CN113690568A - 一种用于uhf频段近场rfid读写器的螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，包括基板（1）、馈电接头（2）、同轴线、以及至少两组天线负载系统；其中，基于由基板（1）上表面中心位置以螺旋走线向外延伸的各天线（3），通过在天线（3）上方产生强、且具有多种极化的均匀的UHF频段的近场磁场，来激励标签并进行读写，各天线（3）既作为辐射单元，又作为功分，并且配合对应负载，获得阻抗匹配作用，能够在螺旋走线各天线（3）上存在多次反射的情况下，避免馈电接头（2）的反射，提高天线产生的磁场强度，设计馈电接头（2）偏离整个结构中心位置，能够消除结构中心处的零点，综合提高了实际读写工作效率。

Description

一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线

技术领域

本发明涉及一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，属于射频天线技术领域。

背景技术

UHF频段的RFID读写系统可以分为两类：“远场”和“近场”。远场RFID使用电磁辐射，场强与距离的一次方成反比，衰减较慢，因此读写距离较远，可达10米以上。其缺点有：1）电磁辐射受介质和导体（比如水）的影响很大，在液体环境中无法工作。2） 场强衰减慢导致难以控制读写区域，容易误读到远处不需要读写的标签。近场RFID使用电场耦合或者磁场耦合，场强与距离的三次方成反比，衰减较快，因此读写距离近，不会误读到远处的标签。其中，磁耦合使用磁场激励，因为磁场只会被高磁导率的介质影响，而日常生活中的材料一般不会有高磁导率，所以磁耦合可以在复杂环境中工作而不受介质（比如液体）的影响。

磁耦合天线的一个技术重点是要保证天线上的电流相位相同。因为电流在传播过程中相位会不断变化，如果不采取特殊措施，电流传播半个波长后，相位反相，产生的磁场就会相互抵消，影响读写系统的灵敏度。电小环天线最简单直接保证电流同相的方法是：使天线尺寸足够小，让电流在反相之前就进入负载，自然地避免了电流反相造成的磁场抵消，但是实际应用中，电小环天线受其原理限制，不能制作大尺寸天线，有效读写区域的尺寸一般在10x10cm以下。

微带螺旋天线上一端接馈电，另一端接负载，在天线上产生行波磁场。这种天线结构简单，易于设计。因为微带螺旋的总长度很长，这种天线各点电流不同相，产生的磁场会相互抵消。因此磁场随距离衰减极快，主要用于特别近距离的读写。但是实际应用中，微带螺旋天线的磁场衰减极快，基本只能用于标签紧贴在读写器上的应用，同时由于各点电流不同相，其产生的磁场的大小和方向十分复杂，在口径面上可能存在多个难以预测的磁场零点，实际应用中会降低读写成功率。

功分器可以在各端口输出相位相同的信号，使各个辐射单元上的电流同相，与电小环天线不同，这种方案中，电流同相不受天线尺寸的限制，因此既可以制作电小天线，可以制作尺寸更大的天线。但是实际使用功分器激励多个辐射单元的方案，由于需要功分器，结构比较复杂，设计和加工的成本都较高；同时辐射单元位于天线四周，天线中心处的面积没有得到充分利用，对其磁场强度和均匀程度不利。

零阶传输线在传输线上加入串联电容，使用电容的相移，抵消传播中自然的相移，来保证各点电流同相，主要用来制作大尺寸天线；但是实际应用中，零阶传输线的设计比较有技巧性，研发成本较高。同时其原理主要适用于大尺寸天线，应用于相对较小的天线虽然也可行，但没有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，采用全新结构设计，在天线上方产生强、且均匀的UHF频段的近场磁场，来激励标签并进行读写，能够有效提高实际工作效率。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，包括基板、馈电接头、同轴线、以及至少两组天线负载系统；

其中，各组天线负载系统的结构彼此相同，各组天线负载系统分别均包括天线、导电片、导电螺丝、以及负载；同组天线负载系统中的天线、导电片、导电螺丝、负载四者彼此对应；各组天线负载系统中的天线布设于基板的上表面，且各天线上的其中一端对接于基板上表面的中心位置，以及各天线上另一端分别以螺旋走线方式由基板上表面中心位置向外延伸，各天线的布设相对基板上表面中心位置呈中心对称；各组天线负载系统中的导电片分别经对应导电螺丝置于基板上表面，且各导电片分别与对应导电螺丝相接触，以及各导电螺丝分别接地；各组天线负载系统中负载上的两连接端分别连接对应导电片与对应导电螺丝；

