CN114914682B - 一种用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线，采用折线形微带线（1），结合馈电结构（2）、地平面层（3）、以及负载端口柱（4）的结构设计；如此使用折线形微带线，配合全新结构设计，能够产生多种极化的近场磁场，实际应用中，能够对各种摆放方式标签的实现准确读写，尤其适应复杂环境，诸如封闭金属腔体，并且全金属结构的设计应用，使用金属固定螺丝，使的所设计天线可以适应极端高低温，并具体设计将金属支撑件和四分之一波长的微带线相连，能够避免金属支撑件对天线电性能产生影响，有效提高天线的读取效率。

Description

一种用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线
技术领域
本发明涉及一种用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线，属于天线设计技术领域。
背景技术
天线分为“近场”和“远场”两大类，远场天线是最常见的天线，远场天线可以收发电磁辐射，其场强与距离的一次方成反比，衰减较慢，因此可以用于远距离的通信。典型的有微带贴片天线、偶极子天线、喇叭天线、反射面天线等，广泛应用于通信，测量等领域。例如专利CN109378576B，公开一种宽带高增益圆极化贴片准八木天线，此天线是一个多层贴片准八木天线，使用微带贴片、寄生贴片、引向贴片，实现了大带宽和高增益的圆极化辐射。
近场天线一般用于RFID等近距离通信的应用，近场天线收发近场电场或磁场辐射，其场强与距离的三次方成反比，衰减速度很快，因此读写距离近，用于RFID系统可以避免误读到远处的标签。特别的，对于磁场近场天线，因为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。典型近场天线有电小环天线、微带螺旋天线、零阶传输线等。
诸如电小环天线诸如专利CN103682584B，公开一种近场射频识别阅读器天线，专利CN103715499B，公开一种环形UHF近场RFID读写器天线，其中，电小环天线使用一个长度远小于工作波长的金属环，其上的电流可以认为是始终同相的，因此可以产生较强的磁场，用来读写标签；关于零阶传输线，诸如文献：J. Shi, X. Qing, and Z. N. Chen,“Electrically Large Zero-Phase-Shift Line Grid-Array UHF Near-Field RFIDReader Antenna,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 62, no.4, pp. 2201–2208, Apr. 2014,公开一种特殊的传输线，其上有多个串联电容，通过电容的相移，抵消传播中自然的相移，因此可以保持电流同相，产生强度大且均匀的磁场。
现有技术中远场天线收发的“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，同时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，而且远场天线工作在自由空间中，如果将其置于封闭金属腔体中，则腔体中强烈的反射和谐振，会严重影响天线的性能，例如极化，匹配等，严重的甚至可能因为阻抗失配导致系统中其它模块的损坏。
现有技术中近场天线中的电小环天线，不产生或只产生少量远场辐射，因此受封闭金属腔体的影响较小，但受原理限制，其尺寸很小，因此读写距离较近，而且近场天线中的零阶传输线，虽然用于近场，但它仍然会有较大的远场辐射，因此不能适用于复杂环境，例如封闭金属腔体中，而且其结构较为复杂，必须使用PCB印刷才能加工。
另外，常见的天线往往包括PCB印刷的结构，或者包含塑料螺丝等紧固件，这些材料往往只能在常规温度下使用，在极端高低温下容易融化或脆裂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线，使用折线形微带线，配合全新结构设计，能够产生多种极化的近场磁场，实现对各种摆放方式标签的读写，尤其适应复杂环境，能够有效提高天线的读取效率。
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封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线，包括折线形微带线、馈电结构、地平面层、负载端口柱；
其中，折线形微带线整体结构共面，折线形微带线以其所在面平行于地平面层表面的姿态、固定置于地平面层上表面上方预设距离的位置，并且沿垂直于地平面层表面的投影方向上，折线形微带线的投影位于地平面层的投影区域内；
