CN112701449A - 一种低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，采用单层长方形FR4介质平面介质板来形成天线。平面介质板上表面分别设计有金属偶极子天线，其中部呈开口圆弧形。平面介质板上表面中部设计有无线射频识别芯片天线接口，其连接一环形线圈。底层和顶层的金属偶极子天线通过平面介质板中部的单开口金属圆环形耦合结构、双开口金属圆环形耦合结构与单开口金属环形耦合馈电环进行耦合，可以达到与915MHz的超高频无线射频识别芯片的良好匹配与大带宽。与此同时，通过调整电流路径，使位于平面介质板底层的两个金属偶极子天线臂和顶层底层的两个金属偶极子天线臂上的辐射电场相长，使其以极低的剖面与长度实现了该标签天线的高增益，且带宽可以宽达550MHz。

Description

一种低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线
技术领域
本发明涉及无线射频识别技术领域，特别是涉及一种低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线。
背景技术
无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)，是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体(电子标签或射频卡)进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的，其被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一。
无线射频识别技术通过无线电波不接触快速信息交换和存储技术，通过无线通信结合数据访问技术，然后连接数据库系统，加以实现非接触式的双向通信，从而达到了识别的目的，用于数据交换，串联起一个极其复杂的系统。
作为物联网数据交互的关键技术，无线射频识别技术RFID是目前已经广泛用于物品的标志与识别。当前RFID的发展方向主要有远距离数据识别通信，复杂环境下的识别通信，无源有源传感识别通信。
RFID系统中，充当电磁波收发作用的天线起着举足轻重的作用。对于放置于物品上进行标注识别的标签，其标签天线通常需要与射频识别芯片进行阻抗匹配。但是，射频识别芯片的阻抗通常不是标准的50欧，其增加了天线匹配设计的难度。目前使用的标签天线大部分为偶极子弯折线天线。但随着物联网时代的到来，RFID应用的不断深化，对高增益的，稳定性好，易于扩展设计的标签天线提出了迫切的需求。金属偶极子天线作为最简单的天线受到人们青睐，单个金属偶极子天线其增益在2.14dB左右，难以满足人们的需求。在天线后加反射板可以提高天线增益，但是反射板需距离天线四分之一波长。对于工作在超高频的RFID天线，其厚度将达到10cm及以上。近年来学术界对于电磁带隙结构的研究可以提高天线增益，降低反射板与天线的距离，但是其结构与制作工艺都相对复杂。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，用于解决现有技术中超高频频段上的RFID标签天线的高增益，低剖面，阻抗调节问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，包括有：平面介质板，以及位于所述平面介质板上表面的单开口金属圆环形耦合结构、单开口金属环形耦合馈电环和双开口金属圆环形耦合结构；
所述单开口金属环形耦合馈电环内嵌于所述单开口金属圆环形耦合结构中，且两者之间存在第一间距，所述第一间距的距离值可以调节；
所述双开口金属圆环形耦合结构内嵌于所述单开口金属圆环形耦合结构中，且两者之间存在第二间距，所述第二间距的距离值可以调节；
所述平面介质板的上表面上还设有两组相互平行的金属偶极子天线，其中一组金属偶极子天线与所述单开口金属圆环形耦合结构连接，另外一组金属偶极子天线与所述双开口金属圆环形耦合结构连接。
可选地，每组金属偶极子天线包括有两根金属偶极子天线臂；
所述单开口金属圆环形耦合结构具有一第一开口，所述第一开口的两侧分别连接一根金属偶极子天线臂；
所述双开口金属圆环形耦合结构具有一第二开口和一第三开口，所述第二开口的两侧延伸有两根平行的金属条，且每根金属条分别连接一根金属偶极子天线臂；所述第三开口的开口方向靠近或重叠所述第一开口的开口方向，或所述第三开口的开口方向靠近或重叠所述单开口金属环形耦合馈电环的开口方向。
