CN116706532B - 一种高前后比超高频射频识别阅读器天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高前后比超高频射频识别阅读器天线，包括，自上而下依次设置的第一金属贴片、第一介质基板、第二金属贴片、第二介质基板及金属地；第一金属贴片上设置有十字形槽；第一金属贴片的四周分别设置有四个对称分布的长方形缝隙，远离十字形槽的一个长方形缝隙与第一金属贴片中心点之间设置有同轴线；第二金属贴片呈“井”字形，若干个第二金属贴片周期均匀排列于第二介质基板上，第二金属贴片的中心设置有金属通孔，金属通孔连通第二金属贴片及金属地；第二金属贴片、第二介质基板、金属通孔及金属地构成电磁带隙结构；金属地四周分别设置有若干个矩形槽。具有小型、低剖面、轻重量、低成本和高前后比的优点。
Description
技术领域
本发明涉及射频识别技术领域，特别涉及一种高前后比超高频射频识别阅读器天线。
背景技术
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是物联网进行数据采集核心技术之一，一直以来深受人们的广泛关注。基于超高频（Ultra High Frequency，UHF）频段的RFID系统因其具有远距离识别、多目标识别和非接触识别等特点广泛应用于仓储、物流、无线定位和无人超市等。射频识别技术利用无线射频方式对电子标签进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。为了满足小型、轻重量、低成本、高增益和低后向辐射阅读器天线设计需求，低剖面和高前后比阅读器微带天线的设计显得尤为关键。
目前，提高天线前后比设计方法主要有下面几种：加背腔、加反射板和使用人工电介质层。第一种将天线置于背腔中的设计方法，通过扼制绕射波表现出较好的后瓣抑制能力，从而提高天线的前后比。然而，通常背腔的物理尺寸较大，无法满足天线的小型化、低重量以及低成本的需求。第二种在距离天线1/4工作波长处加载反射板的设计方法，可以有效地减小天线的后向辐射。但这种方法不能满足天线低剖面的需求。第三种在天线表面加载人工电介质层设计方法，利用人工电介质层的介电增强特性，可以实现最小10dB的前后比。但人工电介质层制作工艺复杂，加工成本高。
发明内容
为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种高前后比超高频射频识别阅读器天线，具有小型、低剖面、轻重量、低成本和高前后比的优点。
为了实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：一种高前后比超高频射频识别阅读器天线，包括：
自上而下依次设置的第一金属贴片、第一介质基板、第二金属贴片、第二介质基板及金属地；
所述第一金属贴片上设置有第一象限区域，所述第一象限区域的中央位置设置有十字形槽；所述第一金属贴片的四周分别设置有四个对称分布的长方形缝隙，远离十字形槽的一个所述长方形缝隙与第一金属贴片中心点之间设置有同轴线，所述同轴线连通第一金属贴片与金属地；
所述第二金属贴片呈“井”字形，若干个第二金属贴片周期均匀排列于第二介质基板上，所述第二金属贴片的中心设置有金属通孔，所述金属通孔连通第二金属贴片及金属地；所述第二金属贴片、第二介质基板、金属通孔及金属地构成电磁带隙结构；
所述金属地四周分别设置有若干个矩形槽，所述金属地单独构成DGS结构。
可选的，所述第一介质基板与所述第二介质基板均采用F4B基板，厚度均为2mm。
可选的，整体尺寸为80mm×80mm×4mm。
可选的，所述第一金属贴片为正方形贴片，边长为57.5mm，厚度为0.035mm。
可选的，所述矩形槽包括第一矩形槽及第二矩形槽，所述第一矩形槽设置于所述金属地一边的中央位置，所述第二矩形槽等间距对称设置于第一矩形槽的两边。
可选的，所述十字槽由两个相同且垂直的缝隙组成，所述十字槽的缝隙长度为24mm宽度为4.8mm。