馈电结构的其中一端对接折线形微带线表面，馈电结构的另一端穿过地平面层表面，并连接RFID读写器；负载端口柱的其中一端对接折线形微带线表面，负载端口柱的另一端穿过地平面层表面，并连接预设负载；折线形微带线表面上馈电结构所接位置与负载端口柱所接位置彼此间距离不小于预设距离阈值。
作为本发明的一种优选技术方案：所述折线形微带线包含闭环结构，所述馈电结构、所述负载端口柱分别对接于折线形微带线中的闭环结构上。
作为本发明的一种优选技术方案：所述折线形微带线包含非闭环结构，所述馈电结构、所述负载端口柱分别对接于折线形微带线的两端。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括至少一个支撑件，所述折线形微带线通过各支撑件以其表面平行于地平面层表面的姿态、固定置于地平面层上表面上方预设距离的位置，各支撑件上面向折线形微带线的端部分别与折线形微带线接触，各支撑件上面向地平面层的端部分别与地平面层接触。
作为本发明的一种优选技术方案：所述支撑件为非导电支撑件。
作为本发明的一种优选技术方案：所述支撑件为金属支撑件，所述折线形微带线上与各金属支撑件相接触的各位置分别为四分之一波长微带线。
作为本发明的一种优选技术方案：所述馈电结构为同轴馈电探针，其中，同轴馈电探针的内导体一端与折线形微带线接触，同轴馈电探针的内导体另一端连接RFID读写器，同轴馈电探针的外导体对接地平面层。
本发明所述一种用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线，采用折线形微带线，结合馈电结构、地平面层、以及负载端口柱的结构设计；如此使用折线形微带线，配合全新结构设计，能够产生多种极化的近场磁场，实际应用中，能够对各种摆放方式标签的实现准确读写，尤其适应复杂环境，诸如封闭金属腔体，并且全金属结构的设计应用，使用金属固定螺丝，使的所设计天线可以适应极端高低温，并具体设计将金属支撑件和四分之一波长的微带线相连，能够避免金属支撑件对天线电性能产生影响，有效提高天线的读取效率。
附图说明
图1是本发明所设计用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线的结构示意图；
图2是本发明所设计用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线在封闭腔体的应用示意图；
图3是本发明所设计折线形微带近场天线在封闭腔体中工作产生的电场图；
图4是本发明所设计折线形微带近场天线在自由空间中的远场方向图；
图5是本发明所设计折线形微带近场天线的S参数曲线。
1. 折线形微带线，2. 馈电结构，3. 地平面层，4. 负载端口柱，5. 支撑件。
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。
本发明所设计一种用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线，实际应用当中，如图1所示，具体设计包括折线形微带线1、馈电结构2、地平面层3、负载端口柱4。
其中，折线形微带线1整体结构共面，折线形微带线1以其所在面平行于地平面层3表面的姿态、固定置于地平面层3上表面上方预设距离的位置，并且沿垂直于地平面层3表面的投影方向上，折线形微带线1的投影位于地平面层3的投影区域内。
馈电结构2的其中一端对接折线形微带线1表面，馈电结构2的另一端穿过地平面层3表面，并连接RFID读写器；负载端口柱4的其中一端对接折线形微带线1表面，负载端口柱4的另一端穿过地平面层3表面，并连接预设负载；折线形微带线1表面上馈电结构2所接位置与负载端口柱4所接位置彼此间距离不小于预设距离阈值。
针对上述所设计用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线，在实际应用当中，具体针对折线形微带线1的结构进行两种分类讨论设计，其一，若折线形微带线1包含非闭环结构，则设计所述馈电结构2、所述负载端口柱4分别对接于折线形微带线1的两端。
其二，若折线形微带线1包含闭环结构，则设计所述馈电结构2、所述负载端口柱4分别对接于折线形微带线1中的闭环结构上，具体应用下，从馈电结构2输入的能量，在折线形微带线1上分为两路，分别沿x轴正负方向传播，最终汇聚在负载端口柱4，并被负载端口柱4上的负载电阻吸收，作为RFID读写器天线时，这些电流在传播的过程中产生磁场，可以用来读写RFID标签。
实际应用中，关于折线形微带线1相较地平面层3上表面上方预设距离的固定设置，具体应用加入至少一个支撑件5，所述折线形微带线1通过各支撑件5以其表面平行于地平面层3表面的姿态、固定置于地平面层3上表面上方预设距离的位置，各支撑件5上面向折线形微带线1的端部分别与折线形微带线1接触，各支撑件5上面向地平面层3的端部分别与地平面层3接触。
