CN207149702U - 近远场rfid读写器可切换天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种近远场RFID读写器可切换天线，该天线为双面微带线馈电网络结构天线，包括用于进远场工作模式切换的两个馈电端口、偶极子阵列结构、金属过孔、集成电阻以及介质基板；所述偶极子阵列结构，包括由四个偶极子天线组成的方环，其中，每一个偶极子天线分别由四分之一阻抗变换结构馈电；所述金属过孔设有六个，其中四个金属过孔分别通过双面微带线馈电网络结构(QDSPSL)与偶极子阵列结构相连，另外两个金属过孔与一同轴馈电内芯相焊接；所述集成电阻与远场工作模式下的馈电端口处集成，用于实现在远场工作模式下天线宽带阻抗匹配。本实用新型利用馈电点位置实现RFID读写器天线工作模式切换，克服了传统天线单一的工作模式，能够极大的减少应用成本。

Description

近远场RFID读写器可切换天线

技术领域

本实用新型属于属于电磁场微波与技术领域，具体属于一种应用于近远场RFID读写器可切换天线。

背景技术

射频识别(RFID)技术是一种通过无线射频方式进行非接触式的双向数据通信，对目标加以识别并获取相关信息的自动识别技术。射频识别的工作频率包括低频(135KHz)、高频(13.56MHz)、超高频(860MHz～960MHz)及微波频段2.4GHz以上，其中高频和超高频的应用最为广泛。读写器天线在射频识别系统中起着不可替代的作用。近年来随着单品级RFID应用的提出，利用近场耦合的超高频RFID系统得到越来越多的重视。超高频近场RFID系统更多的应用于零售业、医药业、贵重物品追踪等领域。超高频近场RFID读写器天线成为近场工系统的关键技术之一，它直接影响读取范围和读取距离。

按天线与标签的耦合原理RFID系统可以分为两大类：近场RFID系统和远场RFID系统。多数情况下近场RFID系统标签与天线之间通过磁场耦合传输信号和能量，远场 RFID系统中标签是通过传输到自由空间中电磁波获得的能量。也有一些RFID系统具有较低的输出功率，标签工作在天线近场范围内，它们也属于近场系统。近场耦合技术在 LF/HF RFID系统中得到广泛应用，现在UHF近场RFID系统中也在使用。近场RFID系统的标签读取距离较短。远场RFID系统在UHF和微波RFID系统中应用的比较多。远场RFID系统的工作原理是阅读器通过天线发送特定频率的信号，标签收到信号后或产生感应电流使标签芯片工作，标签芯片通过改变它的输入阻抗从而调制反向散射信号来向阅读器发送信息。近场耦合RFID系统中，阅读器通过阅读器天线在天线与标签之间产生较强的磁场，这个磁场会使标签上产生电流来供标签工作。标签工作时，内部负载电阻的接通与断开会反映到阅读器天线上的电压变化。通过需要传输的数据控制负载电阻的通断，在阅读器端监测电压变化既可以获得数据。在天线近场区域，可以产生较强的电场和较弱的磁场，也可以产生较强的磁场和较弱的电场。这两种情况是由所设计的阅读器天线来决定的。多数情况下，UHF近场RFID系统中采用的都是磁场耦合技术，因此所使用的天线都是产生较强磁场的天线。

在实际应用中RFID读写器天线无法进行切换工作状态分别应用于近场与远场系统中，这种天线无法同时实现近场磁场耦合对近场标签进行读取，和切换工作模式实现远场应用。这样天线工作模式单一，应用成本较高，不能实现近远场多种用途。

实用新型内容

本实用新型提供一种近远场RFID读写器可切换天线及其设计方法，克服了RFID读写器天线单一的工作模式，并且极大地减少了应用成本。

为解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：一种近远场RFID读写器可切换天线，该天线为双面结构，包括用于近远场工作模式切换的两个馈电端口、偶极子阵列结构、金属过孔、集成电阻以及介质基板，所述两个馈电端口、偶极子阵列结构、金属过孔、集成电阻均设置在介质基板上；所述两个馈电端口均与偶极子阵列结构连接，其中一个馈电端口位于偶极子阵列结构的中心位置，另一个馈电端口位于任一偶极子天线附近处；所述天线采用双面微带线馈电网络结构(QDSPSL)，由于天线正面与背面电流相位反向，能够抵消馈电网络产生的磁场，在天线切换在近场工作模式下，能够不会对天线近场磁场产生影响。该天线采用四分之一阻抗变换特性，根据公式其中Z_c为四分之一阻抗特性，R_L为输入阻抗，这里为50欧，为终端阻抗，利用阻抗特性变换，从而设计出双面微带线馈电网络结构(QDSPSL)。

