CN201256184Y - 一种近远场天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种近远场天线。该天线包括辐射器和馈电网络，其中，所述辐射器包括反射腔和四副偶极子辐射元，所述四副偶极子辐射元排列成一个正方形；所述馈电网络是具有一个输入端和四个输出端的传输线网络，所述四个输出端与所述四副偶极子辐射元一一对应连接；所述馈电网络使得由所述输入端输入的微波信号在到达所述四个偶极子辐射元时的信号幅度相同，并且在到达相对的两个偶极子辐射元时的信号相位相同，在到达相邻的两个偶极子辐射元时的信号相位相差90度。本实用新型通过独特的组阵方式和灵活的馈电方式，实现了近场天线和远场天线的合二为一，并在性能、小型化方面优于目前业界的近场天线或远场天线。

Description

一种近远场天线

技术领域

本实用新型涉及微波、无线通讯技术领域，具体涉及一种近远场天线。

背景技术

天线的场区，可以分为近场区和远场区。近场区和远场区具有不同的性质，相比较而言，近场区是距离天线较近的区域，远场区是距离天线较远的区域。利用天线近场特性的天线，称为近场天线，通信距离较短；利用天线远场特性的天线称为远场天线，主要应用于距离较远的通信。远场天线关注的重要指标之一，是增益；与之对应，近场天线关注的重要指标是电场(磁场)强度。

目前，现有技术的天线很难达到(远场)增益和(近场)电场强度(或磁场强度)都同时让人满意的程度。而在有些领域，例如无线射频识别(RFID)领域，有时需要电子标签在距离阅读器不同距离(包含近场区和远场区)时能够被稳定地读取。

为解决上述问题，现有技术通常的方法是：在近处(近场区)时采用近场天线，在远处(远场区)时采用远场天线。这样，至少要使用两副天线。这种方法至少有以下缺点：

一、两副天线的成本较一副天线高；

二、两副天线的安装空间较大，可能在某些情况下限制其应用；

三、近场天线和远场天线之间存在相互干扰，可能影响到信息的读取。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种近远场天线，通过将近场天线和远场天线合二为一，使得天线能够同时应用于近场区和远场区，并能同时达到较好的近场性能和远场性能。

为解决上述技术问题，本实用新型提供方案如下：

一种近远场天线，包括辐射器和馈电网络；

所述辐射器包括反射腔和固定在所述反射腔中的四副偶极子辐射元，所述反射腔为一个长方体的无盖金属盒，且所述反射腔的底面为一正方形的反射板；所述四副偶极子辐射元排列成一个正方形，且该正方形的四条边分别平行于所述反射板的四条边；

馈电网络是具有一个输入端和四个输出端的一分四的传输线网络，其中，

第一输出端通过使得所述输入端输入的微波信号的信号幅度变化量为第一幅度值、相位变化量为第一相位值的传输线，与第一偶极子辐射元连接；

第二输出端通过使得所述输入端输入的微波信号的信号幅度变化量为第一幅度值、相位变化量为第一相位值的传输线，与第二偶极子辐射元连接，所述第二偶极子辐射元与所述第一偶极子辐射元相对；

第三输出端通过使得所述输入端输入的微波信号的信号幅度变化量为第一幅度值、相位变化量为第一相位值与90度之和的传输线，与第三偶极子辐射元连接；

第四输出端通过使得所述输入端输入的微波信号的信号幅度变化量为第一幅度值、相位变化量为第一相位值与90度之和的传输线，与第四偶极子辐射元连接，所述第四偶极子辐射元与所述第三偶极子辐射元相对。

