CN113131205A - 低旁瓣rfid天线及通信设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低旁瓣RFID天线及通信设备，在本发明所提供的低旁瓣RFID天线中，慢波传输线馈电网络基于多段级联的周期性枝节加载的慢波传输线段进行设计，在保持波导波长不变的情况下，仅仅通过对周期性枝节加载的慢波传输线段的枝节宽度进行调制就可以实现对慢波传输线段的特征阻抗的调节，从而能综合出满足所需旁瓣电平的道尔夫‑切比雪夫电流分布的馈电网络，能有效实现天线的低旁瓣、宽带化、紧凑化设计；该低旁瓣RFID天线还具有结构简单、低剖面、低损耗、易加工的优势，能借其低旁瓣、宽带化、紧凑化及结构简单等特点能够广泛地应用于现代无线通信系统中。

Description

低旁瓣RFID天线及通信设备
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种低旁瓣RFID天线及通信设备。
背景技术
高增益、低旁瓣性能的天线阵列是雷达、无线通信和射频识别(RFID)系统在强杂波和干扰环境下工作的重要组成部分。级联的周期性枝节加载的慢波传输线结构沿纵向排布，利用其慢波传输特性为电子元件的小型化带来了极大的方便，且馈电方式简单，辐射效率高。与传统的微带传输线馈电网络的串行馈电阵列相比，级联慢波传输线馈电网络避免了设计过程中的灵活度不高和级联阵列尺寸较大的问题。
但是，随着电子元器件小型化需求的提高，目前所报道的级联慢波传输线结构同样面临着设计灵活度低、阵列尺寸较大以及带宽较窄的问题，虽然通过引入多谐振辐射片、采用介质谐振器天线元件、或采用耦合馈电结构可以实现带宽的拓展，但设计复杂度都比较高。
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RFID天线，用于解决上述技术问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低旁瓣RFID天线，包括：
微带贴片天线阵列，包括多个等间隔呈直线排布的微带贴片阵元；
慢波传输线馈电网络，与所述微带贴片天线阵列并排设置且与所述微带贴片天线阵列相连，包括多段级联的周期性枝节加载的慢波传输线段，提供道尔夫-切比雪夫分布的激励电流。
可选地，相邻两个所述微带贴片阵元的间距为一个波导波长。
可选地，在相邻两个所述微带贴片阵元之间，所述慢波传输线馈电网络包括4段级联的四分之一波长慢波传输线段，且相邻两个所述微带贴片阵元中的一个所述微带贴片阵元与第一段所述四分之一波长慢波传输线段的首端连接、另一个所述微带贴片阵元与最后一段所述四分之一波长慢波传输线段的末端连接。
可选地，4段所述四分之一波长慢波传输线段的周期相同但特征阻抗不同。
可选地，所述四分之一波长慢波传输线段的特征阻抗与所述四分之一波长慢波传输线段的枝节宽度呈线性负相关，在保持所述波导波长不变的情况下，通过对所述四分之一慢波传输线段的枝节宽度进行调制即可实现对所述四分之一慢波传输线段特征阻抗的调节；对应调节公式如下：
Zi＝51.02-10.35*Wi；
其中，Zi表示所述四分之一波长慢波传输线段的特征阻抗，Wi表示所述四分之一波长慢波传输线段的枝节宽度。
可选地，所述慢波传输线馈电网络还包括两段半波长开路慢波传输线结构，两段所述半波长开路慢波传输线结构分别位于所述慢波传输线馈电网络的首端和末端，一段所述半波长开路慢波传输线结构与第一个所述微带贴片阵元连接、另一个所述半波长开路慢波传输线结构与最后一个所述微带贴片阵元连接，每段所述半波长开路慢波传输线结构包括两个级联的所述四分之一波长慢波传输线段。
可选地，所述慢波传输线馈电网络还包括过渡结构，所述过渡结构设置在所述慢波传输线馈电网络的中部；沿着所述慢波传输线馈电网络的两端到所述慢波传输线馈电网络的中部方向，所述过渡结构的枝节长度呈梯度收缩。
可选地，所述低旁瓣RFID天线还包括介质基板，所述介质基板具有相对设置的介质基板上表面和介质基板下表面，所述微带贴片天线阵列与所述慢波传输线馈电网络印制在所述介质基板上表面上。
可选地，所述低旁瓣RFID天线还包括：
金属地板，印制在所述介质基板下表面上；
同轴电缆线，其内导体与所述过渡结构连接，外导体与所述金属地板连接。
此外，为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种通信设备，其包括上述任意一项所述的低旁瓣RFID天线。
