CN207743384U - 一种射频识别技术的近场天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种射频识别技术的近场天线，包括天线罩、PCB基板、同轴电缆和射频接头。PCB基板的铺铜辐射面上铺设有螺旋形的微带天线，PCB基板的金属板面接地。同轴电缆的信号线与微带天线的尾端焊接，屏蔽线焊接在PCB基板的金属板面上，射频接头与同轴电缆固定连接。本案的近场天线，PCB基板采用螺旋形的微带天线，容易加工，体积小巧，降低生产成本。相较远场天线而言，天线辐射场更加均匀，RFID系统读卡无盲点，提高生产效率。

Description

一种射频识别技术的近场天线

技术领域

本实用新型涉及天线系统技术领域，特别涉及一种无线射频识别(RadioFrequency Identification，RFID)技术的近场天线。

背景技术

作为一种非接触式的自动识别技术，RFID技术利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递的信息达到识别的目的。同其它识别技术相比，射频识别技术具有很多优点，如非接触性、方便快捷、存储信息量大、快速识别、能够同时识别多个便签和能够穿透非金属等特点。尤其是随着电子技术的迅猛发展和制造技术水平的不断提高，采用无线电和雷达技术实现的射频识别技术的发展非常迅速，在诸如货物采购与分配、商业贸易、生产制造、防盗技术、识别技术和医学应用等领域中，具有巨大的发展和应用潜力。

RFID系统由读卡器、天线和标签组成，形成一个完整的通信链路。在RFID系统中读识器天线分为两种，一种是远场天线，这类天线用于远距离发送和接收标签信号，一般读卡距离为10米以上。还有一种是近场天线，用于标签近距离读取，一般在1米以内。但是现有的近场天线增益和场强都不是很好，天线近场范围内会出现盲点，所以如何设计一种增益强、性能优异、近场场强较强、天线近场范围无盲点的近场天线成为本领域技术人员研究的课题。

实用新型内容

针对上述技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种场强分布均匀、读卡无盲点、稳定的射频识别技术的近场天线。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种射频识别技术的近场天线，包括天线罩、PCB基板、同轴电缆和射频接头；PCB基板的铺铜辐射面上铺设有螺旋形的微带天线，PCB基板的金属板面接地；所述同轴电缆包括信号线和屏蔽线，信号线与微带天线的尾端焊接，屏蔽线焊接在PCB基板的金属板面上，所述射频接头与同轴电缆固定连接；所述天线罩包括上盖和底壳，PCB基板固定在底壳上。

其中，微带天线的螺旋金属线为阿基米德螺旋金属线。

其中，所述PCB基板上设有多个定位孔，且所有定位孔均为过铜处理的定位孔。

其中，所述PCB基板上设有九个定位孔；其中一个定位孔位于微带天线的螺旋金属线上，另外八个定位孔位于微带天线螺旋金属线外部。

其中，八个定位孔中的一个定位孔位于PCB基板的端部且横截面为凸字形结构。

其中，所述天线罩的底壳为铝合金底壳。

其中，所述天线罩的上盖为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物材质的上盖。

其中，所述PCB基板为介电常数为4.4的玻璃纤维环氧树脂PCB基板。

其中，天线罩的底壳背部还设有可将近场天线固定在其他物体上的固定部。

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型提供的射频识别技术的近场天线，PCB基板采用螺旋形的微带天线，容易加工，体积小巧，降低生产成本。同时相较远场天线而言，天线辐射场更加均匀，RFID系统读卡无盲点，提高生产效率。

附图说明

图1为矩形微带天线的模型辐射图；

图2为矩形微带天线的等效缝隙模拟图；

图3位矩形微带天线的等效辐射缝隙图；

图4位近场天线的微带天线图；

图5位近场天线PCB基板的背面图。

主要元件符号说明如下：

1、介质基片 2、接地板

3、微带天线 4、PCB基板

5、定位孔A 6、定位孔B。

具体实施方式

为了更清楚地表述本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步地描述。

首先对微带天线3的辐射特性进行说明：

天线作为一种能量转换装置，分为发射天线和接收天线。发射天线将高频电路转换为向周围空间中辐射的电磁波，接收天线则是将周围空间中辐射的电磁波转换为高频电流。因此可以把一副发射天线看作是一个向周围空间中辐射电磁波的波源。根据离天线距离的不同，可以将天线的场区划分为感应场区、辐射近场区和辐射远场区。辐射近场区的边界范围按工程上通用的标准规定为:

其中，r是测试点到天线的距离，D为天线口径的最大线尺寸，λ为天线工作频率下对应的波长。

由于天线各个辐射源所建立的场的相对相位关系是随距离的变化而变化的。并且这些场的相对振幅也是随距离的变化而变化的。因此辐射近场区的电场的相对角分布随着离开天线的距离的变化而变化，也就是说在距天线不同距离处天线的方向图是不一样的。