优选地，上述近远场天线中，所述馈电网络包括一个分配器，该分配器将所述一个输入端分别与所述四个输出端相连接。

优选地，上述近远场天线中，所述馈电网络贴合在所述反射板的外表面，所述输出端分别通过所述反射板上预先设置的穿孔与对应的偶极子辐射元连接。

优选地，上述近远场天线中，所述输出端的传输线为同轴电缆或微带线。

优选地，上述近远场天线中，所述输出端的传输线为同轴电缆时，该输出端的地线焊接在对应的偶极子辐射元的一个臂上，芯线焊接在对应的偶极子辐射元的另一臂上。

优选地，上述近远场天线中，对于连接到相对的两个偶极子辐射元的两个输出端，该两个输出端的传输线长度相等。

优选地，上述近远场天线中，所述反射腔的折边上设置有一射频接头，所述馈电网络的输入端与该射频接头相连。

优选地，上述近远场天线中，还包括天线罩，该天线罩与所述反射腔形成一个空间，且所述四个偶极子辐射元位于该空间内。

从以上所述可以看出，本实用新型提供的近远场天线，通过四个偶极子辐射元，组成一个不连续的方环天线，并在该方环天线上，将天线的馈点从一个增加到四个；再通过新颖的馈电网络保证了各偶极子辐射元的馈电幅度相同，使得方环天线上电流幅度在各处的分布尽可能一样，接近于理想的方环天线理论模型，从而达到比较好的近场天线的效果；并且，本实用新型采用了4个偶极子辐射元，并将辐射元拉开一定的间距，压缩了天线方向图的波束宽度，从而能够通过较小尺寸的天线达到现有技术中较大尺寸的板状天线的同样的增益；本实用新型的近远场天线能够同时用于近场区和远场区，无需分别安装两种天线，从而能够降低天线成本；并且，其性能、小型化方面优于目前业界的近场天线或远场天线。

附图说明

图1为本实用新型实施例所述近远场天线的辐射器的俯视图；

图2为本实用新型实施例所述近远场天线的馈电网络的示意图；

图3为本实用新型实施例所述近远场天线的侧视图；

图4为本实用新型实施例的近远场天线的远场方向图的仿真结果图；

图5为本实用新型实施例的近远场天线的近场性能的仿真结果图。

具体实施方式

本实用新型综合考虑近场通信中的方环天线和远场通信中的板状天线的各自特点，通过将近场天线和远场天线合二为一，设计出了一种近远场天线。该天线克服了现有技术中方环天线和板状天线的缺点，能够同时应用于近场区和远场区。以下通过附图结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

在近场通信中，常用到环天线(如方环天线或圆环天线)。理想的方环天线(基于假象的方环天线分析的基础模型)，其电流的幅度在环上各处都是相同的；在相位方面，方环天线任意一对对边的相位都相同，但两对对边之间的相位相差90度(理想圆环天线也相类似)。理想的方环天线的性能比较好，而实际中使用的方环环天线(或圆环天线)，由于电流从馈点处向远离馈点的地方流动时，电流幅度急剧衰减，从而导致实际性能比理想的方环天线(或圆环天线)差很多。

在远场通信中，通常会用到板状天线(微带天线的一种)。板状天线的反射板的尺寸通常会比较大，边长达到一个波长。例如工作在840MHz的板状天线，其边长达到36cm左右。

本实施例为克服近场天线和远场天线的缺点，提出一种近远场天线。本实施例所述近远场天线主要包括一个新颖的辐射器和一个馈电网络。请参考图1～图2，其中图1为本实施例所述近远场天线的辐射器10的俯视图，图2为本实施例中的馈电网络20的示意图。

其中，所述辐射器10具体包括一个反射腔1和四副偶极子辐射元2，每个偶极子辐射元包括左右两个臂。反射腔1是一个长方体的无盖金属盒(即具有五个面)。该长方体有两个面是正方形，其中的一面是无盖的那一面，并且该无盖的一面的外法线方向作为该天线最大辐射方向；与该无盖的一面正对的那一面是反射板8。反射腔1用电的良导体(例如铝材、铜材等)制成。反射腔1的壁厚在2mm左右，外形尺寸184mm×184mm×50mm。四副偶极子辐射元2，是四个相同(或大致相同)的偶极子辐射元，并排列成一个正方形，且该正方形的四条边分别平行于所述反射板的四条边。

本实施例中，每个偶极子的长度(即偶极子长轴的长度)为122mm，宽度为10mm，厚度为1mm。每个偶极子两臂之间的馈电缝隙宽度为2mm。偶极子距离反射板30～60mm。四个偶极子辐射元2位于同一平面上，且它们的长轴中心线排列成一个边长为140mm的正方形，并且该正方形的四条边分别平行于反射腔1的无盖面(或反射板8)的四条边。每个偶极子辐射元2用电的良导体(例如铜材)制成。每个偶极子辐射元2采用合适的方式(例如衬板、介质螺钉等方式)固定在反射腔1内。这里，四个偶极子辐射元2所在平面还可以高于所述反射腔的无盖面，即位于所述反射腔外。

