CN116759815B - 圆极化超高频的天线单元及rfid读写器阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及圆极化超高频的天线单元及RFID读写器阵列天线，以金属地板（1）为基础，加入第一层PCB板（2）与第二层PCB板（3），通过第一层PCB板（2）上下面设置的十字导电贴片（4）和匹配导电贴片（6），构成刚刚叠层电容，并通过各匹配导电贴片（6）与十字导电贴片（4）之间重叠面积的不同，引入微扰，激励起正交的两个模式，共同产生了圆极化辐射效果，同时联系第二层PCB板（3）表面所设置的板载导电贴片（5），通过空间耦合激励天线圆极化辐射，提升天线单元带宽；本发明还进一步以阵列排布方式设计RFID读写器阵列天线，实现了天线信号的大角度扫描。

Description

圆极化超高频的天线单元及RFID读写器阵列天线
技术领域
本发明涉及圆极化超高频的天线单元及RFID读写器阵列天线，属于射频天线技术领域。
背景技术
读写器天线作为RFID系统中必不可少的重要组件之一，其性能对于整个RFID系统的收发质量起到了决定性的作用。随着RFID的技术发展，越来越多的行业开始使用这项技术进行资产管理，因此更加多样的应用场景，更加复杂的功能需求被一一提出，为了满足这些需求，读写器天线的设计也在不断推陈出新。
RFID天线可划分为：远场读写器天线，远、近场读写器天线和近场读写器天线。其中，远场读写器天线能够实现较远的探测距离和较宽的覆盖面积，因而在远距离识别探测、货物盘点等场景里应用广泛。远场读写器天线需要解决的关键问题之一是如何提高标签读写覆盖。目前主要通过两个方式，一是设计圆极化或者多极化读写器天线单元，提高极化覆盖能力，减少因标签类型或摆放方向导致的漏读情况；二是设计具有多个天线单元的阵列，通过提升增益和增加波束扫描功能，获得更大面积的读写覆盖。
圆极化天线对电磁极化不敏感，可以均匀接收和发射同一平面内不同角度的线极化波，这样就能避免由于极化失配导致的电磁波极化损失。圆极化波还具有旋转正交性，能够抗多径干扰。圆极化天线的实现方式主要有三种：一是单点馈电，通过引入微扰，激励起正交的两种模式，从而形成圆极化；二是双馈点法，在对称位置同时馈入信号，利用移相网络使得馈入信号满足等幅90°相差；三是顺序旋转，利用将辐射单元结构依次旋转90°，同时保证单元激励相差为90°。
就目前常用的馈电方式而言，直接馈电带宽较窄，且阻抗匹配实现难度较大，通常需要另外的匹配元件或匹配支路；缝隙耦合馈电，虽然能拓展带宽，但地板开槽会导致有向后的能量辐射，使天线峰值增益降低。
现有采用双馈电的圆极化天线虽然具有较宽的轴比，但是馈电电路复杂，需要占据较大空间，同时馈电电路也会引入额外的损耗；顺序旋转天线阵虽然可以实现更纯净的圆极化效果，但其单元数目较多结构尺寸较大，多用在单元数较多的面阵中，而读写器天线阵大多是结构紧凑的小型阵列。
就目前常用的阵列单元而言，贴片天线虽然具有较高的结构稳定性，但带宽较窄，难以完全覆盖目前超高频RFID常用的902-928MHz频段；电磁偶极子单元虽然具有宽带特性，但其长度一般在半波长，当天线单元排布间距较小时相邻单元互耦影响很大，这会导致天线阵列性能严重恶化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供圆极化超高频的天线单元，应用耦合馈电，结合以空间交叠方式引入的叠层电容，实现了天线单元的小型化。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了圆极化超高频的天线单元，包括金属地板、第一层PCB板、第二层PCB板、十字导电贴片、板载导电贴片、以及四个匹配导电贴片、四个导电柱；其中，十字导电贴片贴设于第一层PCB板的其中一表面上，四个匹配导电贴片贴设于第一层PCB板的另一表面上，各匹配导电贴片分别与十字导电贴片上的各端部彼此间一一对应，十字导电贴片上的各端部分别与其对应匹配导电贴片之间形成叠层电容；