如上所述，本发明的低旁瓣RFID天线，具有以下有益效果：
慢波传输线馈电网络基于多段级联的周期性枝节加载的慢波传输线段进行设计，在保持波导波长不变的情况下，仅仅通过对周期性枝节加载的慢波传输线段的枝节宽度进行调制就可以实现对慢波传输线段的特征阻抗的调节，从而能综合出满足所需旁瓣电平的道尔夫-切比雪夫电流分布的馈电网络，能有效实现天线的低旁瓣、宽带化设计。
附图说明
图1显示为本发明实施例中低旁瓣RFID天线的俯视图。
图2显示为本发明实施例中低旁瓣RFID天线的侧视图。
图3显示为本发明实施例中低旁瓣RFID天线的反射系数(|S11|)随频率变化的曲线图及增益曲线图。
图4-图7显示为本发明实施例中低旁瓣RFID天线在4.4GHz、4.5GHz、4.6GHz、4.7GHz频点的增益随角度变化的曲线图。
附图标记说明
1 金属地板
2 介质基板
3 同轴电缆线
4 微带贴片天线阵列
5 慢波传输线馈电网络
5a、5a' 半波长开路慢波传输线结构
5b 过渡结构
具体实施方式
发明人研究发现，随着电子元器件小型化需求的日益提高，基于级联慢波传输线结构的天线的设计灵活度低、阵列尺寸较大以及带宽较窄的问题日益凸显。
基于此，本发明提出一种基于级联的周期性枝节加载的慢波传输线的微带贴片天线结构，仅仅通过对周期性枝节加载慢波传输线的枝节宽度进行调制就可以在保持波导波长不变的情况下实现对慢波传输线的特征阻抗的调节，从而综合出满足所需旁瓣电平的道尔夫-切比雪夫电流分布的馈电网络，以实现天线的低旁瓣、宽带化设计。
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。
请参阅图1至图7。需要说明的是，本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。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种低旁瓣RFID天线，其包括：
微带贴片天线阵列4，包括多个等间隔呈直线排布的微带贴片阵元；
慢波传输线馈电网络5，与微带贴片天线阵列4并排设置且与微带贴片天线阵列4相连，包括多段级联的周期性枝节加载的慢波传输线段，提供道尔夫-切比雪夫分布的激励电流。
可选地，如图1所示，在本发明的一个实施例中，微带贴片天线阵列4由十个大小完全相同的沿Y轴均匀排布的呈方形的微带贴片阵元组成，相邻两个微带贴片阵元的间距为一个波导波长λg；可选地，十个方形的微带贴片天线阵元的边长均为14.5mm～15mm(如14.9mm)，相邻两个微带贴片阵元的间距均为18mm～22mm(如20mm)。
详细地，如图1所示，慢波传输线馈电网络5由周期性枝节加载的慢波传输线段构成，慢波传输线馈电网络5关于X轴对称。
更详细地，在相邻两个微带贴片阵元之间，慢波传输线馈电网络5包括4段级联的四分之一波长慢波传输线段，且相邻两个微带贴片阵元中的一个微带贴片阵元与第一段四分之一波长慢波传输线段的首端连接、另一个微带贴片阵元与最后一段四分之一波长慢波传输线段的末端连接。如图1所示的特征阻抗分别为Z0、Z1、Z0、Z1的4段四分之一波长慢波传输线段(对应馈电电流为I2)，又如特征阻抗分别为Z0、Z2、Z0、Z2的4段四分之一波长慢波传输线段(对应馈电电流为I3)，还如特征阻抗分别为Z0、Z3、Z0、Z3的4段四分之一波长慢波传输线段(对应馈电电流为I4)，亦如特征阻抗分别为Z0、Z3、Z0、Z3的4段四分之一波长慢波传输线段(对应馈电电流为I5)。
其中，4段四分之一波长慢波传输线段的周期相同但特征阻抗不同。可以理解的是，在相邻两个微带贴片阵元之间，慢波传输线馈电网络5还可以包括其他段数的级联的慢波传输线段，如2段二分之一波长的慢波传输线段，在保证相邻两个微带贴片阵元之间级联的慢波传输线段的波长之和使得两个相邻阵元之间满足同相位分布，且特定的慢波传输线段满足特定的特征阻抗比以实现电流幅度比就行。
更详细地，如图1所示，慢波传输线馈电网络5还包括两段半波长开路慢波传输线结构，即如图1所示的半波长开路慢波传输线结构5a和5a’；半波长开路慢波传输线结构5a位于慢波传输线馈电网络5的首端，半波长开路慢波传输线结构5a’位于慢波传输线馈电网络5的末端，半波长开路慢波传输线结构5a与第一个微带贴片阵元连接、半波长开路慢波传输线结构5a’与最后一个微带贴片阵元连接；半波长开路慢波传输线结构5a和5a’包括两个级联的四分之一波长慢波传输线段。