下面用传输线模分析法来介绍微带天线3的辐射原理。

将一副微带天线3分解为若干小的微带天线，每一小份微带天线可看成一个矩形微带天线，如图1所示，假设辐射元的长为l，宽为w，介质基片的厚度为h，现将辐射元、介质基片1和接地板2视为一段长为l的微带传输线，在传输线的两端断开形成开路。根据微带传输线理论，由于基片厚度h<<λ，场沿h方向均匀分布。在最简单的情况下，场沿宽度w方向也没有变化，而仅在长度方向(l≈λ/2)有变化。在两开路端的电场均可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量，两垂直分量方向相反，水平分量方向相同，因而在垂直于接地板的方向，两水平分量电场所产生的远区场同相叠加，而两垂直分量所产生的场反相相消。因此，两开路端的水平分量可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙。缝的电场方向与长边垂直，并沿长边w均匀分布。如图2-3所示，缝的宽度为Δl≈h，长度为w，两缝间距为l≈λ/2。这就是说，微带天线3的辐射可以等效为由两个缝隙所组成的二元阵列。故此，微带天线3具有均匀分布覆盖的近场场强，相较远场天线而言，天线辐射场更加均匀，RFID系统读卡无盲点，提高生产效率。

而本实用新型的近场天线采用的是螺旋形的微带天线3，如图4所示，由于螺旋线的相互影响，致使天线的输入阻抗提高，增强近场场强。以阿基米德螺旋天线为例，阿基米德螺旋天线的半径随角度的变化均匀地增加：式中，r₀是起始半径，a是螺旋增长率，是角度(弧度)。但由于螺旋天线不可能像非频变天线要求的那样使其结构缩比到无限小。因此，对高端频率有所限制。但是，若用一根平衡馈线从平面螺旋中心馈电，那么馈电点附近，由大小相等方向相反的电流产生的辐射场在远区互相抵消，在螺旋的周长接近一个波长时有最大辐射。周长为λ的圆环上的行波电流将辐射圆极化波，因此，在周长为一个波长附近的区域，形成平面螺旋的主要辐射区。当频率变化时，主要辐射区随之变动，方向图基本不变。因此，螺旋微带天线具有宽频带工作特性。对应最低频率天线要有1.25λmax，对最高频率，由馈电点间隔尺寸决定，其间隔必须小于λmin/4。为了避免电流在螺旋最外层的边沿上反射，通常在最外层螺旋线的末端接吸收电阻或吸收材料。这样螺旋线上是行波电流，它产生的是圆极化波。如果存在从末端反射回馈电点的电流，它辐射的是反相圆极化波。平衡馈电的巴仑可放在反射腔内，这样可避免方向图倾斜并可以用同轴线馈电。因此本实用新型的近场天线，PCB基板4采用螺旋形的微带天线，容易加工，体积小巧，重量轻、降低生产成本。相较远场天线而言，天线辐射场更加均匀，RFID系统读卡无盲点，在方向特性、阻抗特性、极化特性等方面具有宽频带特性，同时圆极化特性好。

基于上述理论模型，本实用新型的一种技术方案-珠宝试戴盘内置天线如下：此近场天线用于珠宝试戴盘的内置天线，天线构成：尺寸为长295mm×宽262mm×高15MM的天线罩(图未示)，介电常数为4.4的玻璃纤维环氧树脂PCB基板(FR4 PCB基板)4，同轴电缆(图未示)，具有MMCX母头的射频接头，一根316规格200mm长且接头为MMCX公头的馈线。PCB基板与天线罩的底壳的间距为5MM。PCB基板4的铺铜辐射面上铺设有螺旋形的微带天线3，PCB基板4的金属板面接地。同轴电缆的信号线与微带天线的尾端焊接，同轴电缆的屏蔽线焊接在PCB基板4的金属板面上，射频接头与同轴电缆固定连接，馈线与射频接头连接。用此近场天线，珠宝试戴盘可以做到珠宝放置于试戴盘上5cm内的可以被读取到，防止误读到其他珠宝上的标签，珠宝试戴盘可以做的更薄。

上述实施例中，微带天线3的螺旋金属线为阿基米德螺旋金属线。采用阿基米德螺旋天线，天线辐射场更加均匀，RFID系统读卡无盲点，在方向特性、阻抗特性、极化特性等方面具有宽频带特性，同时圆极化特性好。

如图5所示，上述实施例中，PCB基板4上设有九个孔径为2MM的定位孔；其中定位孔A(5)位于微带天线的螺旋金属线上，另外八个定位孔位于微带天线螺旋金属线外部。定位孔B(6)位于PCB基板4的端部且横截面为凸字形结构。所有九个定位孔均为过铜处理的定位孔。