板载导电贴片贴设于第二层PCB板的其中一表面上，板载导电贴片表面设置条形槽、以及馈电点，同轴电缆的一端连接馈电点，同轴电缆的另一端穿过金属地板对接RFID读写器；第二层PCB板以其表面平行第一层PCB板表面的姿态，置于第一层PCB板的下方，且沿垂直于第一层PCB板表面的投影方向，十字导电贴片的中心位置投影位于板载导电贴片的投影内；金属地板以其表面平行第二层PCB板表面的姿态，置于第二层PCB板的下方；第一层PCB板、第二层PCB板、金属地板三者相邻板之间分别保持预设距离间距；
四个导电柱分别与各匹配导电贴片彼此间一一对应，各导电柱上其中一端分别与对应匹配导电贴片相连接，且各导电柱上的该端不与十字导电贴片接触，各导电柱上另一端分别穿过第二层PCB板上非板载导电贴片贴设区域、并对接金属地板，各导电柱分别与其对应第二层PCB板上的穿过位置相连接。
作为本发明的一种优选技术方案：十字导电贴片由两相同长度直线形导电贴片彼此间以中点位置相互正交构成，且两直线形导电贴片分别所在面相共面，十字导电贴片贴设于第一层PCB板的其中一表面上，且沿垂直于第一层PCB板表面的投影方向，十字导电贴片的投影位于第一层PCB板的投影内；四个匹配导电贴片贴设于第一层PCB板的另一表面上，各匹配导电贴片分别与十字导电贴片上的各端部彼此间一一对应，且沿垂直于第一层PCB板表面的投影方向，各匹配导电贴片的投影分别与十字导电贴片上对应端部的投影彼此间存在重叠，以及十字导电贴片其中一直线形导电贴片两端部与对应匹配导电贴片之间的投影重叠区域面积、和另一直线形导电贴片两端部与对应匹配导电贴片之间的投影重叠区域面积彼此不同，十字导电贴片上的各端部分别与其对应匹配导电贴片之间形成叠层电容。
作为本发明的一种优选技术方案：第一层PCB板表面形状为正方形，各匹配导电贴片为扇形，各匹配导电贴片分别位于第一层PCB板上其所设面的四个顶角位置，且各匹配导电贴片扇形的两直边分别与其所设顶角位置的两直角边相平齐。
作为本发明的一种优选技术方案：若板载导电贴片表面为多边形，则板载导电贴片上至少一个顶角位置设置切角；若板载导电贴片表面为圆形或椭圆形，则板载导电贴片上至少一个弧形位置设置切边。
作为本发明的一种优选技术方案：板载导电贴片表面为矩形，则板载导电贴片上对象线上的两个顶角位置分别设置切角。
作为本发明的一种优选技术方案：基于沿垂直于第一层PCB板表面投影方向，板载导电贴片表面馈电点的投影位于十字导电贴片中夹角角平分线所在直线的投影上。
作为本发明的一种优选技术方案：板载导电贴片表面条形槽位于板载导电贴片的中心位置。
与上述相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种基于圆极化超高频的RFID天线单元的RFID读写器阵列天线，设计阵列排布方式，实现天线信号的大角度扫描。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于圆极化超高频的RFID天线单元的RFID读写器阵列天线，包括至少两个RFID天线单元，各RFID天线单元阵列排布设置，且相邻RFID天线单元之间间距满足预设距离，且相邻RFID天线单元的金属地板彼此之间相对边缘相互对接。
作为本发明的一种优选技术方案：阵列排布的各RFID天线单元结构中，各十字导电贴片中各夹角角平分线所在直线分别与阵列排布结构的行、列相平行。
本发明所述圆极化超高频的天线单元，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本发明所设计圆极化超高频的天线单元，以金属地板为基础，加入第一层PCB板与第二层PCB板，通过第一层PCB板上下面设置的十字导电贴片和匹配导电贴片，构成刚刚叠层电容，并通过各匹配导电贴片与十字导电贴片之间重叠面积的不同，引入微扰，激励起正交的两个模式，共同产生了圆极化辐射效果，同时联系第二层PCB板表面所设置的板载导电贴片，通过空间耦合激励天线圆极化辐射，提升天线单元带宽；本发明还进一步以阵列排布方式设计RFID读写器阵列天线，实现了天线信号的大角度扫描；
