CN113904094A - 一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线，包括依次层叠的金属地板、介质板和辐射层，还包括第一金属柱组；辐射层包括金属环、辐射器以及用于馈电的信号输入端；辐射器均位于金属环内且均匀分布在信号输入端周围；金属环通过所述第一金属柱组接地；第一金属柱组由间距为0＜R≤0.05λ的第一金属柱组成；辐射器由辐射强区和辐射弱区构成，辐射强区位于信号输入端与辐射弱区之间；辐射强区由蛇形延伸的第一微带构成；辐射弱区由第一集总元件、第二集总元件和蛇形延伸的第二微带构成，第二微带的两端分别通过第一集总元件、第二集总元件接地；信号输入端通过第一微带分别与第二微带、第一集总元件相接；相邻两辐射强区之间间隙宽度为0＜A≤0.05λ。

Description

一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是指一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线。

背景技术

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术飞速发展，已经广泛应用于各个领域，尤其是仓库管理、智能物流、无人零售、智能家居、智能可穿戴设备等行业。在各行业的实际应用中，RFID系统的工作环境越来越复杂，读写天线和电子标签也更加趋于小型化、轻量化和超薄化。在这样的环境中，要提高系统的读取速度和读取正确性，对RFID系统提出了更加高的要求。其中，读写天线是影响RFID系统性能的重要部件，天线的远近场分布对读取距离和读取区域的控制起到决定性作用，会影响到标签是否漏读和串读。因此，读写天线的设计十分重要。

一般来说，超高频RFID系统利用远场辐射和散射原理来实现，作用距离通常较远，读写器天线一般为圆极化天线，如文献“Q. Liu, et al., Compact 0.92/2.45-GH Dual-Band Directional Circularly Polarized Microstrip Antenna for Handheld RFIDReader Applications, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 63,no. 9, pp. 3849-3856, Sept. 2015”所描述的就是一种典型的RFID远场读写天线。对于这一类的天线而言，一般要求效率尽可能高，轴比尽可能低，轴比波宽尽可能宽，以便有足够宽的读取范围和足够远的读取距离。

近年来，随着智能物流和新零售等全新应用场景的涌现，超高频RFID近场读写系统逐渐被广泛应用。这类系统的读写天线一般采用近场天线，天线的辐射能量主要分布在近场区，远场区的能量非常小，因此，当标签放置近场区时，会感应到电磁波能量，激活标签上面的芯片，然后，把其中存储的数据信息发送给读写器，实现标签芯片与上位机的通信，而标签放在远场区不会被读到，避免了串读。与传统远场RFID系统相比，除了标签维持不变外，近场RFID读写系统对读写天线提出了全新的设计要求和设计挑战，主要体现在以下几方面：（1）正前方读取距离必须限定在特定距离内，既要避免串读到区域外的标签，也要保证区域内能的标签能被充分激活；（2）区域内场分布应尽量均匀，避免出现读写盲区；（3）区域边沿场分布应该快速衰减，避免误读邻区标签。这几点对天线设计来说，挑战是巨大的，因为均匀的场分布和陡峭的边沿衰减往往是一对矛盾。

目前市面上大多数近场天线都是微带漏波天线，利用微带线信号传输过程中泄露电磁波来感应和激活标签。但是，如果天线设计不合理，边沿感应场抑制不够，把天线口径外非目标标签也读取到，就会造成串读现象。此外，如果在天线规定口径范围内场强分布不均匀，就会出现盲点，导致标签漏读。市面上的近场天线大多存在着边沿控制差或者读取盲点较多的问题，少有看到可以同时解决这个两个问题的低成本近场天线。此外，市面上的微带近场天线大多是基于多层PCB板结构，天线辐射结构和馈电网络分布在不同层，这虽然降低了设计难度，但大幅度增加了天线成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：设计一种中间部位具有均匀的场分布、边沿场强陡峭衰减的无读写盲点的RFID近场天线。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线，包括依次层叠的金属地板、介质板和辐射层，还包括第一金属柱组；所述辐射层包括M个同心的金属环、N个辐射器以及用于向辐射器馈电的信号输入端；所述辐射器均匀分布在所述信号输入端周围；所述辐射器均位于所述金属环内；所述第一金属柱组的组数与所述金属环的数目匹配，所述金属环通过所述第一金属柱组与所述金属地板相接；所述第一金属柱组由贯穿介质板的间距为R的第一金属柱组成；所述辐射器由辐射强区和辐射弱区构成，所述辐射强区位于所述信号输入端与所述辐射弱区之间；所述辐射强区由蛇形延伸的第一微带构成；所述辐射弱区由第一集总元件、第二集总元件和蛇形延伸的第二微带构成，所述第二微带的两端分别通过第一集总元件、第二集总元件与所述金属地板连接；所述第一微带的一端与所述信号输入端相接，另一端与第一点相接；所述第一点为所述第二微带与所述第一集总元件的相交点；相邻两辐射强区之间的间隙宽度为A，近场天线的中心工作频率为λ，其中，N为自然数，M为自然数，2≤N≤10，M≥1，0＜R≤0.05λ，0＜A≤0.05λ。