所述偶极子阵列结构，包括由四个偶极子天线组成的方环，其中，每一个偶极子天线分别由四分之一阻抗变换结构馈电；所述天线采用偶极子阵列天线的结构方式，近场工作模式基于磁场耦合要求，采用偶极子阵列天线实现近场工作模式下强磁场特性。本天线利用四个偶极子天线组成方环结构，采用中心馈电，根据公式偶极子长度小于半个波长，电流相位能够保持一致，从而实现了天线中心区域磁场的增强。

所述金属过孔设有六个，其中四个金属过孔分别通过双面微带线馈电网络结构与偶极子阵列结构相连，另外两个金属过孔与一同轴馈电内芯相焊接；

所述集成电阻在远场工作模式下的馈电端口处集成，用于实现在远场工作模式下天线宽带阻抗匹配。

进一步地，所述四个偶极子天线均为矩形且等长等宽。

进一步地，所述介质基板采用陶瓷材料或者环氧树脂玻璃纤维板或者纸质材料。

进一步地，所述集成电阻选用1206系列20Ω的电阻，能够使得天线在远场工作模式下增大天线输入阻抗实部特性，能够实现天线宽频特性。

进一步地，所述四个偶极子天线组成方环结构，其内的中心馈电点处采用圆形巴伦结构。

进一步地，所述巴伦结构的材质为铜、银和导电油墨中的一种或几种，并且天线中偶极子阵列结构，双面微带线馈电网络结构(QDSPSL)的材质也为铜、银和导电油墨中的一种。

进一步地，所述介质基板的介电常数为4.3～4.5，厚度为1.4～1.8mm。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提出了一种应用于远近场RFID读写器可切换天线，利用设置近场馈电点位置和远场馈电点位置，所述近场馈电点利用四分之一阻抗变换实现天线的宽带阻抗匹配，并且馈电网络采用双面微带线馈电网络结构(QDSPSL)；远场馈电点处设置集成电阻，在远场工作模式下实现天线的宽带阻抗匹配，以此实现RFID读写器天线近远场工作模式切换，克服了传统天线单一的工作模式，能够极大的减少应用成本。

本实用新型通过近远场模式切换，不仅实现了对近场标签进行阅读，还利用了磁场耦合，避免了液体对标签造成的影响，并且能够对远场标签进行阅读，能够极大增加了读取距离。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为天线表面完整结构正面图；

图2为天线表面完整结构背面图；

图3为天线工作在远场模式下反射系数；

图4为天线工作在远场模式下3D方向图；

图5为天线工作在远场模式下对远场标签读取示意图；

图6为天线工作在近场模式下反射系数图；

图7为天线工作在近场模式下磁场分布图；

图8为天线工作在近场模式下3D方向图；

图9为天线工作在近场模式下对近场标签读取示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不限定本实用新型。

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设有”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1与图2，天线正面为四个偶极子阵列结构排布成方环，由双面微带线馈电结构组成的馈电网络，金属过孔以及1206系列20欧的电阻。偶极子阵列结构包括四个偶极子天线组成的方环，每一个偶极子天线分别由双面四分之一阻抗变换结构馈电，这里G2设置为48mm，天线分别有两个馈电端口用于近远场工作模式的切换。整个天线大小为18cm×18cm，厚度为1.6mm。

本实施例的天线采用双面微带线馈电网络结构(QDSPSL)，由于天线正面与背面电流相位反向，能够抵消馈电网络产生的磁场，在天线切换在近场工作模式下，能够不会对天线近场磁场产生影响。如图1所示，馈电网络采用四分之一阻抗匹配特性，W1设置为3.5 mm，输入阻抗为50欧，根据公式优化后的W2为3.2mm。

如图1所示，天线采用偶极子阵列进行排布，实现方环结构，L1设置为105mm，偶极子臂的长度低于二分之一波长，并且，根据公式天线臂长会影响电流相位分布，当臂长越小时，感抗L会小，所以天线谐振频率会增大，反之，天线臂长越长，当超过半波长时，天线表面电流不会出现同向，容易出现反向甚至抵消。因此，综合以上因素，天线偶极子臂长很关键。优化后L1设置为105mm，首先使得偶极子上电流同向，进而能使围城的区域实现磁场均匀，并且使得谐振中心频率在840MHz左右，能够符合中国标准。

