CN114914684A - 一种分行树天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分行树天线及其设计方法，关键在于其辐射贴片，一方面基于分形几何思想，提出树根贴片和树分支贴片，在平面上构造分形树结构，能够增加天线总周长，极大地减小天线尺寸，降低制作成本；另一方面，提出一种改变各贴片的位移距离的新思路，使得每级树分支贴片向外位移一段距离，不仅可以通过多个谐振点形成宽频谐振，而且可以通过同样或不同样大小的枝节做移位，调整该位移距离，产生符合要求的谐振，调节天线的性能指标，尤其是树根贴片的相反方向布置和尺寸相等设计，相较于改变贴片尺寸的方式，能使得各树分支在迭代关系中始终保持对角相反的关系来实现天线圆极化辐射。整体能提供一种体积小、增益高的分行树天线。

Description

一种分行树天线及其设计方法

技术领域

本发明涉及电磁场与微波技术领域，特别是一种分行树结构的天线。

背景技术

随着RFID技术的成熟，RFID的运用范围越来越广，RFID标签技术应用于仓储管理，物流，机场行李分拣等等方面，RFID系统中至关重要的部分就是天线设计，RFID阅读器天线最常用的就是带airy基板的微带天线，其制作成本低且具备较高的天线增益，但是此类天线低介电常数导致尺寸过大，不符合目前手持RFID阅读器的需求，为了适应人们对小巧便于携带的RFID阅读器需求，RFID阅读器的小型化问题迫在眉睫，最常用的几种小型化方式就是曲流技术，使用高介电常数基板。但是此类方式的尺寸减小有限。

因此，如何在不降低天线性能基础上，减小其尺寸是天线领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出一种分行树天线，包括：介质基板、辐射贴片和接地面；所述辐射贴片，包括：

微带馈电贴片、叠放在微带馈电贴片上的第一树根贴片、叠放在第一树根贴片上的第二树根贴片；和N级第一树分支贴片、M级第二树分支贴片；

N级第一树分支贴片，依次叠放在第一树根贴片上，且每级第一树分支贴片向外位移一段距离；

M级第二树分支贴片，依次叠放在第二树根贴片上，且每级第二树分支贴片向外位移一段距离；

其中，N、M为正整数。

进一步地，第一树根贴片与第二树根贴片以微带馈电贴片为起点，分别朝向相反的方向。

进一步地，第一树分支贴片的级数N与第二树分支贴片的级数M相等；N级第一树分支贴片的朝向与第一树根贴片的朝向相同；M级第二树分支贴片的朝向与第二树根贴片的朝向相同。

进一步地，第一树根贴片与第二树根贴片的尺寸相等；或/和，每级第一树分支贴片和每级第二树分支贴片的尺寸相等。

另一方面，本发明还提供一种分行树天线的设计方法，用于设计上述任意的分行树天线，包括：

S1：根据天线的性能指标，确定最大电长度和最小电长度；

S2：根据最小电长度，确定微带馈电贴片的馈电结构和第一树根贴片、第二树根贴片的尺寸；

S3：根据最大电长度，确定最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的位移距离和尺寸；

S4：根据最小电长度和最大电长度，确定第一树分支贴片的级数N和第二树分支贴片的级数M的数值，以确定每级第一树分支贴片和第二树分支贴片的位移距离和尺寸。

进一步地，步骤S2，包括：

S21：确定微带馈电贴片的馈电结构；

S22：将最小电长度视为第一树根贴片、第二树根贴片的预期电长度值；

S23：根据馈电结构和第一树根贴片、第二树根贴片的预期电长度值，确定第一树根贴片、第二树根贴片的尺寸。

进一步地，步骤S3，包括：

S31：以最大电长度为最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的预期电长度值；

S32：调节最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的位移距离和尺寸，使得最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的实际电长度值，达到预期电长度值。

进一步地，步骤S32，包括：

S321：将最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的尺寸，确定为与第一树根贴片、第二树根贴片的尺寸相等；

S322：根据最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的预期电长度值和确定的最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的尺寸，确定最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的位移距离。

