CN112787072A - 一种uhf频段的矩形开槽圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线，所述天线为微带天线；所述天线的辐射贴片呈矩形，矩形辐射贴片的周沿处设有导电槽；当天线工作时，所述导电槽处的电流沿导电槽走向弯曲，以增加辐射贴片的有效长度并扩大天线的波瓣宽度；本发明采用辐射贴片四周开槽的设计，可增大天线增益，有效减少RFID串读。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其是一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线。
背景技术
天线是RFID系统中非常重要的关键部件，负责在读写器和标签之间进行射频信号收发，天线的性能关系到整个系统的工作效率。根据我国UHF频段射频技术应用标准，需设计天线的工作频率在902～928MHz。RFID标签天线一般为线极化，即垂直极化或者水平极化，线极化天线只能接收电场矢量与之平行的电磁波。同时，在实际应用中，电子标签的放置方位具有任意性，因此要求RFID读写器天线具有圆极化特性，以便与任意方向的标签天线进行通信。设计高增益天线在电子标签上可以用于远距离识别的应用中或者RFID系统定位。
在现有的所有天线设计中，大部分都需要提高天线的工作频带，使得天线的工作状态更加稳定，另外还要提高天线的增益或者拓展波束宽度，扩大天线的有效识别范围，在前两者的基础上，还要保证阻抗带宽和轴比带宽。但是在特殊的场合还需要考虑到天线的尺寸以及天线的方向。
目前圆极化天线研究成果中，有使用常规的方法在微带天线贴片上引入微扰，如引入切角形成圆极化波，有采用多馈点的方法，如在单个辐射单元上采用四点馈电技术，有效扩宽了阻抗带宽和轴比带宽，但单个天线受到增益值限制难以实现远距离工作。另外圆极化微带天线存在的主要缺陷是它的相对带宽、轴比带宽和增益不够高，这样的圆极化微带天线造成工作频率较窄，远距离难以识别标签，且读取标签数量较少。
本设计中的UHFRFID读写器天线解决了相对带宽、轴比带宽和增益不高，以及串读频发的缺陷。
本设计中的UHFRFID读写器天线主要从圆极化天线着手，更具有实用性。对于天线的工作频带，天线工作频带较宽，可使天线工作状态更加稳定。对于天线波束和天线增益而言，提高天线增益或者扩展波束宽度，可扩大天线有效识别范围，对于RFID系统的识别效率具有积极作用。
发明内容
本发明提出一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线，采用辐射贴片四周开槽的设计，可增大天线增益，有效减少RFID串读。
本发明采用以下技术方案。
一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线，所述天线为微带天线；所述天线的辐射贴片呈矩形，矩形辐射贴片的周沿处设有导电槽；当天线工作时，所述导电槽处的电流沿导电槽走向弯曲，以增加辐射贴片的有效长度并扩大天线的波瓣宽度。
所述天线的上部结构处自上而下设有辐射贴片、第二介质层；所述天线的下部结构处自上而下设有馈电层、第一介质层和地层；所述上部结构以绝缘支撑件支撑于下部结构上；所述馈电层以馈电探针与辐射贴片馈电点处的馈电圆盘相连。
所述第一介质层、第二介质层处设有可供馈电探针通过的馈电通孔；上部结构、下部结构之间为空气介质；所述馈电层的馈电端口处设有两个用于连接SMA转接线的矩形贴片。
所述绝缘支撑件包括以PA66成型的尼龙螺柱和尼龙螺丝。
所述导电槽为自上而下贯穿辐射贴片的通槽；所述导电槽的形状为矩形槽，所述矩形辐射贴片的矩形四边的中部均设有一个导电槽。
所述馈电圆盘为圆形金属电容片；所述馈电层包括功分器，馈电层的馈电方式是通过圆形金属电容片耦合馈电，以补偿馈电探针引起的电感。
所述功分器为威尔金森功分器；所述天线的输入端口为馈电层的馈电端口，即馈电层的功分器输入端口；输入端口接收的电磁波经功分器分送至两个功分器输出端口处形成输出信号；两个功分器输出端口的输出信号功率相近或相等，相位相差九十度；两个功分器输出端口的输出信号经两个圆形金属电容片耦合至辐射贴片，辐射至外部空间。
所述功分器以两条馈线分别与两根馈电探针相连；两个功分器输出端口之间设有用于增加馈线隔离度的电阻器件。
所述天线为用于UHF频段的RFID圆极化天线；所述馈电层的馈电点设于对称中心处，馈电点偏移对称中心2.5mm；
在UHF频段中，两馈电点在902MHz的相差90.65；在928MHz的相差是95.53；在中心频点915MHz的相位差是93.06；
馈电探针采用半径为0.6mm的紫铜柱；馈电圆盘采用半径3mm的圆形贴片；
所述第一介质层、第二介质层以FR-4材料成型，其介电常数为4.2，厚度均为1mm。