天线远场工作模式下，天线集成了电阻，并且馈电点B的位置距离A位置为L2，这里设为43mm，当B点的位置接近馈电点A处时，首先四个偶极子天线上电流分布会同向，这样就形成了近场工作模式。当B点位置距离里A点越大时，天线的输入阻抗实部特性会降低。实际应用时，可以选用SMA头焊接，这里输入阻抗为50欧，综合以上因素，本实施例将L2设置为43mm，此时四个偶极子上的电流分布不再同向，这就是天线工作在远场模式下的机理。首先，水平的偶极子天线上的电流会沿着同一个方向，由于馈电点位置的改变，使得电流有了相位延时。另外，垂直的两个偶极子天线上的电流分布呈反向特性。电磁波沿着Z轴方向传播时，垂直的两个偶极子形成的辐射场由于反向电流原因会互相抵消，而水平的偶极子形成的辐射场会形成水平极化，这样就实现了天线的可切换工作状态。

如图3所示天线工作在远场模式时反射系数，在850MHz～1.1GHz，S11低于-10dB，并且在920MHz～1GHz，反射系数低于-15dB，这样就实现了宽带匹配特性。为了验证其性能，我们将天线正上方识别区域260×260mm²分成9×3方格，见图5。采用Alien A9662系列标签，这里识别标签的方式采用电磁反向散射原理，即通过空间中的电磁波获取能量从而激活标签。可以看出，天线识别远场标签的距离达到了90cm，此时阅读器设置的功率为20dBm。

图4给出了天线工作在远场模式下天线的3D方向图，可以看出此时增益在-3dBic左右，并且集成了电阻，实现了天线的宽带性能。

如图6所示，当天线采用中心馈电时，此时反射系数在830～870MHz都低于-15dB，实现了很好的匹配，并且覆盖了840～845MHz以及865～868MHz。而本实用新型中的天线采用双面微带线结构，类似于天线中间产生电容效应，因此双面电流相位相反，因而能够实现磁场的抵消。

如图7所示，根据天线工作在近场模式下表面磁场强度分布，可以看出在840～880MHz，磁场强度很均匀，并且强度大致在-7dBA/m左右，结果显示该种设计极大增强了区域磁场。图8示出了天线工作在近场模式下3D方向图，在沿Z轴辐射方向，可以看出天线的远场增益很低，避免了天线对其他标签的误读，能够很好的实现近场区域的磁场耦合特性。

为了验证天线在近场工作模式下特性，将天线正上方识别区域140×140mm²分成7×7方格，见图9，每个方格采用Impinji J41近场标签，此款标签磁场强度最小值为-24dBA/m，当识别区域磁场强度大于标签最小激活强度值时，该款标签能够完全被激活，不难看出该款天线能够实现最大识别距离为15cm左右。测试时，读写器设置的功率为20 dBm，该款天线在近场模式下，能够很好的对近场标签进行阅读。

参照图1和图2，天线的具体参数如下表：单位(mm)

选择合适的材料，实际加工过程中，天线偶极子阵列结构，双面微带线馈电网络结构以及巴伦结构选择铜材质，介质基板材料选用环氧树脂玻璃纤维板材质，其中，介电常数优选为4.4，厚度优选为1.6mm。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种近远场RFID读写器可切换天线，其特征在于，所述天线为双面微带线馈电网络结构天线，包括用于近远场工作模式切换的两个馈电端口、偶极子阵列结构、金属过孔、集成电阻以及介质基板，所述两个馈电端口、偶极子阵列结构、金属过孔、集成电阻均设置在介质基板上；所述两个馈电端口均与偶极子阵列结构连接，其中一个馈电端口位于偶极子阵列结构的中心位置，另一个馈电端口位于偶极子阵列结构中的任一偶极子天线附近处；

所述偶极子阵列结构，包括由四个偶极子天线组成的方环，其中，每一个偶极子天线分别由四分之一阻抗变换结构馈电；

所述金属过孔设有六个，其中四个金属过孔分别通过双面微带线馈电网络结构与偶极子阵列结构相连，另外两个金属过孔与一同轴馈电内芯相焊接；

所述集成电阻在远场工作模式下的馈电端口处集成，用于实现在远场工作模式下天线宽带阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的近远场RFID读写器可切换天线，其特征在于，所述四个偶极子天线均为矩形且等长等宽。

3.根据权利要求1所述的近远场RFID读写器可切换天线，其特征在于，所述介质基板采用陶瓷材料或者环氧树脂玻璃纤维板或者纸质材料中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的近远场RFID读写器可切换天线，其特征在于，所述集成电阻选用1206系列20Ω的电阻。

5.根据权利要求1所述的近远场RFID读写器可切换天线，其特征在于，所述四个偶极子天线组成方环结构，其内的中心馈电点处采用圆形巴伦结构。

6.根据权利要求5所述的近远场RFID读写器可切换天线，其特征在于，所述介质基板的介电常数为4.3～4.5，厚度为1.4～1.8mm。