可选的，所述长方形缝隙的长度为11.73mm，宽度为1.75m；所述四个长方形缝隙延长线相交与第一金属贴片的中心点，且将所述第一金属贴片划分为四个相同区域。
可选的，所述同轴线与所述第一金属贴片的中心点距离为8mm。
本发明具有如下技术效果：
1.本发明提出的超高频RFID圆极化阅读器天线，具有小型、低剖面、轻重量、低成本和高前后比的优点。介质基板的材料为F4B，其成本较低。天线的整体尺寸是0.244λ0×0.244λ0×0.012λ0 ，λ0是在915MHz时的工作波长。天线的前后比达到了29dB。
2.本发明提出的在微带贴片天线介质基板一侧附加“井”字形EBG结构的方法，可以抑制天线表面波，改善天线的辐射方向图，提高天线前后比。在地面使用矩形DGS可以扼制金属接地平面边缘的电流，减少地面边缘后向绕射电流，可以进一步提高天线的前后比。相较于不加EBG和DGS结构的阅读器天线，前后比提高了14.4dB。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例的RFID阅读器天线的应用场景；
图2为本实施例的RFID阅读器天线的爆炸图；
图3为本实施例的RFID阅读器天线的侧视图；
图4为本实施例的RFID阅读器天线的俯视图；
图5为本实施例的“井”字形EBG单元结构示意图；
图6为本实施例的缺陷地的示意图；
图7为本实施例提出的“井”字形EBG结构频率带隙图；
图8为本实施例提出的蘑菇形EBG结构频率带隙图；
图9为本实施例的RFID阅读器天线仿真得到的反射系数曲线图；
图10为本实施例的RFID阅读器天线仿真得到的轴比曲线图；
图11为本实施例的RFID阅读器天线在915MHz时的yoz平面的辐射方向对比图；
图12为本实施例的RFID阅读器天线在915MHz时的xoz平面的辐射方向对比图；
其中，1-第一金属贴片，2-第一介质基板，3-第二介质基板，4-第二金属贴片，5-金属通孔，6-金属地，7-同轴线。
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，所描述的实施例仅仅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。
近年来，电磁带隙（Electromagnetic Band Gap，EBG）结构在提高天线增益和天线前后比等性能方面引起了学术界和产业界的广泛注意。EBG结构的频率带隙特性可以在特定频段范围内抑制电磁波的传播。同时，缺陷地结构（Defected Ground Structure，DGS）是在微带线的金属接地板上刻蚀栅格结构来改变接地板上的电流分布特性，从而获得带阻特性和慢波特性等。DGS在减小天线物理尺寸，增加天线带宽等方面都发挥着很好的作用。为满足RFID天线的小型化、低剖面和高前后比的需要，本发明提出了一种在微带贴片天线介质基板一侧附加“井”字形EBG结构，并在地平面用矩形DGS的高前后比超高频射频识别阅读器天线。
1.本发明提供了一种超高频RFID阅读器天线，具有小型、低剖面、圆极化和高前后比的优点。天线的整体尺寸是0.244λ0×0.244λ0×0.012λ0，λ0是在915MHz时的工作波长。其结构主要包括第一金属贴片1，第一介质基板2，第二介质基板3，周期排列在第二介质基板3上的呈“井”字形的第二金属贴片4，金属通孔5和金属地6。第一介质基板2和第二介质基板3均选用F4B板材,其介电常数是3.5，损耗角的正切值是0.002。两层介质基板的厚度均为2mm。
2.本发明提出一种“井”字形EBG结构，实现小型宽带电磁带隙功能，为小型、高前后比微带阅读器天线设计提供方法。井字形EBG单元结构是曲折型的边缘结构，增加了电流在边沿的流经路径，谐振回路上的电感值增加。可以实现EBG单元结构的小型化，从而实现天线的小型化。
3.本发明提出EBG+DGS的混合方法，“井”字形EBG结构通过在0.83-1.48 GHz频段范围内抑制天线表面波的传播，从而改善天线的前后比和增益。DGS通过扼制金属接地平面边缘的电流，减少地面边缘后向绕射电流，可以进一步提高天线的前后比。
结合附图对上述内容进行详细阐述：