进一步地，步骤S4，包括：

S41：确定级数N和级数M；

S42：根据最小电长度、最大电长度和级数N、M，确定每级第一树分支贴片和每级第二树分支贴片的预期电长度值；

S43：根据每级第一树分支贴片和每级第二树分支贴片的预期电长度值，确定每级第一树分支贴片和第二树分支贴片的位移距离和尺寸。

进一步地，步骤S43，包括：

S431：将每级第一树分支贴片和每级第二树分支贴片的尺寸，都确定为与第一树根贴片、第二树根贴片的尺寸相等；

S432：根据二元一次方程规律确定第一树分支贴片和第二树分支贴片的位移距离。

本发明提供一种分行树天线及其设计方法，关键在于其辐射贴片，一方面基于分形几何思想，在微带馈电贴片上叠放树根贴片，在树根贴片上叠放树分支贴片，以在平面上构造分形树结构，能够增加天线总周长，极大地减小天线尺寸，降低制作成本；另一方面，与现有技术以改变各贴片的形状为思路，通过主干+不同尺寸分支的结构，做谐振的模式不同，本发明提出一种改变各贴片的位移距离的新思路，使得每级第一树分支贴片向外位移一段距离（有向外偏移）；每级第二树分支贴片向外位移一段距离（有向外偏移）；不仅可以通过多个谐振点形成宽频谐振，而且可以通过同样或不同样大小的枝节做移位，调整该位移距离，产生符合要求的谐振，调节天线的性能指标，相较于改变枝节尺寸的方式，其制作更简单、成本更低廉，整体能提供一种体积小、增益高的分行树天线。

附图说明

图1为本发明的分行树天线的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明的分行树天线的辐射贴片的一个实施例的结构示意图；

图3为本发明的分行树天线的设计方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

如图1-2所示，给出了本发明的分行树天线的结构性示例，可选但不仅限于包括：介质基板10、辐射贴片20和接地面30；其关键在于，如图2所示，该辐射贴片20，包括：

微带馈电贴片21、叠放在微带馈电贴片上的第一树根贴片22、叠放在第一树根贴片上的第二树根贴片23；和N级第一树分支贴片24、M级第二树分支贴片25；

N级第一树分支贴片24，依次叠放在第一树根贴片22上，且每级第一树分支贴片24向外位移一段距离（如图2所示的X₁、X₂、X₃，有向外偏移）；具体的，每级第一树分支贴片的向外位移距离，可选但不仅限于为相等的定值，也可为不确定的数值，可选但不仅限于根据其频率、电长度变换等决定。

M级第二树分支贴片25，依次叠放在第二树根贴片23上，且每级第二树分支贴片25向外位移一段距离（如图2所示的Y₁、Y₂、Y₃，有向外偏移）；具体的，每级第二树分支贴片的向外位移距离，可选但不仅限于为相等的定值，也可为不确定的数值，可选但不仅限于根据其频率、电长度变换等决定。其中N，M为正整数。

具体的：微带馈电贴片21的馈电结构、输入阻抗，可由本领域技术人员根据微带天线的性能指标而设定，可选但不仅限于采用50欧姆共面波导馈电，后续设计微带天线时将着重描述，在此不再赘述。

更为具体的，第一树根贴片22、第二树根贴片23、N级第一树分支贴片24和M级第二树分支贴片25的形状、尺寸、材质、位置等可由本领域技术人员根据频率、电长度变换等性能指标而确定。

更为具体的，第一树根贴片22和第二树根贴片23的尺寸大小，可选但不仅限于相等或不相等。优选的，第一树根贴片22的宽度、长度，分别与第二树根贴片23的宽度、长度相等，且以微带馈电贴片为起点，分别朝向相反的方向。以图2为例，第一树根贴片22和第二树根贴片23的长度宽度均相等，且一个朝向右边，一个朝向左边。当然，图2仅为适应性举例，并不以此为限。

在该实施例中，给出了第一树根贴片22和第二树根贴片23的一个优选实施例，在该实施例下，第一树根贴片22和第二树根贴片23能够产生均匀磁场，避免出现磁场不均，后续应用过程中出现漏检、误检的现象。

更为具体的，第一树分支贴片24的级数N，与第二树分支贴片25的级数M，可相等也可不相等。优选的，第一树分支贴片24的级数N与第二树分支贴片25的级数M相等，如图2所示的，第一树分支贴片24，包括3级，可命名为一级第一树分支贴片、二级第一树分支贴片和三级第一树分支贴片；第二树分支贴片25，也包括3级，可命名为一级第二树分支贴片、二级第二树分支贴片和三级第二树分支贴片。更为优选的，M级第一树分支贴片24的朝向与第一树根贴片22的朝向相同；第二树分支贴片25的朝向与第二树根贴片23的朝向相同；即第一树分支贴片24和第二树分支贴片25的级数相等，且分别朝向相反的方向，如图2所示的，一组统一朝右，一组统一朝左，以使天线整体辐射均匀，不会出现某个方向磁场强，某个方向磁场弱的情况。