所述辐射贴片的长度为工作波长的二分之一，辐射贴片的尺寸计算方法为
其中c是光速，f是中心频率，εr是介质的介电常数；
其中
其中，h为介质厚度，εe为有效介电参数，w/h为微带宽高比。
本发明采用辐射贴片四周开槽的设计，可增大天线增益，有效减少RFID串读。
本发明通过在方形贴片的四周开槽使电流沿着开槽方向弯曲，增加天线贴片的有效长度，提高增益，能实现RFID天线的小型化。
本发明所述天线的识读方向在垂直上方的增益远大于水平方向上的增益，即天线更具有方向性，更具有防串读效果，在RFID识读过程中，不易被不在识读方向上的其它RFID标签信号干扰，即本发明通过强化RFID天线识读方向上的增益来形成RFID天线的防串读设计。
本次发明的天线在天线的水平面的增益较小，以减少读取标签的距离，防止串读情况。在天线的垂直面上方，增益较大，以增加读取标签的距离和读取标签的数量。这样子的增益变化使得圆极化天线具有固定的辐射方向，可以减少周边标签的串读发生。另外，本发明在回波损耗可以达到-30dB，且带宽和轴比较大，在天线性能上有显著的提升，更加适用于实际应用。。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的示意图；
附图2是本发明的分解示意图；
附图3是本发明的俯视向示意图；
附图4是馈电层的示意图；
附图5是本发明的仿真示意图；
图中：1－辐射贴片；2－馈电圆盘；3－导电槽；4－上部结构；5－下部结构；6－天线的输入端口；7－绝缘支撑件；9－馈电探针；10－第二介质层；11－馈电层；12－第一介质层；13－地层；14－矩形贴片；15－电阻器件；16－馈线。
具体实施方式
如图所示，一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线，所述天线为微带天线；所述天线的辐射贴片1呈矩形，矩形辐射贴片的周沿处设有导电槽3；当天线工作时，所述导电槽处的电流沿导电槽走向弯曲，以增加辐射贴片的有效长度并扩大天线的波瓣宽度。
所述天线的上部结构4处自上而下设有辐射贴片、第二介质层10；所述天线的下部结构5处自上而下设有馈电层11、第一介质层12和地层13；所述上部结构以绝缘支撑件7支撑于下部结构上；所述馈电层以馈电探针与辐射贴片馈电点处的馈电圆盘2相连。
所述第一介质层、第二介质层处设有可供馈电探针9通过的馈电通孔；上部结构、下部结构之间为空气介质；所述馈电层的馈电端口处设有两个用于连接SMA转接线的矩形贴片14。
所述绝缘支撑件包括以PA66成型的尼龙螺柱和尼龙螺丝。
所述导电槽为自上而下贯穿辐射贴片的通槽；所述导电槽的形状为矩形槽，所述矩形辐射贴片的矩形四边的中部均设有一个导电槽。
所述馈电圆盘为圆形金属电容片；所述馈电层包括功分器，馈电层的馈电方式是通过圆形金属电容片耦合馈电，以补偿馈电探针引起的电感。
所述功分器为威尔金森功分器；所述天线的输入端口6为馈电层的馈电端口，即馈电层的功分器输入端口；输入端口接收的电磁波经功分器分送至两个功分器输出端口处形成输出信号；两个功分器输出端口的输出信号功率相近或相等，相位相差九十度；两个功分器输出端口的输出信号经两个圆形金属电容片耦合至辐射贴片，辐射至外部空间。
所述功分器以两条馈线16分别与两根馈电探针相连；两个功分器输出端口之间设有用于增加馈线隔离度的电阻器件15。
所述天线为用于UHF频段的RFID圆极化天线；所述馈电层的馈电点设于对称中心处，馈电点偏移对称中心2.5mm；
在UHF频段中，两馈电点在902MHz的相差90.65；在928MHz的相差是95.53；在中心频点915MHz的相位差是93.06；
馈电探针采用半径为0.6mm的紫铜柱；馈电圆盘采用半径3mm的圆形贴片；
所述第一介质层、第二介质层以FR-4材料成型，其介电常数为4.2，厚度均为1mm。
所述辐射贴片的长度为工作波长的二分之一，辐射贴片的尺寸计算方法为
其中c是光速，f是中心频率，εr是介质的介电常数；
其中
其中，h为介质厚度，εe为有效介电参数，w/h为微带宽高比。
实施例：
本例中，贴片的长度在波长的二分之一左右，由于天线存在缩短效应，实际中的贴片尺寸会根据结构与介质层的变化有所变化。计算得贴片的尺寸为132mm，后优化调整为141mm；在该尺寸下天线导电槽的开槽的尺寸不宜过大，否则会降低效果，没有实际意义，本例中的导电槽选定6*9的尺寸。
本例中，馈电层采用一分二，两两相差90°的功分器，即采用正交馈电法来实现圆极化。
两条馈线的长度相差λ/4,使功分器两个输出端口的激励实现90°相移。λ＝c/f，其中c表示光速，f表示中心频率，计算：(299792458m/s)/(91500000000Hz)，得λ＝327.64mm对应的微带长度初值为40.96mm,优化值为40.9mm。
