TWI513107B - 無線射頻辨識系統之圓形極化天線 - Google Patents

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Description

無線射頻辨識系統之圓形極化天線
本發明是有關於一種圓形極化天線，特別是指一種應用於無線射頻辨識系統之圓形極化天線。
無線射頻辨識(Radio frequency identification,RFID)技術是一種由無線射頻辨識感應器(RFID Reader)發射無線電波，觸動一無線射頻辨識感應標籤(RFID Tag)，以讀取無線射頻辨識感應標籤上的訊號。一般而言，由於無線射頻辨識技術具有訊號讀取距離長、訊號讀取速度快、大量資料儲存能力等等優點，因此近年來已經被廣泛應用於例如出入口管制系統、工業生產線或是生理訊號辨識系統等等實際商業應用層面上。
對於一無線射頻辨識系統來說，無線射頻辨識感應器或無線射頻辨識感應標籤之天線(Antenna)是很重要的關鍵元件，因為天線的設計品質攸關無線射頻辨識感應器的感應距離以及感應精確度的效率，所以近年來已經有相當多探討文獻發表以希望設計出感應距離更長、感應精確度更高的天線。
舉例來說，D.H.Lee等人於2008年在Microwave and Optical Technology Letters所提出「Aperture coupled UHF RFID reader antenna for a handheld application」，以及Z.N.Chen等人於2009年在IEEE Microwave Theory and Techniques所提出「A universal UHF RFID reader antenna」該等文獻中，大體上是以圓形極化天線(Circularly polarized antenna)作為主要的天線設計依據，然而，在該等文獻的天線設計中，存在著體積過大以及結構複雜度過高等等的問題，因此，往往會造成生產成本的過度增加。
再者，Y.F.Lin等人於2008年在Electronics Letters所提出「Bidirectional radiated circularly polarized square-ring antenna for portable RFID reader」，以及S.A.Yeh等人於2009年在Asia Pacific Microwave Conference所提出「Slotline-fed circularly polarized annular-ring slot antenna for RFID reader」該等文獻中，針對圓形極化天線的體積及複雜度問題改以雙向性天線(Bi-directional antenna)作為主要的天線設計依據，然而，這種天線設計方法雖然可以有效降低天線結構複雜度以及天線體積，但是往往卻還是會造成天線增益下降或者是三分貝軸比率頻寬(3-dB axial ratio bandwidth)變小等等的問題，甚至是無法涵蓋無線射頻辨識技術所應涵蓋的所有頻帶(860~960MHz)。
因此，如何找到一種可應用於無線射頻辨識系統之天線設計技術，對於無線射頻辨識系統的發展而言是相當重要的議題之一。
因此，本發明之目的，即在提供一種無線射頻辨識系統之圓形極化天線，設置於一具有一第一表面與一第二表 面之電路基板上，並與一外部微型連接器電連接，以收發一天線訊號，其包含：一接地單元，環繞設置於該電路基板之第一表面的周緣，並界定形成一槽孔；一擾動單元，兩端分別電連接於該接地單元，且向該電路基板之中心側形成一環狀結構；及一饋送單元，設置於該第二表面，其包括：一連結元件，與該外部微型連接器電連接以接收該天線訊號；一第一饋送元件，一端與該連結元件電連接；及一第二饋送元件，與該第一饋送元件垂直設置，且一端與該第一饋送元件電連接；該連結元件接收該天線訊號，傳送至該第一饋送元件與該第二饋送元件，再經由該槽孔將該天線訊號輻射於空氣中。
於是，本發明之功效在於該圓形極化天線之頻寬可完全涵蓋超高頻頻帶之頻率範圍，因此可應用於無線射頻辨識技術。
有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖1，本發明之一較佳實施例，設置於一具有一第一表面S1與一第二表面S2之電路基板上，並與一外部微 型連接器9電連接，以收發一天線訊號，其包含：一設置於該第一表面S1之接地單元51、一設置於該第一表面S1之擾動單元52，及一設置於該第二表面S2之饋送單元53。