更为具体的，每级第一树分支贴片24的向外位移距离，可选但不仅限于为定值X，即每级第一树分支贴片24向外位移相等的距离，也可选但不仅限于为不定值（X₁，X₂……X_N），其中X₁表示一级第一树分支贴片24的向外位移距离，X_N表示N级第一树分支贴片24的向外位移距离，更为具体的，X₁至X_N，可选但不仅限于若干个数值相等，若干个数值不等，具体可根据天线的目标频率、电长度变换等性能指标确定。

与第一树分支贴片24相同的，每级第二树分支贴片25的向外位移距离，可选但不仅限于为定值Y，即每级第二树分支贴片25向外位移相等的距离，也可选但不仅限于为不定值（Y₁，Y₂……Y_N），其中Y₁表示一级第二树分支贴片25的向外位移距离，Y_N表示N级第二树分支贴片25的向外位移距离，更为具体的，Y₁至Y_N，可选但不仅限于若干个数值相等，若干个数值不等，具体可根据天线的目标频率、电长度变换等性能指标确定。更为具体的，每级第一树分支贴片24的位移距离与对应第二树分支贴片25的位移距离，可相等也可不相等，即X与Y，X₁与Y₁，X₂与Y_2……X_N与Y_N，可相等也可不相等。优选的，X₁=Y₁，X₂=Y_2……X_N=Y_N，即对应位置级数的第一树分支贴片24的位移距离与对应第二树分支贴片25的位移距离相等，以使天线整体辐射均匀，不会出现某个方向磁场强，某个方向磁场弱的情况。

更为优选的，每级第一树分支贴片24的向外位移距离、每级第二树分支贴片25的向外位移距离，可选但不仅限于遵从二元一次方程规律，即抛物线规律。示例的，可选但不仅限于为开口向上的抛物线规律，在靠近微带馈电贴片21的底层中，位移距离的变化很小，逐步扩大，即越低越密、越高越稀，直到抛物线的峰值，在越靠近辐射贴片的顶层时，位移距离的变化再次变小，即在高层边缘再次变密，越高越密，以使得天线边缘性能更好。

更为具体的，介质基板10的尺寸、材质等，可选但不仅限于由本领域技术人员根据介质材料的介电常数、损耗角正切值等结合预期指标而自由选定，可选但不仅限于为FR4环氧树脂、聚四氟乙烯等国产介质基板，或高频响应特性更优良的Rogers_R03003介质基板，以更有益于提高辐射频率和增益。优选的，介质基板，为1.6mm FR4介质板，介电常数4.4，损耗正切0.025。

更为具体的，辐射贴片20的位置、附着方式、材质等，可由本领域技术人员任意设定。如图1所示，优选为位于介质基板10的上表面，优选为金属贴片，如铜质薄片等，刻蚀在介质基板的上表面。

更为具体的，接地面30的位置、馈电方式、材质等，同样的可由本领域技术人员任意设定。优选的，接地面30可选但不仅限于位于介质基板10的下表面，或者同时位于介质基板10的上表面和对应下表面。如图1所示，优选采用共面波导馈电结构，以使得在实现低轴比圆极化上比普通微带传输线更容易实现，此时接地面30在介质基板10的上表面和对应下表面都有。

更为具体的，如图1所示，该分形树天线，还可选但不仅限于包括接地短截线40，优选于等于四分之一波长，以保证阻抗和谐振，拓展带宽。

在该实施例中，本发明提供一种分行树天线，关键在于其辐射贴片，一方面基于分形几何思想，在微带馈电贴片上叠放树根贴片，在树根贴片上叠放树分支贴片，以在平面上构造分形树结构，能够增加天线总周长，极大地减小天线尺寸，降低制作成本；另一方面，与现有技术以改变各贴片的形状为思路，通过主干+不同尺寸分支的结构，做谐振的模式不同，本发明提出一种改变各贴片的位移距离的新思路，使得每级第一树分支贴片向外位移一段距离（有向外偏移）；每级第二树分支贴片向外位移一段距离（有向外偏移）；不仅可以通过多个谐振点形成宽频谐振，而且可以通过同样或不同样大小的枝节做移位，调整该位移距离，产生符合要求的谐振，调节天线的性能指标，制作更简单、成本更低廉，尤其是树根贴片的相反方向布置和尺寸相等设计，相较于改变贴片尺寸的方式，能使得各树分支在迭代关系中始终保持对角相反的关系来实现天线圆极化辐射。整体能提供一种体积小、增益高的分行树天线。值得注意的，该分行树天线，可选但不仅限于用于射频阅读器，是一种小型化便携式的射频RFID阅读器天线，经仿真其带宽可完全覆盖UHF RFID频段，天线的体积可降至90*110mm，增益达到1.5dB。

