀的磁场，识别位于该区域的近场标签；同时，基于叠加原理，通过调节两个同相馈电的偶极子阵列的间距来拓展近场识别区域。
(3)偶极子阵列的馈电相位差决定了识别区域的分布，实现识别区域的可重构。
(4)结构简单紧凑，便于加工制作。
附图说明
图1为本发明提出的识别区域可重构的UHF近场RFID阅读器天线的三维示意图。
图2为本发明提出的识别区域可重构的UHF近场RFID阅读器天线的设计参数标注图。
图3为本发明所提出的识别区域可重构的UHF近场RFID阅读器天线任意一个偶极子阵列的回波损耗(S11)及插入损耗(S21)的仿真结果图。
图4为本发明所提出的识别区域可重构的UHF近场RFID阅读器天线任意一个偶极子阵列馈电端口的正上方50mm处的磁场z分量|Hz|沿着y轴的分布图。
图5为本发明所提出的识别区域可重构的UHF近场RFID阅读器天线正上方50mm处的磁场z分量|Hz|沿着线x＝25mm(即偶极子阵列中两单元中间的正上方)的|Hz|分布图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提供的一种识别区域可重构的UHF近场RFID阅读器天线实施进行具体说明：
本发明所提出的一种识别区域可重构的UHF近场RFID阅读器天线如图1所示，包括介质板1和金属层。金属层刻蚀在介质板的上表面，馈电端子位于介质板的下表面。金属层包括第一偶极子阵列2和第二偶极子阵列3。第一偶极子阵2列包括第一馈电单元和第一寄生单元2c；第二偶极子阵3列包括第二馈电单元和第二寄生单元3c。第一馈电单元包括第一臂2a和第二臂2b；第二馈电单元包括第三臂3a和第四臂3b。第一臂2a、第二臂2b、第三臂3a和第四臂3b长度相等且共线。第一寄生单元2c和第二寄生单元3c长度相等且共线。
如图2所示，介质板1的长、宽和高分别为L、W和h，两个偶极子阵列结构完全相同，沿着y轴摆放的馈电单元单臂长为l1，馈电端子的馈电点间距为fed，寄生单元线长为l2，馈电单元和寄生单元的线宽均为w且间距为d1，两个偶极子阵列的间距为d2。
本发明所提出的一种识别区域可重构的UHF近场RFID阅读器天线，工作频率为920MHz，其介质板的介电常数为4.4，介质板的长、宽和高分别为L＝330mm、W＝80mm和h＝1.6mm。对任意一个偶极子阵列，馈电单元的单臂长为l1＝75mm，馈电单元两臂之间的间距为fed＝1mm，寄生单元的长度为l2＝140mm，馈电单元和寄生单元的线宽均为w＝5mm，馈电单元与寄生单元的间距d1＝40mm。同时，第一偶极子阵列与第二偶极子阵列的间距d2＝4mm。
图3是使用软件HFSS得到的具有上述参数和尺寸的本发明提出的阅读器天线中任意一个偶极子阵列的反射系数及传输系数的仿真结果图。由于两个偶极子阵列具有相同的结构，馈电相位并不会影响各自的传输系数及它们之间的传输系数。从图3中可以看出，该阅读器天线的-10dB的工作频率带宽约为70MHz(870MHz～940MHz)，此带宽涵盖了联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)的UHF近场RFID频段的规范要求(902MHz～926MHz)。另外，对于任意一个偶极子阵列馈电端正上方沿着y轴方向的近场磁场分量(|Hz|)，其分布具有相同的趋势，因此，图4仅给出了相位差为0°时的其中一个偶极子阵列馈电端正上方50mm处的磁场z分量|Hz|分布，从图中可以看出，由于任意一个偶极子阵列的两个单元构成了反向电流对，其中间位置的磁场强度得到了增强。
为了验证本发明的近场识别区域的可重构性，图5给出了阅读器天线正上方50mm处的磁场z分量|Hz|沿着线x＝25mm(即偶极子阵列中两单元中间的正上方)的|Hz|分布图。从图5可以看出，当相位差为0°时即相同相位时，在-90mm≤x≤250mm的范围内，|Hz|的强度均大于-20dBA/m，这意味着在沿着x轴340mm的范围内，近场磁场强度相对强且均匀。当相位差为90°时，在-120mm≤x≤100mm的范围内(即偏向其中一个偶极子阵列方向)，|Hz|的强度均大于-20dBA/m，这表明在沿着x轴220mm的范围内，近场磁场强度相对强且均匀。当相位差为180°时，在-110mm≤x≤60mm和100mm≤x≤270mm的范围内，|Hz|的强度均大于-20dBA/m，这意味着近场识别区域被划分为两个相对独立的区域。通过分析上述典型相位差情况下的|Hz|分布，可以发现近场识别区域可以通过调节馈电相位差实现拓展、偏向一侧或双峰，从而达到可重构的目的。
Claims (1)
1.一种识别区域可重构的UHF近场RFID阅读器天线，其特征在于，包括介质板和金属层，所述金属层刻蚀在介质板的上表面；所述金属层由第一偶极子阵列(2)和第二偶极子阵列(3)组成；
所述第一偶极子阵列(2)包括第一馈电单元和第一寄生单元(2c)；第一馈电单元包括第一臂(2a)和第二臂(2b)；第一臂(2a)与第二臂(2b)共线且长度相等；第一馈电单元与第一寄生单元(2c)相互平行；
所述第二偶极子阵列(3)包括第二馈电单元和第二寄生单元(3c)；第二馈电单元包括第三臂(3a)和第四臂(3b)；第三臂(3a)与第四臂(3b)共线且长度相等；第二馈电单元与第二寄生单元(3c)相互平行；
所述第一偶极子阵列(2)与第二偶极子阵列(3)共线；第一臂(2a)、第二臂(2b)、第三臂(3a)和第四臂(3b)共线且长度相等；第一寄生单元和第二寄生单元共线且长度相等；
所述第一臂(2a)、第二臂(2b)、第三臂(3a)和第四臂(3b)长度均为四分之一波长；第一寄生单元的长度小于第一馈电单元的长度；第二寄生单元的长度小于第二馈电单元的长度；
通过调节两个同相馈电的第一偶极子阵列(2)和第二偶极子阵列(3)的间距，使得近场磁场均匀，从而拓展天线的识别区域；
通过调节所述的第一偶极子阵列(2)和第二偶极子阵列(3)的馈电相位差，实现识别区域的可重构。
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