該接地單元51包括二具有一第一寬度W1及一第一長度L1之第一接地元件511及二具有一第二寬度W2及一第二長度L2之第二接地元件512，且每一第一接地元件511之兩端分別與每一第二接地元件512之一端電連接，使得該等第一接地元件511、第二接地元件512環繞設置於該電路基板1之周緣，並界定以形成一槽孔700。
該擾動單元52是以一第一接地元件511與一第二接地元件512之交接點A為圓心，分別以一第一半徑R1、一第二半徑R2向該電路基板之中心側形成一環狀結構之金屬帶，且一端電連接於其中之一第一接地元件511，另一端電連接於其中之一第二接地元件512上。其中，該第一半徑R1、第二半徑R2小於該第一長度L1及該第二長度L2。值得說明的是，該電路基板是一FR4基板，且其寬度為M(相當於該第二長度L2)、長度為N(相當於L1+2×W2)、厚度為D。
該饋送單元53包括一具有一第三寬度W3及一第三長度L3之第一饋送元件531、一具有該第三寬度W3及一第四長度L4之第二饋送元件532、一具有該第三寬度W3及一第五長度L5之第三饋送元件533，及一具有一第四寬度W4及長度為該第二寬度W2之連結元件534。其中，該連 結元件534之一端與該外部微型連接器(SMA connector)9電連接，且另一端與該第一饋送元件531之一端電連接，該第二饋送元件532與該第三饋送元件533相間隔平行設置且該第二饋送元件532與該第三饋送元件533之一端分別與該第一饋送元件531以相互垂直之方式電連接，換句話說，該饋送單元53為一F型結構之微帶線(Microstrip)。
較佳地，本較佳實施例之尺寸規格如下表1所示，但不以此為限。
本較佳實施例是一槽孔輻射式天線，因此該天線訊號由該外部微型連接器9經由該連結元件534傳送至該第一、第二、第三饋送元件531、532、533中，然後，該擾動單元52擾動位於該第一接地元件511、第二接地元件512上的電流流動，進而改變該槽孔700中的磁流分布，所以該槽孔700得以將該天線訊號輻射於空氣中，值得說明的是，由於本較佳實施例是以槽孔輻射方式輻射訊號，故其具有雙向輻射之特性。
根據本較佳實施例之設計，兩個相位差九十度之簡併共振模態(Near-degenerated resonant modes)TE10 、TE01 將會相當接近以激發得到較寬的圓形極化波輻射的操作頻寬(Operating bandwidth)，而且其阻抗頻寬(Impedance bandwidth)可以達到142MHz(中心頻率為931MHz)，所以可以涵蓋無線射頻辨識技術所應涵蓋的所有頻帶(860~960MHz)，再者，其三分貝軸比率頻寬(3-dB axial ratio bandwidth)大約為166MHz(中心頻率為940MHz)，峰值增益(Peak gain)為6.8dBic、輻射效率為98%，相較於先前技術中Y.F.Lin等人所提出以雙向性天線作為天線設計之方式，本較佳實施例確實可以大幅改善天線頻寬及效率等等相關數據。
本較佳實施例之中心頻率被設計操作在940MHz，操作頻率可介於超高頻頻帶(Ultra-high frequency,UHF)之中，因此，相當適合應用於無線射頻辨識感應器(RFID reader)之天線元件的設計。
此外，使用Agilent N5230A網路分析儀所量測之波形以及電腦模擬波形如圖2、3、4所示。由圖2可以觀察到，實際量測到的操作頻寬為142MHz(由860~1002MHz)，因此應用於無線射頻辨識感應器時本較佳實施例之操作頻寬確實可以涵蓋整個超高頻頻帶之頻率範圍，此外，由圖3可以觀察到，本較佳實施例確實可激發出兩個相位差九十度之模態(一個為912MHz，另一個為960MHz)，因此可以使得天線輻射效率較佳，最後，由圖4可以觀察到，三分貝軸比率頻寬為857MHz至1023MHz之間，可完全涵蓋超高頻頻帶之頻率範圍(860~960MHz)，因此本較佳實施 例確實可以應用於無線射頻辨識感應器。
綜合上述，本發明提出一具有寬頻特色之圓形極化天線，其頻寬可完全涵蓋超高頻頻帶之頻率範圍，因此相當適合應用於無線射頻辨識技術，此外，本發明相較於先前技術之設計，除了克服頻帶不足之問題，還可有效降低天線結構複雜度以及天線體積，故確實可以達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