由于阿基米德螺旋天线的半径随角度的变化均匀增加，天线对高端频率有所限制，将定位孔A设置在螺旋金属线上，此处由大小相等方向相反的电流产生的辐射场在远区互相抵消，在螺旋的周长接近一个波长时有最大辐射。周长为λ的圆环上的行波电流将辐射圆极化波，因此，在周长为一个波长附近的区域，形成平面螺旋的主要辐射区。当频率变化时，主要辐射区随之变动，方向图基本不变。因此，螺旋微带天线具有宽频带工作特性。对应最低频率天线要有1.25λmax，对最高频率，由馈电点间隔尺寸决定，其间隔必须小于λmin/4。为了避免电流在螺旋最外层的边沿上反射，通常在最外层螺旋线的末端接吸收电阻或吸收材料，因此定位孔B位于PCB基板的端部且横截面为凸字形结构，该凸字形结构的定位孔不覆铜，吸收电阻，避免电流在螺旋最外层的边沿上反射。

在上述实施例中，天线罩的底壳为铝合金底壳，可以增强天线辐射强度，天线罩的上盖为ABS材质的上盖，不会影响天线正上方的辐射。PCB基板4采用介电常数为4.4的玻璃纤维环氧树脂PCB基板，具有较高的机械性能和介电性能，较好的耐热性和耐潮性，并且具有良好的机械性能。

上述实施例中，天线罩的底壳背部还设有可将近场天线固定在其他物体上的固定部。固定部可以是螺丝孔，也可以是胶贴，便于将天线固定在架子上。

本技术方案的天线近场区具有均匀分布的场强，读卡更稳定，无盲点，天线周围可调至5cm以外读取不到标签，防止误读情况。天线厚度可以做到5mm以内，占用空间小。同时可以抵抗复杂的环境，适用于金属环境下，比如零售柜冰箱、档案柜、药品货架、珠宝零售柜台等。

本实用新型的另一种技术方案-通道门读写器天线内置天线如下：尺寸为长295mm×宽262mm×高15MM的天线罩，介电常数为4.4的玻璃纤维环氧树脂PCB基板(FR4 PCB基板)，同轴电缆，具有SMA母头的射频接头，一根316规格200mm长且接头为SMA公头的馈线。PCB基板的铺铜辐射面上铺设有螺旋形的微带天线，PCB基板的金属板面接地。同轴电缆的信号线与微带天线的尾端焊接，同轴电缆的屏蔽线焊接在PCB基板的金属板面上，射频接头与同轴电缆固定连接，馈线与射频接头连接。

本实用新型的优势在于：

1、采用螺旋形微带天线3，具有均匀分布覆盖的近场场强，且在近场辐射区域有足够大的场强，RFID系统读卡无盲点，提高生产效率；

2体积小巧，容易加工，降低了生产成本；

3、天线罩的底壳为铝合金底壳，上盖为ABS材质的上盖，可以增强天线辐射强度，且不会影响天线正上方的辐射，拥有比较强的抵抗复杂环境干扰的能力。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种射频识别技术的近场天线，其特征在于：包括天线罩、PCB基板、同轴电缆和射频接头；PCB基板的铺铜辐射面上铺设有螺旋形的微带天线，PCB基板的金属板面接地；所述同轴电缆包括信号线和屏蔽线，信号线与微带天线的尾端焊接，屏蔽线焊接在PCB基板的金属板面上，所述射频接头与同轴电缆固定连接；所述天线罩包括上盖和底壳，PCB基板固定在底壳上。

2.根据权利要求1所述的射频识别技术的近场天线，其特征在于：微带天线的螺旋金属线为阿基米德螺旋金属线。

3.根据权利要求1所述的射频识别技术的近场天线，其特征在于：所述PCB基板上设有多个定位孔，且所有定位孔均为过铜处理的定位孔。

4.根据权利要求3所述的射频识别技术的近场天线，其特征在于：所述PCB基板上设有九个定位孔；其中一个定位孔位于微带天线的螺旋金属线上，另外八个定位孔位于微带天线螺旋金属线外部。

5.根据权利要求4所述的射频识别技术的近场天线，其特征在于：八个定位孔中的一个定位孔位于PCB基板的端部且横截面为凸字形结构。

6.根据权利要求1所述的射频识别技术的近场天线，其特征在于：所述天线罩的底壳为铝合金底壳。

7.根据权利要求1所述的射频识别技术的近场天线，其特征在于：所述天线罩的上盖为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物材质的上盖。

8.根据权利要求1所述的射频识别技术的近场天线，其特征在于：所述PCB基板为介电常数为4.4的玻璃纤维环氧树脂PCB基板。

9.根据权利要求1所述的射频识别技术的近场天线，其特征在于：天线罩的底壳背部还设有可将近场天线固定在其他物体上的固定部。