另一方面，如图3所示，本发明还提供一种分形树天线的设计方法，用于设计上述任意的分形树天线，包括：

S1：根据天线的性能指标，确定最大电长度和最小电长度；具体的，可选但不仅限于根据天线的中心频率，确定带宽，即最低频率和最大频率，通过最低频率和最高频率，确定最大电长度和最小电长度。

S2：根据最小电长度，确定微带馈电贴片21的馈电结构和第一树根贴片22、第二树根贴片23的尺寸。具体的，可选但不仅限于以最小电长度，为第一树根贴片22、第二树根贴片23的预期电长度值，确定微带馈电贴片21的馈电结构和第一树根贴片22、第二树根贴片23的尺寸。更为具体的，可选但不仅限于包括：S21：首先确定微带馈电贴片21的馈电结构，可选但不仅限于根据圆极化指标、性能要求等，确定馈电类型（如，共面馈电波导馈电、不共面馈电等）、输入阻抗、微带馈电贴片的尺寸（如宽度、长度等）。具体的，可选但不仅限于为图2采用的50欧姆共面波导馈电结构；S22：将最小电长度视为第一树根贴片22、第二树根贴片23的预期电长度值；S23：根据馈电结构和第一树根贴片22、第二树根贴片23的预期电长度值，确定第一树根贴片22、第二树根贴片23的尺寸，即根据已经定好的馈电结构，看如何确定第一树根贴片22、第二树根贴片23的尺寸，使得二者达到预期的最小电长度值，符合预期指标。具体的，该第一树根贴片22、第二树根贴片23的尺寸，优选为相同，以更便捷的确定计算，同时使天线整体辐射均匀。

S3：根据最大电长度，确定最高级第一树分支贴片24、最高级第二树分支贴片25的位移距离和尺寸。具体的，可选但不仅限于以最大电长度，为最高级第一树分支贴片24、最高级第二树分支贴片25的预期电长度值，确定最高级第一树分支贴片24、最高级第二树分支贴片25的位移距离和尺寸。更为具体的，在预期电长度值确定的基础上，可选但不仅限于以位移距离和尺寸成反比的形式，确定最高级第一树分支贴片24、最高级第二树分支贴片25的位移距离和尺寸，只要其形成的实际电长度值等于预期电长度值即可。更为具体的，可选但不仅限于包括：S31：以最大电长度为最高级第一树分支贴片24、最高级第二树分支贴片25的预期电长度值；S32：调节最高级第一树分支贴片24、最高级第二树分支贴片25的位移距离和尺寸，使得第一树分支贴片24、最高级第二树分支贴片25的实际电长度值，达到预期电长度值。具体的，可选但不仅限于将最高级第一树分支贴片24、最高级第二树分支贴片25的尺寸确定为与第一树根贴片22、第二树根贴片23的尺寸相等，以更便捷的在预期电长度值的指标下，确定最高级第一树分支贴片24、最高级第二树分支贴片25的位移距离，此时预期电长度值和尺寸都已经确定，仅仅只有位移距离这一个变量需要计算。具体的，步骤S32，包括：S321：将最高级第一树分支贴片24、最高级第二树分支贴片25的尺寸，确定为与第一树根贴片22、第二树根贴片23的尺寸相等；S322：根据最高级第一树分支贴片24、最高级第二树分支贴片25的预期电长度值和最高级第一树分支贴片24、最高级第二树分支贴片25的尺寸，确定最高级第一树分支贴片24、最高级第二树分支贴片25的位移距离，即在最高级第一树分支贴片24、最高级第二树分支贴片25的尺寸已经确定的前提下（与树根贴片尺寸相同），看位移距离多少，使得二者达到预期的最大电长度值，符合预期指标。

S4：根据最小电长度和最大电长度，确定第一树分支贴片24的级数N和第二树分支贴片25的级数M的数值，以确定每级第一树分支贴片24和第二树分支贴片25的位移距离和尺寸。具体的，S41：确定级数N和级数M，优选为N=M；具体的，可选但不仅限于根据最小电长度与最大电长度之间的差值，即带宽，确定至少设置多少级分支，使得不出现不谐振的情况，当然该多少级分支的具体数值，可由本领域技术人员根据性能指标要求、制作成本、难易程度等多个指标而衡量确定，如图2所示的N=M=3；S42：确定每级第一树分支贴片24和第二树分支贴片25的预期电长度值；S43：根据每级第一树分支贴片24和第二树分支贴片25的预期电长度值，确定每级第一树分支贴片24和第二树分支贴片25的位移距离和尺寸。具体的，步骤S43，可选但不仅限于包括：S431：将每级第一树分支贴片24和每级第二树分支贴片25的尺寸确定为相同，与第一树根贴片22、第二树根贴片23的尺寸相等；S432：根据二元一次方程规律确定第一树分支贴片24和第二树分支贴片25的位移距离。