（2）本发明所设计圆极化超高频的天线单元，利用上下层贴片的区域性重合引入了叠层电容加载，实现了天线尺寸的缩小，天线长宽仅为0.24λ。满足小型化单元的需求；板载导电贴片利用切角贴片空间耦合激励起圆极化辐射，不仅实现较好的阻抗匹配（|S 11 |<-10dB），并且拓展了天线带宽；以PCB基板的基础设计，加工较为方便，且误差较小。
附图说明
图1是本发明设计圆极化超高频的RFID天线单元中第一层PCB板位置的俯视示意图；
图2是本发明设计圆极化超高频的RFID天线单元中第二层PCB板位置的俯视示意图；
图3是本发明设计圆极化超高频的RFID天线单元的侧视示意图；
图4是本发明设计圆极化超高频的RFID天线单元的RFID读写器阵列天线的示意图；
图5是本发明设计RFID读写器阵列天线应用中的波束扫描时的3D方向图；
图6是本发明设计应用中RFID天线单元反射系数与RFID天线单元之间的隔离度示意图；
图7是本发明设计应用中主波束正侧方辐射时的轴比关系示意图；
图8是本发明设计RFID读写器阵列天线应用中在yoz面波束扫描(-45°~ 45°)方向的示意图。
其中，1. 金属地板,2. 第一层PCB板,3. 第二层PCB板,4. 十字导电贴片,5. 板载导电贴片,6. 匹配导电贴片,7. 导电柱，8. 同轴电缆，9. 条形槽，10. 馈电点。
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。
本发明所设计圆极化超高频的天线单元，实际应用中，如图1至图3所示，具体设计包括金属地板1、第一层PCB板2、第二层PCB板3、十字导电贴片4、板载导电贴片5、以及四个匹配导电贴片6、四个导电柱7；其中，如图1所示，十字导电贴片4贴设于第一层PCB板2的其中一表面上，四个匹配导电贴片6贴设于第一层PCB板2的另一表面上，各匹配导电贴片6分别与十字导电贴片4上的各端部彼此间一一对应，十字导电贴片4上的各端部分别与其对应匹配导电贴片6之间形成叠层电容。
如图2所示，板载导电贴片5贴设于第二层PCB板3的其中一表面上，板载导电贴片5表面设置条形槽9、以及馈电点10，同轴电缆8的一端连接馈电点10，同轴电缆8的另一端穿过金属地板1对接RFID读写器；如图3所示，第二层PCB板3以其表面平行第一层PCB板2表面的姿态，置于第一层PCB板2的下方，且沿垂直于第一层PCB板2表面的投影方向，十字导电贴片4的中心位置投影位于板载导电贴片5的投影内；金属地板1以其表面平行第二层PCB板3表面的姿态，置于第二层PCB板3的下方；第一层PCB板2、第二层PCB板3、金属地板1三者相邻板之间分别保持预设距离间距。
如图3所示，四个导电柱7分别与各匹配导电贴片6彼此间一一对应，各导电柱7上其中一端分别与对应匹配导电贴片6相连接，且各导电柱7上的该端不与十字导电贴片4接触，各导电柱7上另一端分别穿过第二层PCB板3上非板载导电贴片5贴设区域、并对接金属地板1，各导电柱7分别与其对应第二层PCB板3上的穿过位置相连接。
基于上述设计RFID天线单元方案基础之上，本发明进一步具体设计，如图1所示，十字导电贴片4由两相同长度直线形导电贴片彼此间以中点位置相互正交构成，且两直线形导电贴片分别所在面相共面，十字导电贴片4贴设于第一层PCB板2的其中一表面上，且沿垂直于第一层PCB板2表面的投影方向，十字导电贴片4的投影位于第一层PCB板2的投影内；四个匹配导电贴片6贴设于第一层PCB板2的另一表面上，各匹配导电贴片6分别与十字导电贴片4上的各端部彼此间一一对应，且沿垂直于第一层PCB板2表面的投影方向，各匹配导电贴片6的投影分别与十字导电贴片4上对应端部的投影彼此间存在重叠，以及十字导电贴片4其中一直线形导电贴片两端部与对应匹配导电贴片6之间的投影重叠区域面积、和另一直线形导电贴片两端部与对应匹配导电贴片6之间的投影重叠区域面积彼此不同，十字导电贴片4上的各端部分别与其对应匹配导电贴片6之间形成叠层电容。
应用于实际具体当中，如图1所示，具体设计采用第一层PCB板2表面形状为正方形，各匹配导电贴片6为扇形，各匹配导电贴片6分别位于第一层PCB板2上其所设面的四个顶角位置，且各匹配导电贴片6扇形的两直边分别与其所设顶角位置的两直角边相平齐。