馈电接头设置于基板上表面、相距表面中心位置预设大于0的距离的位置，且馈电接头与各天线上对应基板上表面中心位置的端部相对接，馈电接头上面向基板下表面方向的端部穿过基板，并经同轴线连接RFID读写器，其中同轴线的外导体接地，同轴线的内导体连接馈电接头。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括设置于所述基板下表面的导电接地板，且导电接地板向上覆盖各组天线负载系统中天线的整体设置区域。

作为本发明的一种优选技术方案：所述馈电接头上所连接的同轴线穿过导电接地板表面对接RFID读写器，且同轴线的外导体对接所述导电接地板，实现同轴线的外皮接地。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各组天线负载系统中的导电螺丝分别对接所述导电接地板，实现各导电螺丝分别接地。

作为本发明的一种优选技术方案：所述馈电接头为同轴探针馈电接头。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各组天线负载系统中的负载包括电阻或电容中的一种或多种。

作为本发明的一种优选技术方案：所述天线负载系统为四组。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各组天线负载系统中天线上以螺旋走线方式由基板上表面中心位置向外延伸的另一端分别对接于所述基板上表面的边缘。

本发明所述一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，采用全新结构设计，包括基板、馈电接头、同轴线、以及至少两组天线负载系统；其中，基于由基板上表面中心位置以螺旋走线向外延伸的各天线，通过在天线上方产生强、且具有多种极化的均匀的UHF频段的近场磁场，来激励标签并进行读写，各天线既作为辐射单元，又作为功分，并且配合对应负载元件取值、以及合理的螺旋形尺寸，获得阻抗匹配作用，能够在螺旋走线各天线上存在多次反射的情况下，避免馈电接头的反射，提高天线产生的磁场强度，应用中，设计馈电接头偏离整个结构中心位置，能够消除结构中心处的零点，以及设计整个天线区域覆盖其所在表面，可以提高磁场的强度以及均匀性，综合提高了实际读写工作效率。

附图说明

图1是本发明所设计用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线的3D结构示意图；

图2是本发明所设计用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线的俯视示意图；

图3a是本发明实施例中磁场强度随z方向变化（x=y=0）的近场磁场强度图；

图3b是本发明实施例中磁场强度随y方向变化（x=0）的近场磁场强度图；

图4是本发明实施例中S11曲线示意；

图5是本发明实施例中远场方向图 ZOY平面示意图。

其中，1. 基板，2. 馈电接头，3. 天线，4. 导电片，5. 导电螺丝，6. 导电接地板。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计了一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，实际应用当中，如图1、2所示，具体包括基板1、馈电接头2、同轴线、以及至少两组天线负载系统。

其中，各组天线负载系统的结构彼此相同，各组天线负载系统分别均包括天线3、导电片4、导电螺丝5、以及负载；同组天线负载系统中的天线3、导电片4、导电螺丝5、负载四者彼此对应；各组天线负载系统中的天线3布设于基板1的上表面，且各天线3上的其中一端对接于基板1上表面的中心位置，以及各天线3上另一端分别以螺旋走线方式由基板1上表面中心位置向外延伸，各天线3的布设相对基板1上表面中心位置呈中心对称；各组天线负载系统中的导电片4分别经对应导电螺丝5置于基板1上表面，且各导电片4分别与对应导电螺丝5相接触，以及各导电螺丝5分别接地；各组天线负载系统中负载上的两连接端分别连接对应导电片4与对应导电螺丝5。实际应用中，各组天线负载系统中的负载包括电阻或电容中的一种或多种，通过调整电阻和电容的取值，可以改变相应天线3的工作频率；各导电螺丝5具体选择金属螺丝，具体实施应用中，按图1、图2所示的四组天线负载系统应用中，这里负载具体使用260Ω电阻和0.9pF电容。