在该实施例中，给出了本发明分行树天线的设计方法，其以天线的性能指标为预期目标，将最小电长度设定为树根贴片的预期电长度值、将最大电长度设定为最高级树分支贴片的预期电长度值，并根据中间跨度的带宽确定树分支贴片的级数、以及每级的预期电长度值，从而确定树根贴片的尺寸、每级树分支贴片的尺寸和位移距离，方法简单但行之有效，根据仿真实验，能够实现性能指标要求。

上述分行树天线、分行树天线的设计方法基于上述辐射贴片的发明核心而创造，其技术作用、有益效果和技术特征的组合在此不再赘述。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种分行树天线，其特征在于，包括：介质基板、辐射贴片和接地面；所述辐射贴片，包括：

微带馈电贴片、叠放在微带馈电贴片上的第一树根贴片、叠放在第一树根贴片上的第二树根贴片；和N级第一树分支贴片、M级第二树分支贴片；

N级第一树分支贴片，依次叠放在第一树根贴片上，且每级第一树分支贴片向外位移一段距离；

M级第二树分支贴片，依次叠放在第二树根贴片上，且每级第二树分支贴片向外位移一段距离；

其中，N、M为正整数。

2.根据权利要求1所述的分行树天线，其特征在于，第一树根贴片与第二树根贴片以微带馈电贴片为起点，分别朝向相反的方向。

3.根据权利要求2所述的分行树天线，其特征在于，第一树分支贴片的级数N与第二树分支贴片的级数M相等；N级第一树分支贴片的朝向与第一树根贴片的朝向相同；M级第二树分支贴片的朝向与第二树根贴片的朝向相同。

4.根据权利要求3所述的分行树天线，其特征在于，第一树根贴片与第二树根贴片的尺寸相等；或/和，每级第一树分支贴片和每级第二树分支贴片的尺寸相等。

5.一种分行树天线的设计方法，用于设计权利要求1-4任意一项所述的分行树天线，其特征在于，包括：

S1：根据天线的性能指标，确定最大电长度和最小电长度；

S2：根据最小电长度，确定微带馈电贴片的馈电结构和第一树根贴片、第二树根贴片的尺寸；

S3：根据最大电长度，确定最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的位移距离和尺寸；

S4：根据最小电长度和最大电长度，确定第一树分支贴片的级数N和第二树分支贴片的级数M的数值，以确定每级第一树分支贴片和第二树分支贴片的位移距离和尺寸。

6.根据权利要求5所述的分行树天线的设计方法，其特征在于，步骤S2，包括：

S21：确定微带馈电贴片的馈电结构；

S22：将最小电长度视为第一树根贴片、第二树根贴片的预期电长度值；

S23：根据馈电结构和第一树根贴片、第二树根贴片的预期电长度值，确定第一树根贴片、第二树根贴片的尺寸。

7.根据权利要求5所述的分行树天线的设计方法，其特征在于，步骤S3，包括：

S31：以最大电长度为最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的预期电长度值；

S32：调节最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的位移距离和尺寸，使得最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的实际电长度值，达到预期电长度值。

8.根据权利要求7所述的分行树天线的设计方法，其特征在于，步骤S32，包括：

S321：将最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的尺寸，确定为与第一树根贴片、第二树根贴片的尺寸相等；

S322：根据最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的预期电长度值和确定的最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的尺寸，确定最高级第一树分支贴片、最高级第二树分支贴片的位移距离。

9.根据权利要求5所述的分行树天线的设计方法，其特征在于，步骤S4，包括：

S41：确定级数N和级数M；

S42：根据最小电长度、最大电长度和级数N、M，确定每级第一树分支贴片和每级第二树分支贴片的预期电长度值；

S43：根据每级第一树分支贴片和每级第二树分支贴片的预期电长度值，确定每级第一树分支贴片和第二树分支贴片的位移距离和尺寸。

10.根据权利要求9所述的分行树天线的设计方法，其特征在于，步骤S43，包括：

S431：将每级第一树分支贴片和每级第二树分支贴片的尺寸，都确定为与第一树根贴片、第二树根贴片的尺寸相等；

S432：根据二元一次方程规律确定第一树分支贴片和第二树分支贴片的位移距离。

Images