可选地，所述单开口金属环形耦合馈电环、所述单开口金属圆环形耦合结构以及与所述单开口金属圆环形耦合结构连接的两根金属偶极子天线臂共同在平面介质板的上表面形成一层结构，记为顶层结构；
所述双开口金属圆环形耦合结构以及与所述双开口金属圆环形耦合结构连接的两根金属偶极子天线臂在平面介质板的上表面形成一层结构，记为底层结构；且，所述顶层结构位于所述底层结构上。
可选地，所述单开口金属环形耦合馈电环具有一第四开口，所述第四开口的开口处连接有两根平行的方形金属条，且两根平行的方形金属条与所述单开口金属环形耦合馈电环配合形成无线射频识别芯片焊接端口。
可选地，所述第一间距的距离值小于所述第二间距的距离值；所述第一间距为0.5mm，所述第二间距为0.65mm。
可选地，所述平面介质板为FR4；所述平面介质板的介电常数为4.4，厚度为1mm，长度为196mm，宽度为28.25mm。
可选地，所述单开口金属圆环形耦合结构的内圆半径为8.5mm，外圆半径为10.5mm；所述双开口金属圆环形耦合结构的内圆半径为4.92mm，外圆半径为5.85mm。
可选地，所述单开口金属环形耦合馈电环的内圆半径为6.5mm，外圆半径为8mm。
可选地，所述单开口金属环形耦合馈电环的开口宽度为1.6mm；所述双开口金属圆环形耦合结构的开口宽度为4mm；所述单开口金属圆环形耦合结构的开口宽度为4mm。
可选地，所述金属偶极子天线由金属铜片形成；与所述单开口金属圆环形耦合结构连接的任意一根金属偶极子天线臂长95.5mm，宽2mm；与所述双开口金属圆环形耦合结构连接的任意一根金属偶极子天线臂长95mm，宽2.25mm。
如上所述，本发明提供一种低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，具有以下有益效果：本发明采用环形嵌套共馈电的方式，增大了带宽，使其工作性能更加稳定；本发明中的天线由两个金属偶极子天线构成，在低剖面的情况下能够实现高增益；本发明中的环形馈电结构阻抗易于调节，使其与各种阻抗的射频识别芯片容易匹配。本发明通过增加耦合馈电环或者环形馈电结构的宽度，可以使其感抗增加；通过扩大耦合馈电环和环形馈电结构的间距，可以使其容抗增加。
附图说明
图1为本发明的天线主体的示意图；
图2为双开口金属圆环形耦合结构的示意图；
图3为单开口金属圆环形耦合结构与单开口环形馈电环的示意图；
图4为本发明中的S参数仿真图；
图5为本发明中的H面辐射方向示意图；
图6为本发明中的E面辐射方向示意图。
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。
请参阅图1至图6所示，本发明提供一种低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，包括有平面介质板，平面介质板为FR4；平面介质板的介电常数为4.4，厚度为1mm，长度为196mm，宽度为28.25mm。
还包括有位于平面介质板上表面的单开口金属圆环形耦合结构、单开口金属环形耦合馈电环、双开口金属圆环形耦合结构和金属偶极子天线臂；所述单开口金属环形耦合馈电环内嵌于所述单开口金属圆环形耦合结构中，且两者之间存在第一间距；所述双开口金属圆环形耦合结构内嵌于所述单开口金属圆环形耦合结构中，且两者之间存在第二间距；其中，所述第一间距的距离值可以调节，所述第二间距的距离值可以调节；所述平面介质板的上表面还设有两组金属偶极子天线，且两组金属偶极子天线相互平行；其中一组金属偶极子天线与所述单开口金属圆环形耦合结构连接，另外一组金属偶极子天线与所述双开口金属圆环形耦合结构连接。
其中，每组金属偶极子天线包括两根金属偶极子天线臂；所述单开口金属圆环形耦合结构具有一个第一开口，所述第一开口的两侧分别连接一根金属偶极子天线臂。所述双开口金属圆环形耦合结构具有一个第二开口和一个第三开口，所述第二开口的两侧延伸有两根平行的金属条，且每根金属条分别连接一根金属偶极子天线臂；所述第三开口的开口方向靠近或重叠所述第一开口的开口方向，或所述第三开口的开口方向靠近或重叠所述单开口金属环形耦合馈电环的开口方向。双开口金属圆环形耦合结构中央下部开口延伸出的平行金属条宽1.5mm，长7.42mm。