进一步地，所述第一微带包括至少两段第一弯折部和至少两段第一弧形部，所述第一弯折部和所述第一弧形部交替连接；所述第一弧形部均为同心圆弧，相邻两第一弧形部之间的间距为B，其中，0.01λ≤B≤0.05λ。

进一步地，所述第二微带包括至少一段第二弯折部和至少一段第二弧形部；所述第二弧形部为与所述第一弧形部同心的圆弧，圆弧对应的圆心落在所述辐射层的中心部位；所述第一弧形部的弧长均小于等于与第一点相邻的所述第二弧形部的弧长；相邻的所述第二弧形部和所述第一弧形部之间的间距为C，其中，0.01λ≤C≤0.05λ。

进一步地，沿着功分网络指向第一点的方向，所述第一弧形部的弧长逐步增大。

进一步地，所述辐射强区的特征阻抗与所述辐射弱区的特征阻抗相等；所述第一微带的长度为D，宽度为d；所述第二微带的长度为E，宽度为e，其中，2λ≤D≤3λ，0.5mm≤d≤5mm，1.5λ≤E≤2.5λ，0.1mm≤e≤3mm。

进一步地，相邻两金属环之间的间隙为F，其中，2≤M≤5，0<F≤0.1λ。

进一步地，所述金属环由首尾相接的第三微带构成，所述第三微带的长度为a，宽度为b，其中，3λ≤a≤4λ，0.1mm≤b≤5mm。

进一步地，所述辐射层还包括功分网络，所述信号输入端位于所述功分网络上，所述辐射器均匀分布在所述功分网络四周，所述信号输入端通过所述功分网络与所述第一微带连接。

进一步地，N=4，所述功分网络为四功分网络，所述信号输入端位于所述辐射层的中心；所述四功分网络由一个第一威尔金森功分器和两个第二威尔金森功分器构成；所述第一威尔金森功分器设置有矩形微带，所述信号输入端通过所述矩形微带与所述第一威尔金森功分器连接；所述第一威尔金森功分器通过所述第二威尔金森功分器与所述第一微带连接；所述功分网络关于所述矩形微带呈镜像对称。

进一步地，还包括均贯穿所述介质板的第二金属柱和第三金属柱；所述第一集总元件通过所述第二金属柱与所述金属地板连接，所述第二集总元件通过所述第三金属柱与所述金属地板连接；所述金属环呈矩形状，所述第二集总元件位于所述金属环的直角旁；所述第一威尔金森功分器上设置有第一隔离电阻，所述第二威尔金森功分器上设置有第二隔离电阻；所述介质板的厚度为H，介电常数为ε，其中，0.4mm≤H≤3mm，4.2≤ε≤4.7。

本发明的有益效果在于：辐射强区位于辐射层中间部位，通过蛇形延伸的第一微带形成均匀的场分布；位于辐射层边缘的金属环与接地的第一金属柱组组合在一起，可以有效地阻隔表面波；通过接地的第一集总元件和第二集总元件，有效吸收第一微带末端的电流，使第二微带所形成的区域场强较弱；在金属环和辐射弱区的共同作用下，既不影响辐射层中间部位场强的均匀性，又使辐射层边缘的场强陡峭衰减。

附图说明

下面结合附图详述本发明的具体结构。

图1为本发明的一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线的俯视图；

图2为本发明的一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线层状结构示意图；

图3为本发明的一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线仰视图；

图4为本发明的一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线的端口反射系数仿真结果图；

图5为本发明的一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线的Phi=0°和Phi=90°的增益方向图；

