CN205543212U - 一款应用于uhf频段rfid系统的双s型近场读写器天线 - Google Patents
一款应用于uhf频段rfid系统的双s型近场读写器天线 Download PDFInfo
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Abstract
一款应用于UHF频段RFID系统的双S型近场读写器天线，涉及射频识别近场读写器天线领域。天线主要包括上层天线结构、金属连接线以及下层的馈电网络结构。双S型的天线结构位于上层介质板板表面，该结构在减小天线尺寸的同时能够产生强度高稳定性好的磁场。在天线上添加了电阻和电容结构来实现天线阻抗与输入阻抗匹配，从而降低天线的Q值，使其谐振在UHF频段。下层介质板上表面为馈电网络，主要由一个SMA接头连接威尔金森功分器构成。馈电网络通过导线与上层双S型天线结构的末端连接。下层介质板下表面为金属地地板。该天线在驻波比小于2的情况下的带宽为819MHz‑993MHz。该天线的远场增益小于‑7dBi，使用合适的近场标签，可以实现最大读取距离为70mm的无空洞读取。
Description
技术领域
本实用新型涉及射频识别读写器天线领域，具体涉及一种超高频段、应用于近场读写环境的读写器天线。
背景技术
射频识别(Radio Frequency Identification,简称RFID)是一种通过无线射频方式进行非接触式的双向数据通信，从而对目标加以识别的技术。射频识别系统一般由读写器(Reader)和电子标签(Tag)组成。RFID读写器一般由RFID射频模块(发送器和接收器)、控制单元以及读写器天线组成。其中天线是RFID系统中至关重要的装置，RFID系统通过射频天线来实现发射、接收电磁波，从而实现读写器对电子标签的识别。
射频识别系统主要工作在低频、高频、超高频和微波频段。低频和高频射频系统通过电感耦合的方式完成识别，读取距离近。而超高频和微波射频系统通过电磁波传递的方式完成识别，读取距离较远。长期以来，人们都认为超高频不能应用在RFID近场识别的应用场合中。在近场识别领域人们更倾向于使用成熟的HF(High Frequency)解决方案，而在远场识别领域则使用的是UHF(Ultra High Frequency)频段。因此通常所见的超高频/微波频段的天线都是高增益，适用于远场读写。而近年来人们将目光逐渐转向UHF频段的近场读写技术，希望将UHF频段读写器天线尺寸小，增益高等优点应用在近场读写环境中。
目前，国际标准推荐超高频(Ultra High Frequency,简称UHF)频段RFID设备的使用频率是860MHz～960MHz。其中，北美使用的频段是902MHz～928MHz，欧洲使用的频段是865MHz～868MHz。中国信息产业部于2007年四月发布了UHF频段RFID系统应用规定，中国采用840MHz～845MHz和920MHz～925MHz作为UHF频段RFID系统使用频段，无线发射设备的功率规定为2W ERP。近场读写器的工作原理是使用天线的近场辐射来使标签产生耦合，从而激活标签达到读写标签信息的功能。
通常的近场读写器天线都是工作在HF频段，此类天线通过近场耦合来激活标签。然而由于其工作频率的限制，此类天线的尺寸相对于更高频段如UHF频段天线来说都比较大。并且天线的读取距离也受限于近场耦合的读取方式不会太远。而常见的远场天线一般工作在UHF频段，天线的尺寸较小。但是此类天线是利用辐射能量来激活标签，适用于远距离读写。在天线的近场辐射区内增益一般都很小，不能够适用于近场读写应用。因此研究适用于近场读写的UHF频段读写器很有实际价值。而目前现有的应用于UHF频段的近场读写器天线，有的能够满足纯近场读写的要求，但是天线的读取距离较短；有的读取距离较远，但是远场增益较大，不能满足纯近场的读写环境，而且尺寸还偏大。如何同时满足小尺寸，带宽较宽，足够强的近场磁场以及较低的远场增益等要求是本实用新型发明的研究重点。
实用新型内容
本实用新型发明的目的是克服现有技术的不足。针对近场读写应用场景，本实用新型发明提出了一款应用于UHF频段的双S型近场读写器天线。该天线在电压驻波比小于2的情况下的工作频段为819MHz-993MHz，远场增益小于-7dBi，使用合适的近场标签，可以实现最大读取距离为70mm的无空洞读取。该读写器天线具有尺寸小、带宽宽、读取距离远、远场增益低等特性。
用于UHF频段RFID系统的双S型近场读写器天线，包括上层的双S型天线、下层的馈电网络、金属连接线以及地板。双S型天线位于上层介质板板表面，在天线上添加了匹配负载来实现天线输入阻抗与RFID芯片阻抗匹配，从而降低天线的Q值，使其谐振在UHF频段。下层介质板上表面为馈电网络，主要由一个SMA接头连接威尔金森功分器构成。馈电网络通过金属线与上层的双S型天线的末端连接。下层介质板下表面为地板。双S型天线是以偶极子天线为基础，通过对天线上电流较小的部分进行折叠，形成互补双S型结构。这种结构不仅缩小了天线尺寸，还使天线产生了均匀同相的电流，从而使得天线能够产生较强的磁场辐射用于近场读写。通过添加匹配负载，调节了天线的谐振频率，也扩展了天线的带宽。
与现有技术相比，本实用新型有如下的优点和有益效果：