关于板载导电贴片5具体应用中，若板载导电贴片5表面为多边形，则板载导电贴片5上至少一个顶角位置设置切角；若板载导电贴片5表面为圆形或椭圆形，则板载导电贴片5上至少一个弧形位置设置切边；具体实际应用实施中，如图1所示，板载导电贴片5表面为矩形，则板载导电贴片5上对象线上的两个顶角位置分别设置切角。
进一步在实际实施中，针对板载导电贴片5表面馈电点10位置进行具体设计，如图2所示，基于沿垂直于第一层PCB板2表面投影方向，板载导电贴片5表面馈电点10的投影位于十字导电贴片4中夹角角平分线所在直线的投影上，以及设计板载导电贴片5表面条形槽9位于板载导电贴片5的中心位置。
在通过上述方案设计构建圆极化超高频的RFID天线单元后，进一步设计基于此RFID天线单元搭建的RFID读写器阵列天线，如图4所示，包括至少两个RFID天线单元，各RFID天线单元阵列排布设置，且相邻RFID天线单元之间间距满足预设距离，诸如间距为0.457λ（150mm），且相邻RFID天线单元的金属地板1彼此之间相对边缘相互对接；在实际应用中，阵列排布的各RFID天线单元结构中，各十字导电贴片4中各夹角角平分线所在直线分别与阵列排布结构的行、列相平行。
上述技术方案设计在应用中，利用板载导电贴片5进行耦合馈电，实现了阻抗匹配和带宽拓展，天线实现宽带效果可以覆盖RFID系统超高频频段常用的903-930GHz频段；第一层PCB板2上下面结构所构成的叠层电容的结构设计，以剖面抬高的方式实现了天线面积的缩小；并且利用各匹配导电贴片6引入微扰实现圆极化效果，圆极化带宽为917-927MHz，可以完全覆盖中国RFID超高频通用频段（920-925MHz）；实际应用当中，应用采用50欧姆的半刚性同轴线的SMA（3.5mm）连接板载导电贴片5的馈电点10。
基于多个RFID天线单元所排布设计的阵列结构，均匀直线阵主波束指向：，其中为相邻RFID天线单元的激励相差，为相邻RFID天线单元的间距，为传播常数。利用小型化单元，可以缩减RFID天线单元间距，实现了阵列的大角度扫描。
如图5和图8所示，本发明设计RFID读写器阵列天线应用中的波束扫描时的3D方向图，RFID天线单元的馈电端口等幅激励，相邻馈电端口激励相差相等，依次为0°、47°、90°、147°，各RFID天线单元所构整体天线阵列在yoz面波束扫描范围可以达到90°（-45°~45°）。并且如图6所示，本发明设计RFID读写器阵列天线在902-928MHz阻抗匹配良好（|S11|＜-10dB），天线单元之间隔离度大于15dB（|S31|&|S21|＜-15dB）；如图7所示，本发明设计RFID读写器阵列天线在920-928MHz，轴比小于6dB，具有圆极化辐射效果。
本发明设计圆极化超高频的RFID天线单元，以金属地板1为基础，加入第一层PCB板2与第二层PCB板3，通过第一层PCB板2上下面设置的十字导电贴片4和匹配导电贴片6，构成刚刚叠层电容，并通过各匹配导电贴片6与十字导电贴片4之间重叠面积的不同，引入微扰，激励起正交的两个模式，共同产生了圆极化辐射效果，同时联系第二层PCB板3表面所设置的板载导电贴片5，通过空间耦合激励天线圆极化辐射，提升天线单元带宽；本发明还进一步以阵列排布方式设计RFID读写器阵列天线，实现了天线信号的大角度扫描；方案设计中，利用上下层贴片的区域性重合引入了叠层电容加载，实现了天线尺寸的缩小，天线长宽仅为0.24λ。满足小型化单元的需求；板载导电贴片5利用切角贴片空间耦合激励起圆极化辐射，不仅实现较好的阻抗匹配（|S 11 |<-10dB），并且拓展了天线带宽；以PCB基板的基础设计，加工较为方便，且误差较小。
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 (9)

1.圆极化超高频的天线单元，其特征在于：包括金属地板（1）、第一层PCB板（2）、第二层PCB板（3）、十字导电贴片（4）、板载导电贴片（5）、以及四个匹配导电贴片（6）、四个导电柱（7）；其中，十字导电贴片（4）贴设于第一层PCB板（2）的其中一表面上，四个匹配导电贴片（6）贴设于第一层PCB板（2）的另一表面上，各匹配导电贴片（6）分别与十字导电贴片（4）上的各端部彼此间一一对应，十字导电贴片（4）上的各端部分别与其对应匹配导电贴片（6）之间形成叠层电容；