图6为本发明的一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线的距离辐射层5mm高度的场强分布图；

图7为本发明的一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线的过辐射层中心的法向场强分布图；

其中，1-金属地板，2-介质板；3-辐射层，31-第一微带，32-第二微带，33-第一集总元件，34-第二集总元件，35-第一威尔金森功分器，351-第一隔离电阻，36-第二威尔金森功分器，361-第二隔离电阻，37-金属环；4-第一金属柱，5-第二金属柱，6-第三金属柱，7-信号输入端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1、图2以及图3，一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线，包括依次层叠的金属地板1、介质板2和辐射层3，还包括第一金属柱组；所述辐射层3包括M个同心的金属环37、N个辐射器以及用于向辐射器馈电的信号输入端7；所述辐射器均匀分布在所述信号输入端7周围；所述辐射器均位于所述金属环37内；所述第一金属柱组的组数与所述金属环37的数目匹配，所述金属环37通过所述第一金属柱组与所述金属地板1相接；所述第一金属柱组由贯穿介质板2的间距为R的第一金属柱4组成；所述辐射器由辐射强区和辐射弱区构成，所述辐射强区位于所述信号输入端7与所述辐射弱区之间；所述辐射强区由蛇形延伸的第一微带31构成；所述辐射弱区由第一集总元件33、第二集总元件34和蛇形延伸的第二微带32构成，所述第二微带32的两端分别通过第一集总元件33、第二集总元件34与所述金属地板1连接；所述第一微带31的一端与所述信号输入端7相接，另一端与第一点相接；所述第一点为所述第二微带32与所述第一集总元件33的相交点；相邻两辐射强区之间的间隙宽度为A，近场天线的中心工作频率为λ，其中，N为自然数，M为自然数，2≤N≤10，M≥1，0＜R≤0.05λ，0＜A≤0.05λ。

由于第二微带32距离信号输入端7较远且受接地的第一集总元件33和第二集总元件34影响，所以第一微带31上的电流较大，而第二微带32上的电流较小，从而分别形成了辐射强区和辐射弱区，即使得天线中间部位场强较强，边沿场强较弱，提高边沿控制效果。由于金属环37通过第一金属柱4接地，阻隔天线表面波，使得天线边沿场强快速衰减，提高边沿控制性能。

相邻两辐射强区之间的间隙保持一定宽度，使各个辐射强区之间场强不会被削弱，也令辐射层中间部位保持均匀的场强。

辐射强区位于辐射层3中间部位，通过蛇形延伸的第一微带31形成均匀的场分布；位于辐射层3边缘的金属环37与接地的第一金属柱组组合在一起，可以有效地阻隔表面波；通过接地的第一集总元件33和第二集总元件34，有效吸收第一微带31末端的电流，使第二微带32所形成的区域场强较弱；在金属环37和辐射弱区的共同作用下，既不影响辐射层3中间部位场强的均匀性，又使辐射层3边缘的场强陡峭衰减。故所形成的近场天线边缘控制好，没有读取盲点，不存在窜读或漏读问题。

实施例2

在上述结构基础上，所述第一微带31包括至少两段第一弯折部和至少两段第一弧形部，所述第一弯折部和所述第一弧形部交替连接；所述第一弧形部均为同心圆弧，相邻两第一弧形部之间的间距为B，其中，0.01λ≤B≤0.05λ。

由第一弯折部和第一弧形部交替连接形成的蛇形延伸的第一微带31，可以形成均匀的场强。

实施例3

在上述结构基础上，所述第二微带32包括至少一段第二弯折部和至少一段第二弧形部；所述第二弧形部为与所述第一弧形部同心的圆弧，圆弧对应的圆心落在所述辐射层3的中心部位；所述第一弧形部的弧长均小于等于与第一点相邻的所述第二弧形部的弧长；相邻的所述第二弧形部和所述第一弧形部之间的间距为C，其中，0.01λ≤C≤0.05λ。

位于辐射弱区的最靠近辐射强区的一段第二弧形部大于任一段第一弧形部，形成跨度较大的场强快速衰减的边沿，提高边沿控制性能。第一弧形部和第二弧形部对应的圆心位于辐射层3的中心部位，有利于在中间部位形成均匀分布场强、在边沿形成陡峭衰减的场强。

实施例4

在上述结构基础上，沿着功分网络指向第一点的方向，所述第一弧形部的弧长逐步增大，保证辐射强区形成更为均匀的场强。

实施例5

在上述结构基础上，所述辐射强区的特征阻抗与所述辐射弱区的特征阻抗相等，即第一微带31的特征阻抗等于第一集总元件33与第二微带32、第二集总元件34的并联阻抗。由于第一集总元件33和第二集总元件34主要用于吸收传输末端的电流，减少电流反射，进而提高阻抗匹配带宽。第一集总元件33和第二集总元件34主要用于阻抗匹配和电流吸收。所述第一微带31的长度为D，宽度为d；所述第二微带32的长度为E，宽度为e，其中，2λ≤D≤3λ，0.5mm≤d≤5mm，1.5λ≤E≤2.5λ，0.1mm≤e≤3mm。进一步优化场强的均匀性。