(1)本实用新型双S型读写器天线通过对天线上电流较小的部分进行折叠，不仅缩小了天线尺寸，而且还使天线产生了均匀同相的电流，从而获得强度大而且稳定的磁场，提高了该天线近场应用的读取距离，能够达到70mm的无空洞读取距离。
(2)本实用新型双S型读写器天线通过添加匹配负载展宽带宽，该天线在电压驻波比小于2的情况下工作频段为819MHz-993MHz，覆盖了整个UHF频段，符合宽带特性。
(3)本实用新型双S型读写器天线的远场增益足够小，最大只有-7dBi，能够适用于纯近场读写场合。
附图说明
图1是UHF频段双S型近场读写器天线上层板结构示意图；
图2是UHF频段双S型近场读写器天线下层板结构示意图；
图3是UHF频段双S型近场读写器天线侧视图；
图4是UHF频段双S型近场读写器天线的反射系数曲线图；
图5是UHF频段双S型近场读写器天线的远场增益图；
图6是UHF频段双S型近场读写器天线的读取距离仿真图；
图7是UHF频段双S型近场读写器天线的实测读取面积示意图，a、b、c、d分别是z＝0mm，z＝40mm，z＝60mm，z＝70mm处xoy平面的读取面积；
图中，1为双S型天线，2为匹配负载R，3为匹配负载C，4为上层介质板，5为金属连接线，6为威尔金森功分器，7为SMA接头，8为下层介质板，9为地板。
具体实施方式
本方案为覆盖了整个UHF频段且应用于近场读写场合的双S型读写器天线。本实用新型的读写器天线通过折叠天线结构的方式，缩小了天线的尺寸，使天线产生均匀同相的电流，激发出稳定性高、强度大的磁场，从而提高了天线在纯近场读写距离。下面针对本实用新型双S型近场读写器天线结合附图进行详细说明。
本实用新型UHF频段双S型近场读写器天线，天线结构包括：1、双S型天线2、匹配负载R 3、匹配负载C 4、上层介质板5、金属连接线6、威尔金森功分器7、SMA接头8、下层介质板9、金属地板。双S型天线1通过将天线上电流较小的部位进行弯折，使得天线尺寸大幅缩小，其电流分布保持均匀同相，激发出了高强度稳定的磁场，用于读写近场耦合的标签。双S型天线1上添加了匹配负载R2和C3，从而降低了天线的Q值，使天线输入阻抗与芯片阻抗共轭匹配，扩展了天线的带宽，使天线的工作频段覆盖了整个UHF频段(840MHz-928MHz)。威尔金森功分器6与SMA接头7位于下层介质板8上，威尔金森功分器6将SMA接头7输入的射频信号一分二分为两路，通过金属连接线5与上层的双S型天线1进行连接，从而对其均匀馈电。
本实用新型UHF频段双S型近场读写器天线，介质基板采用FR-4材料，相对介电常数为4.3，损耗角正切为0.02，介质板厚度为1.6mm。双S型天线1与匹配负载R2，匹配负载C3位于上层介质板4的上表面，而威尔金森功分器6与SMA接头7位于下层介质板8上，双S型天线的末端与威尔金森功分器6两端通过金属连接线5连通。下层介质板8的下表面为地板9。
本实用新型UHF频段双S型近场读写器天线的上层介质板4与下层介质板8尺寸均为80mm×70mm，两层介质板之间的高度为15mm。双S型天线1的单条S型折叠线长度为159.6mm，线宽为1.4mm。位于天线上的匹配负载R2均为120Ω，匹配负载C3值均为9pF。通过HFSS电磁仿真，天线的反射系数如图4所示。从图中可以看出，天线在电压驻波比小于2情况下的工作频段为819MHz-940MHz，覆盖了整个UHF频段标准(840MHz-928MHz)。天线的远场增益图如图5所示，可见天线的远场增益在所有方向上均小于-7dBi，远场增益很小，天线能够用于纯近场读写场合。天线的读取距离仿真图如图6所示，从天线上层板4至最大可读取处的距离为75mm。
本实用新型UHF频段双S型近场读写器天线使用环境为一般日常环境，测试时将其连接在GSIT公司的读写器上，对Impinj公司的UHF频段近场标签进行了读取距离的测量。图7给出了不同高度(z轴方向)处天线的读取范围面积示意图。从图中可见，天线的最大读取距离为70mm。
上述方案只是本实用新型的一种具体实施方式，在符合本实用新型的特征下可以有多种不同应用方案，但这些应用方案只要符合本实用新型的特征，都应属于本实用新型的权利保护范围。
Claims (1)
1.一款应用于UHF频段RFID系统的双S型近场读写器天线，包含上层的双S型天线、下层的馈电网络、金属连接线以及地板，其特征是双S型天线通过将天线上电流较小的部位进行弯折形成互补双S结构，同时在S双型天线上添加匹配负载进行匹配，馈电网络通过金属连接线与上层的双S型天线相连为天线馈电。
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| CN201620036366.9U CN205543212U (zh) | 2016-01-15 | 2016-01-15 | 一款应用于uhf频段rfid系统的双s型近场读写器天线 |
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| CN116933815A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-10-24 | 华南理工大学 | 一种可实现空间三维场均匀的小型化读写器天线及方法 |
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