本发明提出一种平面结构（易加工、易集成）、低成本、小型、高前后比固定式超高频射频识别阅读器天线，该天线高前后比降低上层金属货架对天线的影响，半功率波束宽度覆盖1.5米×0.6米×0.6米（长×宽×高）的区域尺寸，且在覆盖区域具有圆极化特性，如图1所示。为多层金属货架提供可行单天线低成本方案。
本发明提供的高前后比的小型超高频RFID阅读器天线性能良好，其轴比小于5dB时所覆盖的角度为128.5°，实现了可以覆盖宽角度的圆极化。天线的前后比达到了29 dB，增益达到了3 dB，3 dB波束带宽为111.5°。可以覆盖长1.5米宽0.6米高0.6米的一层货架，如图1所示。
本发明提供了一种高前后比的超高频RFID阅读器天线，其爆炸图如图2所示。主要包括第一金属贴片1，第一介质基板2，第二介质基板3，周期排列在第二介质基板3上呈“井”字形的第二金属贴片4，金属通孔5，金属地6，同轴线7。所提出的RFID阅读器天线整体尺寸为80mm×80 mm×4 mm，第一介质基板2及第二介质基板3均选用F4B板材，其介电常数是3.5，损耗角的正切值是0.002。第一金属贴片1粘贴于第一介质基板2上表面，第一介质基板2与第二介质基板3粘连且之间粘贴有第二金属贴片4，第二介质基板3下方粘贴金属地6，第二介质基板3上设置有金属通孔5，金属通孔5用于连通第二金属贴片4和金属地6。
如图3所示，两层介质基板材质相同，且厚度均为2mm，即H1=H2=2 mm，H1为第二介质基板3的厚度，H2为第一介质基板2的厚度。天线采用同轴馈电，同轴线7馈点距离坐标原点距离为X0=8 mm，其中坐标原点为第一金属贴片的中心点。
图4为本发明的RFID阅读器天线的俯视图，RFID阅读器天线的长度W0为80mm，天线的方形辐射贴片即第一金属贴片1的长度L0为57.5 mm，厚度为0.035 mm，贴在第一介质基板2上。第一金属贴片1的第一象限区域的十字形缝隙能够生成具有90°相位差的两个正交模式，以满足圆极化辐射要求以及良好的阻抗匹配，其中，十字缝隙的中心点与第一象限区域去的中心点重合，且十字缝隙的两个长边分别与方形贴片的边对应平行，第一象限区域为俯视图中以坐标原点为基础，以平行不同边方向为坐标轴所构成的坐标系对应的第一象限与第一金属贴片重合的区域。十字形槽的长L1和宽W1分别为24 mm和4.8 mm。贴片四周有四个对称的长方形缝隙，用来延长电流路径，实现天线的小型化。长方形缝隙的长L2和宽W2分别为11.73 mm和1.75 mm。
EBG结构是由第二金属贴片4、导电过孔即金属通孔5、第二介质基板3和接地板即金属地6四部分构成的。其中，第二金属贴片4呈周期性排列，导电过孔将第二金属贴片4与在第二介质基板3另一侧的金属地6相互连接在一起。如图5所示，W表示方形金属贴片的宽度，g是单元之间缝隙宽度，a是EBG 结构的周期，即 a=W+g，R是金属通孔5的直径。与传统蘑菇状EBG正方形单元相比，这里所提出的井字形EBG结构单元是曲折型的边缘结构。由此增加了电流在边沿的流经路径，增加了谐振回路上的电感值，可以实现EBG结构的小型化。井字形电磁带隙结构的参数为：W=14.95 mm，b=W/5，g=1.3 mm，R=0.95 mm。缺陷金属地6结构是通过改变金属接地平面上的电流分布特性，从而获得带阻特性。它可以降低绕射在金属地6上的电流，减小后向辐射，进一步提高天线方向图的前后辐射比。如图6所示，金属地6呈方形，不同边上均包含三个矩形槽，矩形槽包括第一矩形槽及第二矩形槽，所述第一矩形槽设置于所述金属地6一边的中间位置，第二矩形槽等间距对称设置于第一矩形槽的两边，L3及W3分别为第一矩形槽的长度及宽度，L31及W31分别为第二矩形槽的长度和宽度；金属地6上的矩形槽的参数为：L3=8.8 mm，W3=7 mm，L31=8.5 mm，W31=6 mm。