馈电接头2设置于基板1上表面、相距表面中心位置预设大于0的距离的位置，且馈电接头2与各天线3上对应基板1上表面中心位置的端部相对接，馈电接头2上面向基板1下表面方向的端部穿过基板1，并经同轴线连接RFID读写器，其中同轴线的外导体接地，同轴线的内导体连接馈电接头2，这里馈电接头2在基板1上非中心位置的设置设计，可以削弱整体结构正中心的零点。

基于上述所设计用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线的基础技术方案，进一步设计了如下优选技术方案：设计还包括设置于所述基板1下表面的导电接地板6，且导电接地板6向上覆盖各组天线负载系统中天线3的整体设置区域。

基于导电接地板6的设计应用，进一步设计馈电接头2上所连接的同轴线穿过导电接地板6表面对接RFID读写器，且同轴线的外导体对接所述导电接地板6，实现同轴线的外皮接地；同时将各组天线负载系统中的导电螺丝5分别对接所述导电接地板6，实现各导电螺丝5分别接地。

上述技术方案应用于实际当中时，具体设计馈电接头2，应用同轴探针馈电接头，其阻抗为标准的50Ω；关于天线负载系统的应用，具体选择四组天线负载系统进行实施，并且设计各组天线负载系统中天线3上以螺旋走线方式由基板1上表面中心位置向外延伸的另一端分别对接于所述基板1上表面的边缘。

将上述所设计用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线对应图1、2所示的四臂螺旋形天线3，应用于实际应用当中，诸如W1=100mm，W2=12.5mm，D1=11.25mm，D2=9mm，具体实施中，包括如下几点。

1）四臂螺旋走线形天线作为辐射单元的原理：螺旋天线工作时，各天线3上会产生由馈电接头2向对应负载方向传播的行驻波电流，该行驻波电流的方向由各天线3螺旋走线的形状决定。在靠近基板1中心位置的部分，该行驻波电流主要是径向的（以图1中z轴为轴向），会在天线3上方激励起角向磁场，在靠近各天线3外围的部分，该行驻波电流主要是角向的，会在天线3上方激励起轴向磁场（沿z轴方向），这些磁场相叠加，即形成了所需的近场磁场辐射。

与一般语境中的螺旋天线不同，本发明中的天线基本只有近场磁场辐射，几乎不产生远场辐射，如图5所示，实施例的远场增益小于-10dBi。

上述所设计用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线在具体实施中，通过两种方式来提高磁场的强度和均匀性：第一种方式，利用阻抗失配产生的多次反射提高磁场强度，如图1和图2所示，实施例中的四臂螺旋形天线3，每一根臂相当于一根65Ω的微带线（具体实际应用中，不受这一具体的阻抗值的限制），而馈电接头2的50Ω经过四路功分之后，在每一根臂起点处的阻抗相当于200Ω，显著大于65Ω，同时连着260Ω+0.9pF负载，同样显著大于65Ω。这种阻抗失配会引起电流在馈电接头2和各负载之间多次反射产生行驻波，每一次反射都会对磁场强度产生一次贡献，起到提高磁场强度的效果。仿真表明这种多次反射的方案，与普通的无反射的方案相比，磁场强度可以提高到其2倍以上。

第二种方式，实施例中四臂螺旋形天线3可以均匀的覆盖在整个基板1表面，这充分的利用了天线3口径，提高了场的均匀性和强度。

2）天线匹配原理：如1）中所述，实施例中四臂螺旋与对应负载端、以及馈电接头2之间存在很显著的阻抗失配，但是如图4所示，馈电接头2并没有出现明显的反射，这是因为每一根臂从馈电接头2到负载的总长度大约为半波长，由传输线理论可知，阻抗经过半波长传输线不会发生变化。故从馈电接头2看的阻抗约等于负载阻抗，即260Ω+0.9pF，这与馈电接头2经过四路功分后的200Ω大致相当。为了补偿实际中臂的长度与半波长的差别，负载与馈电端的阻抗没有取完全相同的值。因此尽管四臂螺旋天线3上存在电流的多次反射，这些反射并不会表现在馈电接头2上。