在本申请实施例中，如图1至图3所示，单开口金属环形耦合馈电环、单开口金属圆环形耦合结构以及与单开口金属圆环形耦合结构连接的两根金属偶极子天线臂共同在平面介质板的上表面形成一层结构，记为顶层结构，并将对应的金属偶极子天线记为介质板顶层金属偶极子天线。双开口金属圆环形耦合结构以及与双开口金属圆环形耦合结构连接的两根金属偶极子天线臂在平面介质板的上表面形成一层结构，记为底层结构，并将对应的金属偶极子天线记为介质板底层金属偶极子天线。
平面介质板上表面中部设计有无线射频识别芯片天线接口，其连接一开口环形线圈。上下两层金属偶极子天线通过中部的单开口金属圆环形耦合结构、双开口圆环形结构与单开口环形线圈耦合，达到与915MHz的超高频无线射频识别芯片的良好匹配与大带宽。与此同时，三个连续嵌套的耦合结构通过调整电流路径，使位于平面介质板上表面底层的两个金属偶极子天线臂和顶层的两个金属偶极子天线臂上的辐射电场相长，使其以极低的剖面与长度实现了该标签天线的高增益，且带宽可以宽达550MHz，完美覆盖了整个超高频频段(860MHz-960MHz)。作为示例，单开口金属环形耦合馈电环的开口处连接有两根平行的方形金属条，且两根平行的方形金属条与单开口金属环形耦合馈电环配合形成无线射频识别芯片焊接端口。
本申请实施例中，第一间距和第二间距之间的距离值可以调节。作为示例，第一间距为0.5mm，第二间距为0.65mm。
在本发明中，以单开口耦合馈电环或单开口金属圆环形耦合结构的开口方向为上端。本发明中的平面介质板为FR4材料，其介电常数为4.4，厚度为1mm，长度196mm，宽度28.25mm。单开口耦合馈电环的内圆半径为6.5mm，外圆半径为8mm，单开口耦合馈电环中央上端开口宽度为1.6mm，其开口处纵向连接两平行长8mm，宽0.7mm方形金属条，即为芯片焊接端口。介质板上层金属偶极子天线，其由两根相同的左右延伸的金属铜片构成，单根金属铜片的长度为95.5mm，宽度为2mm，介质板上层金属偶极子天线与单开口金属圆环形耦合结构连接于开口处。单开口金属圆环形耦合结构的内圆半径为8.5mm，外圆半径为10.5mm，单开口金属圆环形耦合结构的开口方向为环形中央上部，开口宽度为4mm。单开口耦合馈电环内嵌于所述单开口环形耦合馈电结构中，它们之间的间距为0.5mm。介质板下层金属偶极子天线，其由两根相同的左右延伸的金属铜片构成，单根金属铜片的长度为95mm，宽度为2.25mm，介质板下层金属偶极子天线与双开口金属圆环形耦合结构中央下部开口延伸出的平行金属条相连接。双开口金属圆环形耦合结构中央下部开口延伸出的平行金属条宽度为1.5mm，长度为7.42mm。双开口金属圆环形耦合结构中央的开口宽4mm，双开口金属圆环形耦合结构的内圆半径为4.92mm，外圆半径为5.85mm。双开口金属圆环形耦合结构内嵌于单开口环形耦合馈电结构中，它们之间的间距为0.65mm。双开口金属圆环形耦合结构，单开口金属环形耦合馈电环与单开口金属圆环形耦合结构之间的嵌合的距离、嵌合形状以及环形结构粗细可以调节，从而可以调节与射频芯片之间的阻抗匹配，并调整电流路径，使同一组中的两根金属偶极子天线臂的电流可以流向同向，从而能够提高本发明中天线的增益。
本发明中的天线具有很好的宽带性能及较高的增益，图4至图6所示为本发明天线的S参数仿真图以及E面、H面辐射方向示意图。本发明中的天线阻抗易于调节，通过增加耦合馈电环或者环形馈电结构的宽度，可以使其感抗增加；通过扩大耦合馈电环和环形馈电结构的间距，可以使其容抗增加。
综上所述，本发明采用环形嵌套共馈电的方式，增大了带宽，使其工作性能更加稳定；本发明中的天线由两个金属偶极子天线构成，在低剖面的情况下能够实现高增益；本发明中的环形馈电结构阻抗易于调节，使其与各种阻抗的射频识别芯片容易匹配，实现远距离的无线射频识别。本发明中采用单层长方形FR4介质平面介质板来形成天线。平面介质板上表面分别设计有金属偶极子天线，其中部呈开口圆弧形。平面介质板上表面中部设计有无线射频识别芯片天线接口，其连接一环形线圈，即单开口金属环形耦合馈电环。底层的金属偶极子天线和顶层的金属偶极子天线通过平面介质板中部的单开口金属圆环形耦合结构、双开口金属圆环形耦合结构与单开口金属环形耦合馈电环进行耦合，可以达到与915MHz的超高频无线射频识别芯片的良好匹配与大带宽。与此同时，通过调整电流路径，使位于平面介质板底层的两个金属偶极子天线臂和顶层底层的两个金属偶极子天线臂上的辐射电场相长，使其以极低的剖面与长度实现了该标签天线的高增益，且带宽可以宽达550MHz。
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 (10)