两馈线的隔离度必须满足一定的要求，否则两者之间会产生干扰，压制有用信号。为增加输出端口间隔离度，在两个输出端口之间添加一个电阻R，电阻阻值为100Ω。
本例中，天线的上层结构、下层结构之间以空气层结构分隔，分隔的间距影响3dB波瓣宽度和天线增益，辐射贴片与介质层的距离越近，能量将集中在腔体中，导致增益减小，综合考虑变量与性能的关系，最终得到参数值如下所示：
| 结构名 | 尺寸(mm) |
| 空气层厚度 | 6 |
| 贴片长度 | 147 |
| 介质层1厚度 | 1 |
| 介质层2厚度 | 1 |
| 开槽长度 | 6*9 |
| 馈电圆盘半径 | 3 |
| 馈电探针半径 | 0.6 |
Claims (10)
1.一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线，其特征在于：所述天线为微带天线；所述天线的辐射贴片呈矩形，矩形辐射贴片的周沿处设有导电槽；当天线工作时，所述导电槽处的电流沿导电槽走向弯曲，以增加辐射贴片的有效长度并扩大天线的波瓣宽度。
2.根据权利要求1所述的一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线，其特征在于：所述天线的上部结构处自上而下设有辐射贴片、第二介质层；所述天线的下部结构处自上而下设有馈电层、第一介质层和地层；所述上部结构以绝缘支撑件支撑于下部结构上；所述馈电层以馈电探针与辐射贴片馈电点处的馈电圆盘相连。
3.根据权利要求2所述的一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线，其特征在于：所述第一介质层、第二介质层处设有可供馈电探针通过的馈电通孔；上部结构、下部结构之间为空气介质；所述馈电层的馈电端口处设有两个用于连接SMA转接线的矩形贴片。
4.根据权利要求3所述的一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线，其特征在于：所述绝缘支撑件包括以PA66成型的尼龙螺柱和尼龙螺丝。
5.根据权利要求3所述的一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线，其特征在于：所述导电槽为自上而下贯穿辐射贴片的通槽；所述导电槽的形状为矩形槽，所述矩形辐射贴片的矩形四边的中部均设有一个导电槽。
6.根据权利要求3所述的一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线，其特征在于：所述馈电圆盘为圆形金属电容片；所述馈电层包括功分器，馈电层的馈电方式是通过圆形金属电容片耦合馈电，以补偿馈电探针引起的电感。
7.根据权利要求6所述的一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线，其特征在于：所述功分器为威尔金森功分器；所述天线的输入端口为馈电层的馈电端口，即馈电层的功分器输入端口；输入端口接收的电磁波经功分器分送至两个功分器输出端口处形成输出信号；两个功分器输出端口的输出信号功率相近或相等，相位相差九十度；两个功分器输出端口的输出信号经两个圆形金属电容片耦合至辐射贴片，辐射至外部空间。
8.根据权利要求7所述的一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线，其特征在于：所述功分器以两条馈线分别与两根馈电探针相连；两个功分器输出端口之间设有用于增加馈线隔离度的电阻器件。
9.根据权利要求7所述的一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线，其特征在于：所述天线为用于UHF频段的RFID圆极化天线；所述馈电层的馈电点设于对称中心处，馈电点偏移对称中心2.5mm；
在UHF频段中，两馈电点在902MHz的相差90.65；在928MHz的相差是95.53；在中心频点915MHz的相位差是93.06；
馈电探针采用半径为0.6mm的紫铜柱；馈电圆盘采用半径3mm的圆形贴片；
所述第一介质层、第二介质层以FR-4材料成型，其介电常数为4.2，厚度均为1mm。
10.根据权利要求1所述的一种UHF频段的矩形开槽圆极化天线，其特征在于：所述辐射贴片的长度为工作波长的二分之一，辐射贴片的尺寸计算方法为
其中c是光速，f是中心频率，εr是介质的介电常数；
其中
其中，h为介质厚度，εe为有效介电参数，w/h为微带宽高比。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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