馈电网络20，包括一个特殊结构的一分四的分配器5。这里，“一分四”是从天线发射的角度看；如果从天线接收的角度看，则是四合一的合成器。该分配器5有一个输入端6和四个输出端7。输入端和输出端的传输线可以由同轴电缆(或微带线等其它传输线)构成，并通过一个一分四的金属(例如铜材制成)分配盒5将输入端和输出端连接起来，具体连接方式是输入端6和四个输出端7的地线(如金属编织网、皮)连接在一起，它们的芯线(或中心导体、信号线)也连接在一起。该四个输出端的传输线的末端分别与偶极子辐射元一一对应连接。输出端7的传输线(如同轴电缆)的长度和阻抗特性需要根据天线工作波长进行设置和选择，以保证：在输入端6输入微波信号时，该微波信号在分别到达四个输出端7传输线的四个末端时的信号幅度都相等，且在其中两个末端处的信号相位相同，在另两个末端处的信号相位也相同。但该另两个末端处的信号相位与前两个末端处的信号相位相差90度(具体的可以是相位超前或相位落后)。

由于输出线的末端与偶极子辐射元连接，换言之，上述馈电网络使得由输入端输入的微波信号在到达所述四个偶极子辐射元时的信号幅度相同(或大致相同)，并且在到达相对的两个偶极子辐射元时的信号相位相同(或大致相同)，在到达相邻的两个偶极子辐射元时的信号相位相差90度。这里，所说的相对的两个偶极子辐射元是指位于所述四个偶极子辐射元形成的正方形的对边的两个偶极子辐射元，所说的相邻的两个偶极子辐射元是指位于该正方形的相邻边上的两个偶极子辐射元。具体的，四个输出端中的第一输出端通过使得所述输入端输入的微波信号的信号幅度变化量为第一幅度值、相位变化量为第一相位值的传输线，与四个偶极子辐射元中的第一偶极子辐射元连接；第二输出端通过使得所述输入端输入的微波信号的信号幅度变化量为第一幅度值、相位变化量为第一相位值的传输线，与第二偶极子辐射元连接，所述第二偶极子辐射元与所述第一偶极子辐射元相对；第三输出端通过使得所述输入端输入的微波信号的信号幅度变化量为第一幅度值、相位变化量为第一相位值与90度之和的传输线，与第三偶极子辐射元连接；第四输出端通过使得所述输入端输入的微波信号的信号幅度变化量为第一幅度值、相位变化量为第一相位值与90度之和的传输线，与第四偶极子辐射元连接，所述第四偶极子辐射元与所述第三偶极子辐射元相对。

为了使得所述馈电网络输出的微波信号的幅度和相位都能达到上述要求，可以通过调整各个输出端传输线的长度和阻抗来实现。通常，与相对的两个偶极子辐射元连接的两个输出端，其传输线长度相等。

图3示出了近远场天线的侧视图。图3中，馈电网络20，置于反射腔1外面(即反射板的外表面的一侧)，分配盒5和同轴电缆7紧贴反射腔1的反射板8的外表面，并可以通过线卡等合适的方式固定在该外表面上。穿过反射板7上为馈电网络20的输出端7预留的四个穿孔(该穿孔的大小保证同轴电缆能够穿过)，四个输出端7分别与四个偶极子辐射元2连接，为四个偶极子馈电。具体的连接方式可以是：输出端同轴电缆的地线(如金属编织网、皮)焊接到偶极子辐射元的一个臂上，较佳的，焊接在该臂上馈点附近预留的焊接孔(预先打好的孔，该孔在保证机械强度的情况下，尽量靠近偶极子两臂之间的馈电缝隙)上，芯线(或中心导体、信号线)就近焊接到偶极子辐射元的另外一臂上，从而相对的两个偶极子辐射元同相馈电，而相邻的偶极子辐射元的相位相差90度。穿过反射板8上为馈电网络20的输入端6预留的一个穿孔(大小保证同轴电缆能够穿过)，将输入端7和事先安装在反射腔1折边上的射频接头4连接，具体连接方式是芯线接芯线、地线接地线。

由于四副偶极子辐射元分成两组，相对的偶极子辐射元作为一组。两组之间的信号相位相差90度，且各个辐射元的信号幅度相等，相邻的辐射元相互垂直，电场空间正交，从而本实施例的近远场天线能够形成圆极化电磁波。

以下通过将本实施例的近远场天线分别与现有技术的近场天线(环天线)和远场天线(板状天线)相比，说明本实施例的优点。

至此，天线的电气性能业已实现。可以根据实际情况为天线增加天线罩、安装件等其它部件。例如，通过天线罩与所述反射腔形成一个空间，将所述四个偶极子辐射元收容在该空间内。