其中，半波长开路慢波传输线结构5a和5a’用来截断射频电流，实现开路效果。
更详细地，如图1所示，慢波传输线馈电网络5还包括过渡结构5b，过渡结构5b设置在慢波传输线馈电网络5的中部；沿着慢波传输线馈电网络5的两端到慢波传输线馈电网络5的中部方向，过渡结构5b的枝节长度(沿X轴的尺寸)呈梯度收缩。通过设置在慢波传输线馈电网络5中部的过渡结构5b能实现阻抗匹配和波矢量匹配(对应馈电电流为I1)。
详细地，如图1及图2所示，该低旁瓣RFID天线还包括介质基板2，介质基板2具有相对设置的介质基板上表面和介质基板下表面，微带贴片天线阵列4与慢波传输线馈电网络5印制在介质基板上表面上。
可选地，介质基板2为单层介质基板，介质基板2呈矩形，长度l为208mm～215mm(如210mm)，宽度w为35mm～40mm(如40mm)，厚度为1mm～2mm(如1.524mm)。介质基板2采用型号为AD450的制作材料，其相对介电常数为4.7，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.0037。
详细地，如图2所示，该低旁瓣RFID天线还包括：
金属地板1，印制在介质基板下表面上；
同轴电缆线3，其内导体与过渡结构5b连接，外导体与金属地板2连接。
其中，金属地板1的尺寸与介质基板2的尺寸完全一致，如长度为208mm～215mm、宽度为35mm～40mm；金属地板1用来实现天线的定向辐射。
可选地，在本发明的一个实施例中，采用50欧姆的同轴电缆线3进行馈电。
更详细地，由于慢波传输线馈电网络5提供的是道尔夫-切比雪夫分布的激励电流，如-30dB旁瓣电平的道尔夫-切比雪夫激励电流，即微带贴片天线阵列4按旁瓣电平为-30dB的道尔夫-切比雪夫分布设计，则要求一侧的各个微带贴片阵元的馈电电流满足如下分布：
I1：I2：I3：I4：I5＝1：0.878：0.669：0.430：0.258；(1)
其中Ii表示第i个微带贴片阵元的激励电流。
将4段级联的四分之一波长传输线段等效为二端口网络，则每个传输线的特征阻抗和电流分布之间满足：
Figure BDA0002350104700000051
Zi表示四分之一波长传输线段的特征阻抗，则所对应的特征阻抗为：Z1＝0.937Z0，Z2＝0.873Z0，Z3＝0.802Z0，Z4＝0.775Z0。
再由
Zi＝f(Wi)；(3)
其中，Zi表示四分之一波长慢波传输线段的特征阻抗，Wi表示四分之一波长慢波传输线段的枝节宽度(沿Y轴的尺寸)。
由公式(3)所示的特征阻抗Zi与枝节宽度Wi的函数映射关系可知，在慢波传输线馈电网络5中，在保持波导波长λg不变的情况下，通过调制周期性加载的四分之一慢波传输线段的枝节宽度Wi即可实现-30dB旁瓣电平道尔夫-切比雪夫激励电流分布，从而为各个微带贴片阵元提供满足道尔夫-切比雪夫分布的激励电流。
可选地，在本发明的一个实施例中，Z0＝40欧姆，则Z1＝37.5欧姆，Z2＝34.9欧姆，Z3＝32.1欧姆，Z4＝31.0欧姆；可选地，四分之一波长慢波传输线段的特征阻抗Zi与四分之一波长慢波传输线段的枝节宽度W1(沿Y轴的尺寸)呈线性负相关，对应调节公式如下：
Zi＝51.02-10.35*Wi；
由上述分析可知，通过调节各慢波传输线段的枝节宽度Wi即可在慢波传输线馈电网络5中形成-30dB旁瓣电平道尔夫-切比雪夫激励电流分布，实现了天线的低旁瓣、宽带化、紧凑化设计。
完成上述初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS18.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如表1所示：
表1 本发明各参数最佳尺寸表
Figure BDA0002350104700000061
依照上述参数，使用HFSS18.0对所设计的低旁瓣RFID天线的S参数，辐射方向等特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：
如图3所示为本发明的反射系数(|S11|)曲线及增益曲线，当天线|S11|<-10dB时，本天线阻抗带宽范围为4.30GHz～4.74GHz，仿真结果显示在可用频带范围内增益范围为10.6dBi～11.7dBi，频带内增益浮动小于1.1dB。