1.一种低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，其特征在于，包括有平面介质板，以及位于所述平面介质板上表面的单开口金属圆环形耦合结构、单开口金属环形耦合馈电环和双开口金属圆环形耦合结构；
所述单开口金属环形耦合馈电环内嵌于所述单开口金属圆环形耦合结构中，且两者之间存在第一间距，所述第一间距的距离值可以调节；
所述双开口金属圆环形耦合结构内嵌于所述单开口金属圆环形耦合结构中，且两者之间存在第二间距，所述第二间距的距离值可以调节；
所述平面介质板的上表面上还设有两组相互平行的金属偶极子天线，其中一组金属偶极子天线与所述单开口金属圆环形耦合结构连接，另外一组金属偶极子天线与所述双开口金属圆环形耦合结构连接。
2.根据权利要求1所述的低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，其特征在于，每组金属偶极子天线包括有两根金属偶极子天线臂；
所述单开口金属圆环形耦合结构具有一第一开口，所述第一开口的两侧分别连接一根金属偶极子天线臂；
所述双开口金属圆环形耦合结构具有一第二开口和一第三开口，所述第二开口的两侧延伸有两根平行的金属条，且每根金属条分别连接一根金属偶极子天线臂；所述第三开口的开口方向靠近或重叠所述第一开口的开口方向，或所述第三开口的开口方向靠近或重叠所述单开口金属环形耦合馈电环的开口方向。
3.根据权利要求2所述的低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，其特征在于，所述单开口金属环形耦合馈电环、所述单开口金属圆环形耦合结构以及与所述单开口金属圆环形耦合结构连接的两根金属偶极子天线臂共同在平面介质板的上表面形成一层结构，记为顶层结构；
所述双开口金属圆环形耦合结构以及与所述双开口金属圆环形耦合结构连接的两根金属偶极子天线臂在平面介质板的上表面形成一层结构，记为底层结构；且所述顶层结构位于所述底层结构上。
4.根据权利要求1所述的低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，其特征在于，所述单开口金属环形耦合馈电环具有一第四开口，所述第四开口的开口处连接有两根平行的方形金属条，且两根平行的方形金属条与所述单开口金属环形耦合馈电环配合形成无线射频识别芯片焊接端口。
5.根据权利要求1所述的低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，其特征在于，所述第一间距的距离值小于所述第二间距的距离值；所述第一间距为0.5mm，所述第二间距为0.65mm。
6.根据权利要求1所述的低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，其特征在于，所述平面介质板为FR4；所述平面介质板的介电常数为4.4，厚度为1mm，长度为196mm，宽度为28.25mm。
7.根据权利要求1所述的低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，其特征在于，所述单开口金属圆环形耦合结构的内圆半径为8.5mm，外圆半径为10.5mm；所述双开口金属圆环形耦合结构的内圆半径为4.92mm，外圆半径为5.85mm。
8.根据权利要求1所述的低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，其特征在于，所述单开口金属环形耦合馈电环的内圆半径为6.5mm，外圆半径为8mm。
9.根据权利要求1所述的低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，其特征在于，所述单开口金属环形耦合馈电环的开口宽度为1.6mm；所述双开口金属圆环形耦合结构的开口宽度为4mm；所述单开口金属圆环形耦合结构的开口宽度为4mm。
10.根据权利要求2所述的低剖面的超高频高增益双偶极子标签天线，其特征在于，所述金属偶极子天线由金属铜片形成；与所述单开口金属圆环形耦合结构连接的任意一根金属偶极子天线臂长95.5mm，宽2mm；与所述双开口金属圆环形耦合结构连接的任意一根金属偶极子天线臂长95mm，宽2.25mm。
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