相比于环天线，本实施例的近远场天线辐射器通过四个偶极子辐射元，组成一个不连续的方环天线，并在该方环天线上，将天线的馈点从一个增加到四个；再通过新颖的馈电网络保证了各偶极子辐射元的馈电幅度相同，从而使得方环天线上电流幅度在各处的分布尽可能一样。该馈电网络同时保证：方环两对边的偶极子辐射元同相馈电，另外两对边的偶极子辐射元也同相馈电，两者之间的馈电相位相差90度。该天线性能优于目前实用的环天线(方环或圆环)。可以看出，上述设计使得本实施例的近远场天线接近于理想的方环天线理论模型，从而能够达到比较好的近场天线的效果。

相比于板状天线，本近远场天线，采用了4个偶极子辐射元，并将辐射元拉开一定的间距，压缩了天线方向图的波束宽度，提高了增益。也就是说在天线尺寸较小的情况下仍能保证天线的增益，即能够通过较小尺寸的天线达到现有技术中较大尺寸的板状天线的增益。例如，本实施例中将板状天线的尺寸从大约360mm*360mm，缩小到188mm*188mm，接近于原尺寸的1/4。并且，本实施例中，四个辐射元之间不是彼此直接连接的，主要保证这四个辐射元之间的隔离，不至于相互影响。

最后，通过对本实施例的近远场天线的具体的仿真结果进一步说明本实施例的优点。

请参考图4所示的本实施例的近远场天线的远场方向图的仿真结果，该近远场天线的尺寸设计为188mm*188mm*62mm。可以看出，在0度处(图中箭头所指处)的该近远场天线的增益指标达到了9.153dBi，其远场性能(增益指标)与尺寸为360mm*360mm*62mm的远场天线相当。再请参考图5所示的近场性能(距离天线100mm处的电场强度)仿真结果图。可以看出，本实施例的近远场天线的电场强度在0度处(图中箭头所指处)达到了236.403，比尺寸相当的近场天线的电场强度强约6dB。

综上所述，本实用新型实施例通过独特的组阵方式和灵活的馈电方式，实现了近场天线和远场天线的合二为一，并在性能、小型化方面优于目前业界的近场天线或远场天线。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应注意的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求记载的技术方案及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种近远场天线，其特征在于，包括辐射器和馈电网络；

所述辐射器包括反射腔和固定在所述反射腔中的四副偶极子辐射元，所述反射腔为一个长方体的无盖金属盒，且所述反射腔的底面为一正方形的反射板；所述四副偶极子辐射元排列成一个正方形，且该正方形的四条边分别平行于所述反射板的四条边；

馈电网络是具有一个输入端和四个输出端的一分四的传输线网络，其中，

第一输出端通过使得所述输入端输入的微波信号的信号幅度变化量为第一幅度值、相位变化量为第一相位值的传输线，与第一偶极子辐射元连接；

第二输出端通过使得所述输入端输入的微波信号的信号幅度变化量为第一幅度值、相位变化量为第一相位值的传输线，与第二偶极子辐射元连接，所述第二偶极子辐射元与所述第一偶极子辐射元相对；

第三输出端通过使得所述输入端输入的微波信号的信号幅度变化量为第一幅度值、相位变化量为第一相位值与90度之和的传输线，与第三偶极子辐射元连接；

第四输出端通过使得所述输入端输入的微波信号的信号幅度变化量为第一幅度值、相位变化量为第一相位值与90度之和的传输线，与第四偶极子辐射元连接，所述第四偶极子辐射元与所述第三偶极子辐射元相对。

2.如权利要求1所述的近远场天线，其特征在于，所述馈电网络包括一个分配器，该分配器将所述一个输入端分别与所述四个输出端相连接。

3.如权利要求1所述的近远场天线，其特征在于，所述馈电网络贴合在所述反射板的外表面，所述输出端分别通过所述反射板上预先设置的穿孔与对应的偶极子辐射元连接。

4.如权利要求3所述的近远场天线，其特征在于，所述输出端的传输线为同轴电缆或微带线。

5.如权利要求4所述的近远场天线，其特征在于，所述输出端的传输线为同轴电缆时，该输出端的地线焊接在对应的偶极子辐射元的一个臂上，芯线焊接在对应的偶极子辐射元的另一臂上。

6.如权利要求1所述的近远场天线，其特征在于，对于连接到相对的两个偶极子辐射元的两个输出端，该两个输出端的传输线长度相等。

7.如权利要求1所述的近远场天线，其特征在于，所述反射腔的折边上设置有一射频接头，所述馈电网络的输入端与该射频接头相连。

8.如权利要求1所述的近远场天线，其特征在于，还包括天线罩，该天线罩与所述反射腔形成一个空间，且所述四个偶极子辐射元位于该空间内。

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