板载导电贴片（5）贴设于第二层PCB板（3）的其中一表面上，板载导电贴片（5）表面设置条形槽（9）、以及馈电点（10），同轴电缆（8）的一端连接馈电点（10），同轴电缆（8）的另一端穿过金属地板（1）对接RFID读写器；第二层PCB板（3）以其表面平行第一层PCB板（2）表面的姿态，置于第一层PCB板（2）的下方，且沿垂直于第一层PCB板（2）表面的投影方向，十字导电贴片（4）的中心位置投影位于板载导电贴片（5）的投影内；金属地板（1）以其表面平行第二层PCB板（3）表面的姿态，置于第二层PCB板（3）的下方；第一层PCB板（2）、第二层PCB板（3）、金属地板（1）三者相邻板之间分别保持预设距离间距；
四个导电柱（7）分别与各匹配导电贴片（6）彼此间一一对应，各导电柱（7）上其中一端分别与对应匹配导电贴片（6）相连接，且各导电柱（7）上的该端不与十字导电贴片（4）接触，各导电柱（7）上另一端分别穿过第二层PCB板（3）上非板载导电贴片（5）贴设区域、并对接金属地板（1），各导电柱（7）分别与其对应第二层PCB板（3）上的穿过位置相连接。
2.根据权利要求1所述圆极化超高频的天线单元，其特征在于：十字导电贴片（4）由两相同长度直线形导电贴片彼此间以中点位置相互正交构成，且两直线形导电贴片分别所在面相共面，十字导电贴片（4）贴设于第一层PCB板（2）的其中一表面上，且沿垂直于第一层PCB板（2）表面的投影方向，十字导电贴片（4）的投影位于第一层PCB板（2）的投影内；四个匹配导电贴片（6）贴设于第一层PCB板（2）的另一表面上，各匹配导电贴片（6）分别与十字导电贴片（4）上的各端部彼此间一一对应，且沿垂直于第一层PCB板（2）表面的投影方向，各匹配导电贴片（6）的投影分别与十字导电贴片（4）上对应端部的投影彼此间存在重叠，以及十字导电贴片（4）其中一直线形导电贴片两端部与对应匹配导电贴片（6）之间的投影重叠区域面积、和另一直线形导电贴片两端部与对应匹配导电贴片（6）之间的投影重叠区域面积彼此不同，十字导电贴片（4）上的各端部分别与其对应匹配导电贴片（6）之间形成叠层电容。
3.根据权利要求2所述圆极化超高频的天线单元，其特征在于：第一层PCB板（2）表面形状为正方形，各匹配导电贴片（6）为扇形，各匹配导电贴片（6）分别位于第一层PCB板（2）上其所设面的四个顶角位置，且各匹配导电贴片（6）扇形的两直边分别与其所设顶角位置的两直角边相平齐。
4.根据权利要求1所述圆极化超高频的天线单元，其特征在于：若板载导电贴片（5）表面为多边形，则板载导电贴片（5）上至少一个顶角位置设置切角；若板载导电贴片（5）表面为圆形或椭圆形，则板载导电贴片（5）上至少一个弧形位置设置切边。
5.根据权利要求4所述圆极化超高频的天线单元，其特征在于：板载导电贴片（5）表面为矩形，则板载导电贴片（5）上对象线上的两个顶角位置分别设置切角。
6.根据权利要求1所述圆极化超高频的天线单元，其特征在于：基于沿垂直于第一层PCB板（2）表面投影方向，板载导电贴片（5）表面馈电点（10）的投影位于十字导电贴片（4）中夹角角平分线所在直线的投影上。
7.根据权利要求1所述圆极化超高频的天线单元，其特征在于：板载导电贴片（5）表面条形槽（9）位于板载导电贴片（5）的中心位置。
8.基于权利要求1至7中任意一项所述圆极化超高频的天线单元的RFID读写器阵列天线，其特征在于：包括至少两个RFID天线单元，各RFID天线单元阵列排布设置，且相邻RFID天线单元之间间距满足预设距离，且相邻RFID天线单元的金属地板（1）彼此之间相对边缘相互对接。
9.根据权利要求8所述圆极化超高频的天线单元的RFID读写器阵列天线，其特征在于：阵列排布的各RFID天线单元结构中，各十字导电贴片（4）中各夹角角平分线所在直线分别与阵列排布结构的行、列相平行。
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