如图7-8所示，对本发明提出的“井”字形EBG结构和蘑菇形EBG结构频率带隙比较。与相同尺寸的蘑菇形EBG结构相比，本发明提出的“井”字形EBG结构的边缘是曲折的，增加了经过结构边缘的电流长度，谐振电路上的电感值增加，从而使带隙位置向低频移动，其两种结构的仿真结果如图7-8所示。采用悬置微带线法来模拟表面波在介质中的传输情况，观察两个端口的传输参数S21就可以得到频率带隙，一般取S21模值小于-20 dB的频带为频率带隙。“井”字形EBG结构的带隙范围是0.83-1.48 GHz（S21<-20 dB），带宽频率为0.65 GHz。而蘑菇形的带隙范围是1.77-2 GHz，带宽频率为0.23 GHz。“井”字形EBG结构可实现小型宽带电磁带隙功能，为小型、高前后比微带阅读器天线设计提供方法。
图9和图10分别是本发明的高前后比RFID阅读器天线仿真得到的反射系数曲线和轴比曲线。由图所示，该RFID阅读器天线的阻抗带宽可以达到912到922 MHz，而轴比小于5dB时所覆盖的角度为128.5°，实现了可以覆盖宽角度的圆极化。
图11-12为RFID阅读器天线在915 MHz时的yoz平面和xoz平面的辐射方向图。点划线对应的是不加EBG结构和DGS结构的阅读器天线的辐射方向图。划线对应的是只加EBG结构的RFID阅读器天线的辐射方向图，实线对应的是本发明采用的既加EBG结构又加DGS结构的天线的辐射方向图。从图11中可以看出，加EBG结构时，天线的增益有所提升，且后向辐射变小。既加EBG结构又加DGS结构时，天线的后向辐射进一步变小，前后比提高。本发明天线的前后比达到了29 dB，增益达到了3 dB，3 dB波束带宽为111.5°。相较于不加EBG和DGS结构的阅读器天线，前后比提高了14.4 dB。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种高前后比超高频射频识别阅读器天线，其特征在于，包括：
自上而下依次设置的第一金属贴片、第一介质基板、第二金属贴片、第二介质基板及金属地；
所述第一金属贴片上设置有第一象限区域，所述第一象限区域的中央位置设置有十字形槽；所述第一金属贴片的四周分别设置有四个对称分布的长方形缝隙，远离十字形槽的一个所述长方形缝隙与第一金属贴片中心点之间设置有同轴线，所述同轴线连通第一金属贴片与金属地；
所述第二金属贴片呈“井”字形，若干个第二金属贴片周期均匀排列于第二介质基板上，所述第二金属贴片的中心设置有金属通孔，所述金属通孔连通第二金属贴片及金属地；所述第二金属贴片、第二介质基板、金属通孔及金属地构成电磁带隙结构；
所述金属地四周分别设置有若干个矩形槽，所述金属地单独构成DGS结构。
2.根据权利要求1所述的高前后比超高频射频识别阅读器天线，其特征在于：
所述第一介质基板与所述第二介质基板均采用F4B基板，厚度均为2mm。
3.根据权利要求1所述的高前后比超高频射频识别阅读器天线，其特征在于：
整体尺寸为80mm×80mm×4mm。
4.根据权利要求1所述的高前后比超高频射频识别阅读器天线，其特征在于：
所述第一金属贴片为正方形贴片，边长为57.5mm，厚度为0.035mm。
5.根据权利要求1所述的高前后比超高频射频识别阅读器天线，其特征在于：
所述矩形槽包括第一矩形槽及第二矩形槽，所述第一矩形槽设置于所述金属地一边的中央位置，所述第二矩形槽等间距对称设置于第一矩形槽的两边。
6.根据权利要求1所述的高前后比超高频射频识别阅读器天线，其特征在于：
所述十字形槽由两个相同且垂直呈长方形的缝隙组成，所述十字形槽的缝隙长度为24mm宽度为4.8mm。
7.根据权利要求1所述的高前后比超高频射频识别阅读器天线，其特征在于：
所述长方形缝隙的长度为11.73mm，宽度为1.75m；四个长方形缝隙延长线相交与第一金属贴片的中心点，且将所述第一金属贴片划分为四个相同区域。
8.根据权利要求1所述的高前后比超高频射频识别阅读器天线，其特征在于：
所述同轴线与所述第一金属贴片的中心点距离为8mm。
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|---|---|
| CN116706532A (zh) | 2023-09-05 |
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