实施例6

在上述结构基础上，相邻两金属环37之间的间隙为F，其中，2≤M≤5，0<F≤0.1λ。进一步优化阻隔天线表面波的性能。

实施例7

在上述结构基础上，所述金属环37由首尾相接的第三微带构成，所述第三微带的长度为a，宽度为b，其中，3λ≤a≤4λ，0.1mm≤b≤5mm。进一步优化边沿控制性能。

实施例8

在上述结构基础上，所述辐射层3还包括功分网络，所述信号输入端7位于所述功分网络上，所述辐射器均匀分布在所述功分网络四周，所述信号输入端7通过所述功分网络与所述第一微带31连接。将功分网络设置在辐射层3，简化天线的层状结构，降低成本。功分网络向辐射器馈电的同时，也在其对应区域上形成均匀场强，保持天线中间部位场强的均匀性。第一弧形部和第二弧形部对应的圆心落在功分网络上。

实施例9

在上述结构基础上，N=4，所述功分网络为四功分网络，所述信号输入端7位于所述辐射层3的中心；所述四功分网络由一个第一威尔金森功分器35和两个第二威尔金森功分器36构成；所述第一威尔金森功分器35设置有矩形微带，所述信号输入端7通过所述矩形微带与所述第一威尔金森功分器35连接；所述第一威尔金森功分器35通过所述第二威尔金森功分器36与所述第一微带31连接；所述功分网络关于所述矩形微带呈镜像对称。通过第一威尔金森功分器35和第二威尔金森功分器36，形成四路等幅同相的信号，馈到四个扇形螺旋状的辐射器上。信号输入端7可以接入SMA连接器或同轴线缆。该四功分网络具有宽频带阻抗匹配特性，端口反射系数小，使得电磁能量有效、均匀辐射到近场区。

实施例10

在上述结构基础上，还包括均贯穿所述介质板2的第二金属柱5和第三金属柱6；所述第一集总元件33通过所述第二金属柱5与所述金属地板1连接，所述第二集总元件34通过所述第三金属柱6与所述金属地板1连接；所述金属环37呈矩形状，所述第二集总元件34位于所述金属环37的直角旁；所述第一威尔金森功分器35上设置有第一隔离电阻351，所述第二威尔金森功分器36上设置有第二隔离电阻361；所述介质板2的厚度为H，介电常数为ε，其中，0.4mm≤H≤3mm，4.2≤ε≤4.7。第一隔离电阻351和第二隔离电阻361可以有效吸收反射信号，使带宽变宽。

试验例

在上述实施例结构的基础上，采用FR4板材作为介质板2，大小为0.915λ×0.915λ；金属环37数目M=3，第一隔离电阻351和第二隔离电阻361均为100Ω，形成图1、图2结构的近场天线。

通过HFSS仿真得到902MHz～928MHz频段内对近场天线端口反射系数进行测试，测试结果小于-14.7dB，表明近场天线的端口阻抗匹配良好，仿真结果如图4所示。

图5为近场天线的Phi=0°和Phi=90°的增益方向图，从图5中可以看出，两个切面的方向图基本一样，天线正上方三维方向图对称性较好，电磁能量分布均匀。天线正上方的增益相对较大，边沿和后向增益相对较小，说明天线辐射的电磁能量大部分控制在天线的正上方，而天线边沿和后方的电磁能量很少。因此，靠近天线正上方的标签可以被读到，天线边沿和后方的标签不会被串读。天线的远场增益最大值30dB左右，说明远场区域的电磁能量很小，大部分电磁能量被控制在近场区域内，因此，距离天线面较远的标签也不会被读到。当周期平均场强约大于12dB时，标签可以被读到，场强小于12dB时，标签上面的芯片不能被激活。图6为距离近场天线辐射层5mm高度的场强分布图，从图6中可以看出，近场天线口径内场强较强，并且分布均匀，天线口径外急剧衰减，口径外区域，周期平均场强小于12dB，即口径外区域的标签很难被读到。

图7为过辐射层3中心的近场天线法向场强分布图，从图7中可以看出，随着高度增大，场强减弱，当高度达到17cm时，场强减弱到12dB左右，周期平均场强大于12dB的高度大概是0～15cm。通过近场天线的样件测试发现，本发明的近场天线的边沿控制约为0mm，读取高度约为15cm，验证了仿真与测试的一致性。

综上所述，本发明提供的一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线，在目标区域内场强分布均匀，目标区域外场强急剧衰减，边缘控制好，没有读取盲点，标签漏读率低，不存在窜读问题。

此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有陡峭边沿选择特性的近场天线，其特征在于，包括依次层叠的金属地板、介质板和辐射层，还包括第一金属柱组；