由于折线形微带线1需要固定在离地平面层3一定距离的地方，常规做法要求固定结构不能导电，即采用非导电支撑件，否则会使微带线短路，因此传统的做法是将折线形微带线1印制在PCB板上，再固定PCB板；或者使用塑料螺丝，来固定全金属的微带线，但是这些做法均需要使用塑料，导致其难以耐受极端高低温。
因此关于支撑件5的设计应用，为了面对极端环境，可采用金属支撑件，所述折线形微带线1上与各金属支撑件相接触的各位置分别为四分之一波长微带线，在电磁特性上，这段四分之一波长微带线起到阻抗变换作用，将金属支撑件产生的短路，转换为开路，避免了金属支撑件对天线性能产生不良影响，在机械性能上，这段四分之一波长微带线配合金属支撑件，将折线形微带线1固定在的位置上，读写器产生电磁波的波长，该天线所有结构均有金属制成，因此该天线可以耐受极端高低温。
实际应用当中，针对馈电结构2，具体采用同轴馈电探针，其中，同轴馈电探针的内导体一端与折线形微带线1接触，同轴馈电探针的内导体另一端连接RFID读写器，同轴馈电探针的外导体对接地平面层3。
实际应用中，如图2所示，上述所设计折线形微带近场天线适用于封闭腔体内，按设计方案通过上述合理调整微带线的形状，以及馈电结构2和负载端口柱4的位置设计，可以使天线产生多种极化的近场磁场，如图3所示，并且结合图4验证，所设计天线的远场辐射是圆极化的，因此该设计天线可以用来读写各种摆放方式的标签；并且通过调整折线形微带线1的长度和宽度，可以灵活调整天线的阻抗和工作频带，如图5所示，此实施例中，其-10dB阻抗带宽约为890-1000MHz。
上述技术方案所设计用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线，采用折线形微带线1，结合馈电结构2、地平面层3、以及负载端口柱4的结构设计；如此使用折线形微带线，配合全新结构设计，能够产生多种极化的近场磁场，实际应用中，能够对各种摆放方式标签的实现准确读写，尤其适应复杂环境，诸如封闭金属腔体，并且全金属结构的设计应用，使用金属固定螺丝，使的所设计天线可以适应极端高低温，并具体设计将金属支撑件和四分之一波长的微带线相连，能够避免金属支撑件对天线电性能产生影响，有效提高天线的读取效率。
上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 (4)

1.一种用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线，其特征在于：包括折线形微带线（1）、馈电结构（2）、地平面层（3）、负载端口柱（4）、至少一个支撑件（5）；
其中，折线形微带线（1）整体结构共面，折线形微带线（1）通过各支撑件（5）以其表面平行于地平面层（3）表面的姿态、固定置于地平面层（3）上表面上方预设距离的位置，并且沿垂直于地平面层（3）表面的投影方向上，折线形微带线（1）的投影位于地平面层（3）的投影区域内，各支撑件（5）上面向折线形微带线（1）的端部分别与折线形微带线（1）接触，各支撑件（5）上面向地平面层（3）的端部分别与地平面层（3）接触；支撑件（5）为金属支撑件，所述折线形微带线（1）上与各金属支撑件相接触位置的所在段分别为四分之一波长微带线；
馈电结构（2）的其中一端对接折线形微带线（1）表面，馈电结构（2）的另一端穿过地平面层（3）表面，并连接RFID读写器；负载端口柱（4）的其中一端对接折线形微带线（1）表面，负载端口柱（4）的另一端穿过地平面层（3）表面，并连接预设负载；折线形微带线（1）表面上馈电结构（2）所接位置与负载端口柱（4）所接位置彼此间距离不小于预设距离阈值。
2.根据权利要求1所述一种用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线，其特征在于：所述折线形微带线（1）包含闭环结构，所述馈电结构（2）、所述负载端口柱（4）分别对接于折线形微带线（1）中的闭环结构上。
3.根据权利要求1所述一种用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线，其特征在于：所述折线形微带线（1）包含非闭环结构，所述馈电结构（2）、所述负载端口柱（4）分别对接于折线形微带线（1）的两端。
4.根据权利要求1所述一种用于封闭金属腔体环境下的折线形微带近场天线，其特征在于：所述馈电结构（2）为同轴馈电探针，其中，同轴馈电探针的内导体一端与折线形微带线（1）接触，同轴馈电探针的内导体另一端连接RFID读写器，同轴馈电探针的外导体对接地平面层（3）。
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