3）馈电点偏置消除天线中心的零点，如图1和图2所示，馈电接头2并没有放置在基板1的正中心位置，而是略微偏向y方向，这是为了消除螺旋天线中心表面处的零点。如果馈电接头2在螺旋天线的正中心位置，则径向电流产生的角向磁场，在正中心位置会相互抵消，中心位置的场强为零；而角向电流产生的轴向磁场，因为“良导体表面不能存在法向磁场”的边界条件，中心位置的表面场强同样为零。即螺旋天线正中心位置的表面处会存在磁场零点，可能无法读取螺旋天线正中心表面处的标签。

馈电接头2偏置后，会产生一个由馈电接头2向螺旋天线中心位置的电流分量（-y方向），这个电流会在天线上方产生-x方向的磁场，填补螺旋天线中心位置表面处的磁场零点，提高读写成功率。如图3中仿真结果表明，这一做法可以把这里零点从理论上的-∞dBA/m，提高到约-10dBA/m。

上述技术方案所设计用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，采用全新结构设计，包括基板1、馈电接头2、同轴线、以及至少两组天线负载系统；其中，基于由基板1上表面中心位置以螺旋走线向外延伸的各天线3，通过在天线3上方产生强、且具有多种极化的均匀的UHF频段的近场磁场，来激励标签并进行读写，各天线3既作为辐射单元，又作为功分，并且配合对应负载元件取值、以及合理的螺旋形尺寸，获得阻抗匹配作用，能够在螺旋走线各天线3上存在多次反射的情况下，避免馈电接头2的反射，提高天线产生的磁场强度，应用中，设计馈电接头2偏离整个结构中心位置，能够消除结构中心处的零点，以及设计整个天线区域覆盖其所在表面，可以提高磁场的强度以及均匀性，综合提高了实际读写工作效率。

下面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，其特征在于：包括基板（1）、馈电接头（2）、同轴线、以及至少两组天线负载系统；

其中，各组天线负载系统的结构彼此相同，各组天线负载系统分别均包括天线（3）、导电片（4）、导电螺丝（5）、以及负载；同组天线负载系统中的天线（3）、导电片（4）、导电螺丝（5）、负载四者彼此对应；各组天线负载系统中的天线（3）布设于基板（1）的上表面，且各天线（3）上的其中一端对接于基板（1）上表面的中心位置，以及各天线（3）上另一端分别以螺旋走线方式由基板（1）上表面中心位置向外延伸，各天线（3）的布设相对基板（1）上表面中心位置呈中心对称；各组天线负载系统中的导电片（4）分别经对应导电螺丝（5）置于基板（1）上表面，且各导电片（4）分别与对应导电螺丝（5）相接触，以及各导电螺丝（5）分别接地；各组天线负载系统中负载上的两连接端分别连接对应导电片（4）与对应导电螺丝（5）；

馈电接头（2）设置于基板（1）上表面、相距表面中心位置预设大于0的距离的位置，且馈电接头（2）与各天线（3）上对应基板（1）上表面中心位置的端部相对接，馈电接头（2）上面向基板（1）下表面方向的端部穿过基板（1），并经同轴线连接RFID读写器，其中同轴线的外导体接地，同轴线的内导体连接馈电接头（2）。

2.根据权利要求1所述一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，其特征在于：还包括设置于所述基板（1）下表面的导电接地板（6），且导电接地板（6）向上覆盖各组天线负载系统中天线（3）的整体设置区域。

3.根据权利要求2所述一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，其特征在于：所述馈电接头（2）上所连接的同轴线穿过导电接地板（6）表面对接RFID读写器，且同轴线的外导体对接所述导电接地板（6），实现同轴线的外皮接地。

4.根据权利要求2所述一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，其特征在于：所述各组天线负载系统中的导电螺丝（5）分别对接所述导电接地板（6），实现各导电螺丝（5）分别接地。

5.根据权利要求1至4中任意一项一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，其特征在于：所述馈电接头（2）为同轴探针馈电接头。

6.根据权利要求1至4中任意一项一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，其特征在于：所述各组天线负载系统中的负载包括电阻或电容中的一种或多种。

7.根据权利要求1至4中任意一项一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，其特征在于：所述天线负载系统为四组。

8.根据权利要求1至4中任意一项一种用于UHF频段近场RFID读写器的螺旋天线，其特征在于：所述各组天线负载系统中天线（3）上以螺旋走线方式由基板（1）上表面中心位置向外延伸的另一端分别对接于所述基板（1）上表面的边缘。

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