所述辐射层包括M个同心的金属环、N个辐射器以及用于向辐射器馈电的信号输入端；所述辐射器均匀分布在所述信号输入端周围；所述辐射器均位于所述金属环内；所述第一金属柱组的组数与所述金属环的数目匹配，所述金属环通过所述第一金属柱组与所述金属地板相接；所述第一金属柱组由贯穿介质板的间距为R的第一金属柱组成；

所述辐射器由辐射强区和辐射弱区构成，所述辐射强区位于所述信号输入端与所述辐射弱区之间；所述辐射强区由蛇形延伸的第一微带构成；所述辐射弱区由第一集总元件、第二集总元件和蛇形延伸的第二微带构成，所述第二微带的两端分别通过第一集总元件、第二集总元件与所述金属地板连接；所述第一微带的一端与所述信号输入端相接，另一端与第一点相接；所述第一点为所述第二微带与所述第一集总元件的相交点；

相邻两辐射强区之间的间隙宽度为A，近场天线的中心工作频率为λ，其中，N为自然数，M为自然数，2≤N≤10，M≥1，0＜R≤0.05λ，0＜A≤0.05λ。

2.如权利要求1所述的具有陡峭边沿选择特性的近场天线，其特征在于，所述第一微带包括至少两段第一弯折部和至少两段第一弧形部，所述第一弯折部和所述第一弧形部交替连接；所述第一弧形部均为同心圆弧，相邻两第一弧形部之间的间距为B，其中，0.01λ≤B≤0.05λ。

3.如权利要求2所述的具有陡峭边沿选择特性的近场天线，其特征在于，所述第二微带包括至少一段第二弯折部和至少一段第二弧形部；所述第二弧形部为与所述第一弧形部同心的圆弧，圆弧对应的圆心落在所述辐射层的中心部位；所述第一弧形部的弧长均小于等于与第一点相邻的所述第二弧形部的弧长；相邻的所述第二弧形部和所述第一弧形部之间的间距为C，其中，0.01λ≤C≤0.05λ。

4.如权利要求3所述的具有陡峭边沿选择特性的近场天线，其特征在于，沿着功分网络指向第一点的方向，所述第一弧形部的弧长逐步增大。

5.如权利要求4所述的具有陡峭边沿选择特性的近场天线，其特征在于，所述辐射强区的特征阻抗与所述辐射弱区的特征阻抗相等；所述第一微带的长度为D，宽度为d；所述第二微带的长度为E，宽度为e，其中，2λ≤D≤3λ，0.5mm≤d≤5mm，1.5λ≤E≤2.5λ，0.1mm≤e≤3mm。

6.如权利要求1至5任一所述的具有陡峭边沿选择特性的近场天线，其特征在于，相邻两金属环之间的间隙为F，其中，2≤M≤5，0<F≤0.1λ。

7.如权利要求6所述的具有陡峭边沿选择特性的近场天线，其特征在于，所述金属环由首尾相接的第三微带构成，所述第三微带的长度为a，宽度为b，其中，3λ≤a≤4λ，0.1mm≤b≤5mm。

8.如权利要求7所述的具有陡峭边沿选择特性的近场天线，其特征在于，所述辐射层还包括功分网络，所述信号输入端位于所述功分网络上，所述辐射器均匀分布在所述功分网络四周，所述信号输入端通过所述功分网络与所述第一微带连接。

9.如权利要求8所述的具有陡峭边沿选择特性的近场天线，其特征在于，N=4，所述功分网络为四功分网络，所述信号输入端位于所述辐射层的中心；所述四功分网络由一个第一威尔金森功分器和两个第二威尔金森功分器构成；所述第一威尔金森功分器设置有矩形微带，所述信号输入端通过所述矩形微带与所述第一威尔金森功分器连接；所述第一威尔金森功分器通过所述第二威尔金森功分器与所述第一微带连接；所述功分网络关于所述矩形微带呈镜像对称。

10.如权利要求9所述的具有陡峭边沿选择特性的近场天线，其特征在于，还包括均贯穿所述介质板的第二金属柱和第三金属柱；所述第一集总元件通过所述第二金属柱与所述金属地板连接，所述第二集总元件通过所述第三金属柱与所述金属地板连接；所述金属环呈矩形状，所述第二集总元件位于所述金属环的直角旁；所述第一威尔金森功分器上设置有第一隔离电阻，所述第二威尔金森功分器上设置有第二隔离电阻；所述介质板的厚度为H，介电常数为ε，其中，0.4mm≤H≤3mm，4.2≤ε≤4.7。

Images