如图4-图7所示为本发明的低旁瓣RFID天线在4.4GHz、4.5GHz、4.6GHz、4.7GHz频点处的增益随角度变化的曲线，仿真结果显示：在4.4GHz、4.5GHz、4.6GHz、4.7GHz频点处，该低旁瓣RFID天线均现出良好的边射辐射特性；其中，该低旁瓣RFID天线在工作频点4.5GHz处的旁瓣值低于-31dB，且在其余各频点均处，该低旁瓣RFID天线均呈现出良好的低旁瓣特性。
除此之外，该低旁瓣RFID天线还具有结构简单、低剖面、低损耗、易加工的优势。该低旁瓣RFID天线凭借其低旁瓣、宽带化、紧凑化及结构简单等特点能够广泛地应用于现代无线通信系统中。
此外，本发明还提供一种通信设备，其包括上述低旁瓣RFID天线，通过上述低瓣RFID天线能有效增强数据的收发信号。该通信设备的其他结构可参考现有技术，在此不再赘述。
综上所述，在本发明所提供的低旁瓣RFID天线及通信设备中，慢波传输线馈电网络基于多段级联的周期性枝节加载的慢波传输线段进行设计，在保持波导波长不变的情况下，仅仅通过对周期性枝节加载的慢波传输线段的枝节宽度进行调制就可以实现对慢波传输线段的特征阻抗的调节，从而能综合出满足所需旁瓣电平的道尔夫-切比雪夫电流分布的馈电网络，能有效实现天线的低旁瓣、宽带化、紧凑化设计；该低旁瓣RFID天线还具有结构简单、低剖面、低损耗、易加工的优势，能借其低旁瓣、宽带化、紧凑化及结构简单等特点能够广泛地应用于现代无线通信系统中。
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)

1.一种低旁瓣RFID天线，其特征在于，包括：
微带贴片天线阵列，包括多个等间隔呈直线排布的微带贴片阵元；
慢波传输线馈电网络，与所述微带贴片天线阵列并排设置且与所述微带贴片天线阵列相连，包括多段级联的周期性枝节加载的慢波传输线段，提供道尔夫-切比雪夫分布的激励电流。
2.根据权利要求1所述的低旁瓣RFID天线，其特征在于，相邻两个所述微带贴片阵元的间距为一个波导波长。
3.根据权利要求2所述的低旁瓣RFID天线，其特征在于，在相邻两个所述微带贴片阵元之间，所述慢波传输线馈电网络包括4段级联的四分之一波长慢波传输线段，且相邻两个所述微带贴片阵元中的一个所述微带贴片阵元与第一段所述四分之一波长慢波传输线段的首端连接、另一个所述微带贴片阵元与最后一段所述四分之一波长慢波传输线段的末端连接。
4.根据权利要求3所述的低旁瓣RFID天线，其特征在于，4段所述四分之一波长慢波传输线段的周期相同但特征阻抗不同。
5.根据权利要求4所述的低旁瓣RFID天线，其特征在于，所述四分之一波长慢波传输线段的特征阻抗与所述四分之一波长慢波传输线段的枝节宽度呈线性负相关，在保持所述波导波长不变的情况下，通过对所述四分之一慢波传输线段的枝节宽度进行调制即可实现对所述四分之一慢波传输线段特征阻抗的调节；对应调节公式如下：
Zi＝51.02-10.35*Wi；
其中，Zi表示所述四分之一波长慢波传输线段的特征阻抗，Wi表示所述四分之一波长慢波传输线段的枝节宽度。
6.根据权利要求5所述的低旁瓣RFID天线，其特征在于，所述慢波传输线馈电网络还包括两段半波长开路慢波传输线结构，两段所述半波长开路慢波传输线结构分别位于所述慢波传输线馈电网络的首端和末端，一段所述半波长开路慢波传输线结构与第一个所述微带贴片阵元连接、另一个所述半波长开路慢波传输线结构与最后一个所述微带贴片阵元连接，每段所述半波长开路慢波传输线结构包括两个级联的所述四分之一波长慢波传输线段。
7.根据权利要求6所述的低旁瓣RFID天线，其特征在于，所述慢波传输线馈电网络还包括过渡结构，所述过渡结构设置在所述慢波传输线馈电网络的中部；沿着所述慢波传输线馈电网络的两端到所述慢波传输线馈电网络的中部方向，所述过渡结构的枝节长度呈梯度收缩。
8.根据权利要求7所述的低旁瓣RFID天线，其特征在于，所述低旁瓣RFID天线还包括介质基板，所述介质基板具有相对设置的介质基板上表面和介质基板下表面，所述微带贴片天线阵列与所述慢波传输线馈电网络印制在所述介质基板上表面上。
9.根据权利要求8所述的低旁瓣RFID天线，其特征在于，所述低旁瓣RFID天线还包括：
金属地板，印制在所述介质基板下表面上；
同轴电缆线，其内导体与所述过渡结构连接，外导体与所述金属地板连接。
10.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任意一项所述的低旁瓣RFID天线。
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