51‧‧‧接地單元
511‧‧‧第一接地元件
512‧‧‧第二接地元件
52‧‧‧擾動單元
53‧‧‧饋送單元
531‧‧‧第一饋送元件
532‧‧‧第二饋送元件
533‧‧‧第三饋送元件
534‧‧‧連結元件
700‧‧‧槽孔
9‧‧‧外部微型連接器
L1‧‧‧第一長度
L2‧‧‧第二長度
L3‧‧‧第三長度
L4‧‧‧第四長度
L5‧‧‧第五長度
R1‧‧‧第一半徑
R2‧‧‧第二半徑
S1‧‧‧第一表面
S2‧‧‧第二表面
W1‧‧‧第一寬度
W2‧‧‧第二寬度
W3‧‧‧第三寬度
W4‧‧‧第四寬度
圖1是本發明之一較佳實施例之天線結構圖；圖2是該較佳實施例之反射損失-頻率波形圖；圖3是該較佳實施例之相位-頻率波形圖；及圖4是該較佳實施例之軸比率-頻率波形圖。
51‧‧‧接地單元
511‧‧‧第一接地元件
512‧‧‧第二接地元件
52‧‧‧擾動單元
53‧‧‧饋送單元
531‧‧‧第一饋送元件
532‧‧‧第二饋送元件
533‧‧‧第三饋送元件
534‧‧‧連結元件
700‧‧‧槽孔
9‧‧‧外部微型連接器
L1‧‧‧第一長度
L2‧‧‧第二長度
L3‧‧‧第三長度
L4‧‧‧第四長度
L5‧‧‧第五長度
R1‧‧‧第一半徑
R2‧‧‧第二半徑
S1‧‧‧第一表面
S2‧‧‧第二表面
W1‧‧‧第一寬度
W2‧‧‧第二寬度
W3‧‧‧第三寬度
W4‧‧‧第四寬度

Claims (9)

  1. 一種無線射頻辨識系統之圓形極化天線，設置於一具有一第一表面與一第二表面之電路基板上，並與一外部微型連接器電連接，以收發一天線訊號，其包含：一接地單元，環繞設置於該電路基板之第一表面的周緣，並界定形成一槽孔；一擾動單元，兩端分別電連接於該接地單元，且向該電路基板之中心側形成一環狀結構；及一饋送單元，設置於該第二表面，其包括：一連結元件，與該外部微型連接器電連接以接收該天線訊號；一第一饋送元件，一端與該連結元件電連接；及一第二饋送元件，與該第一饋送元件垂直設置，且一端與該第一饋送元件電連接；該連結元件接收該天線訊號，傳送至該第一饋送元件與該第二饋送元件，再經由該槽孔將該天線訊號輻射於空氣中。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之無線射頻辨識系統之圓形極化天線，其中，該饋送單元還包括一第三饋送元件，其與該第二饋送元件相間隔平行設置且該第三饋送元件之一端與該第一饋送元件以相互垂直方式電連接。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之無線射頻辨識系統之圓 形極化天線，其中，該饋送單元之結構是一F型結構。
  4. 依據申請專利範圍第2項所述之無線射頻辨識系統之圓形極化天線，其中，該第二饋送元件具有一長度，且該第三饋送元件具有一長度，該第二饋送元件之長度相等於該第三饋送元件之長度。
  5. 依據申請專利範圍第2項所述之無線射頻辨識系統之圓形極化天線，其中，該第二饋送元件具有一長度，且該第三饋送元件具有一長度，該第二饋送元件之長度不相等於該第三饋送元件之長度。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之無線射頻辨識系統之圓形極化天線，其中，該接地單元包括二具有一第一寬度及一第一長度之第一接地元件，及二具有一第二寬度及一第二長度之第二接地元件，且每一第一接地元件之兩端分別與每一第二接地元件之一端電連接。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述之無線射頻辨識系統之圓形極化天線，其中，該擾動單元以一第一接地元件與一第二接地元件之交接點為圓心，分別以一第一半徑、一第二半徑向該電路基板之中心側形成一環狀結構。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之無線射頻辨識系統之圓形極化天線，其中，該饋送單元是一微帶線。
  9. 依據申請專利範圍第1項所述之無線射頻辨識系統之圓形極化天線，其中，該饋送單元之結構是一L型結構。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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