CN101299486A - 一种覆盖高频和超高频及微波频段的rfid读写器天线 - Google Patents

Abstract

用于高频(HF)和超高频(UHF)及微波(MW)频段的三频段RFID读写器天线。具体涉及用于层叠平板技术的天线，由介质板1和2，辐射单元，空气层，接地板，耦合及馈电单元组成。辐射单元位于介质板1上，沿边缘开槽。接地板位于介质板2的一面，在中心开一缝隙，通过该缝隙对辐射单元进行馈电。空气层在介质板1和2之间，通过调整空气层厚度和缝隙大小来调整天线工作带宽。电磁耦合及馈电单元位于介质板2的另一面，由环形回路和双分支微带线组成，环形回路为天线提供高频(HF)工作性能，双分支微带线控制超高频(UHF)和微波(MW)频段的匹配性能。本发明具有较宽工作带宽和高增益的特性，适合三频段RFID读写器天线应用。

Description

一种覆盖高频和超高频及微波频段的RFID读写器天线

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及覆盖三频段，高频(HF)，超高频(UHF)和微波(MW)频段的RFID读写器天线技术。本发明更具体地涉及用于层叠平板(stacked patch)技术的天线。

背景技术

随着现代社会的日益进步和信息管理领域的巨大需求，RFID技术已经逐步应用到众多行业，如物流与供应链管理、防伪和安全控制、交通管理和控制、生产管理等。在RFID***中，天线在实现数据通讯过程中起关键作用，因此天线设计是整个RFID***应用的关键。现代无线通信技术发展得很快，对天线技术的要求也越来越高，宽频带或多频带的微带贴片天线由于其轻重量、低轮廓、制造简单、低成本、易共形等优点，在蜂窝电话、全球定位***(GPS)、合成孔径雷达(SAR)、个人移动通信、卫星通信等领域均得到了广泛的应用。

与本发明相关的技术可参见2008年1月1日公告的美国专利第7,315,283号，这个现有技术所揭示的双频天线是利用附加多个寄生贴片技术来实现UHF从860MHz到930MHz和微波频段从2.45GHz到2.55GHz的工作，在微波频段只有4％的频带宽度。同时RFID***有多个工作频率，如13.56MHz，915MHz，2.45GHz等。传统的天线只能工作在单一频段，应用此种天线的读写器只能读取特定频段的标签，若要读取工作于不同频段的标签则需要多个读写器，给应用造成不便，应用上述微带技术的天线实现双频工作的读写器天线目前为止还是不多见的，而可以工作于三个频段的读写器天线就更少见了。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天线工作频带宽，易于调节匹配的RFID三频段读写器天线。

本发明采用边缘开槽技术与层叠贴片和缝隙馈电展宽工作带宽技术相结合的技术方案。

本发明的目的是这样实现的，一种覆盖高频(HF)和超高频(UHF)及微波(MW)频段的RFID读写器天线，包括：

一辐射单元，该辐射单元由单面金属介质板1上的金属构成，其形状可为正方形、长方形、圆形或者其它规则形状，其大小小于介质板1，位置在该介质板的中心处。在所述辐射单元开两组对称凹槽，凹槽的位置和尺寸控制天线的超高频(UHF)和微波(MW)工作频率；

一接地板，该接地板位于双面金属介质板2的一面，在中心位置处开一个缝隙；

一空气层，该空气层位于介质板1和2之间，通过调整空气层厚度和缝隙大小来调整天线工作带宽；

一电磁耦合及馈电单元，该电磁耦合及馈电单元位于双面金属介质板2的另一面，由一个环形回路和一段双分支微带线组成。该环形回路可为正方形、长方形、圆形、椭圆形或其它形状，依靠感应磁场提供天线高频段(HF)的工作性能。并且利用四分之一阻抗变换器原理，使其在超高频(UHF)和微波(MW)频段处于开路状态，天线分别在超高频(UHF)和微波(MW)频段保持良好的匹配性能。每条微带线的特性阻抗都是100Ω，通过改变双分支微带线的长度可控制超高频(UHF)和微波(MW)频段的匹配性能。该电磁耦合及馈电单元作为该三频段RFID读写器天线的电波信号的馈入端；

介质板1和2可分别用介电常数为4.5的FR4和2.5的Teflon材料构成，但不局限于这两种介质板，改变介质板的参数后可通过适当改变天线辐射单元大小，空气层厚度，接地板缝隙大小和耦合及馈电单元尺寸获得可用天线性能。

本发明设计了一种工作于高频(HF)和超高频(UHF)及微波(MW)频段，用于RFID***读写器的新型三频贴片天线。该天线主要靠双边开槽的辐射单元，空气层及接地板的缝隙，耦合及馈电单元的环形回路来实现三频工作。其中接地板的缝隙是由微带线构成，起耦合馈电的作用。辐射单元印刷在一层介质板上。空气层位于两层介质板之间。接地板的缝隙及以下的耦合及馈电单元印刷在另一层介质板上。为了获得超高频(UHF)和微波(MW)频段的工作性能，在辐射单元开一对对称凹槽控制超高频(UHF)谐振频率，沿其边缘另一方向开一对对称的凹槽以控制微波(MW)谐振频率。改变开槽的尺寸可以控制超高频(UHF)和微波(MW)谐振频率的频率比。本发明需要适当选择接地板的缝隙尺寸及空气层厚度来调整天线工作带宽。其优点是在辐射单元上适当开槽即可设计出工作于超高频(UHF)和微波(MW)频段的贴片天线，而且利用辐射单元与加载缝隙之间的耦合效应可以展宽天线的工作带宽。为了获得高频(HF)的工作性能，在耦合及馈电单元引入一个环形回路，依靠感应磁场提供天线高频段(HF)的工作性能。

根据传输线理论，当终端接特定长度的传输线，比如四分之一波长的时候，可以实现阻抗倒置，即四分之一阻抗变换器。如下述公式所述：

令 $l=\frac{\mathrm{\λ}}{4},$ $Z_{\mathrm{in}-\mathrm{\λ}/4}=\underset{\mathrm{\β}.l\→\frac{\mathrm{\π}}{2}}{\lim }(R_0\·\frac{Z_L+j{R}_0.\mathrm{tg}(\mathrm{\β}.l)}{R_0+j{Z}_L.\mathrm{tg}(\mathrm{\β}.l)})={\left(R_0\right)}^2\·\left(\frac{1}{Z_L}\right)$

经过这种变化，可以得到：当Z_L＝0时，Z_in＝∞。即四分之一阻抗变换器的终端短路时，输入端阻抗看过去为无穷大，实现开路状态，这一点可以帮助实现高频(HF)线圈电磁耦合的工作模式而不影响超高频(UHF)和微波(MW)频段的匹配性能，从而实现一款天线的三频段工作情况。

环形回路一端与天线馈电端相连，另一端对地短路形成一个闭合的回路。设计超高频(UHF)频段的工作波长为λ₁，微波(MW)频段的工作波长为λ₂，环形回路的总的电长度为l，则当 $l=m\·\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2}+\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{4}=n\·\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2}+\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{4},$ m，n为非负整数，成立时，对于超高频(UHF)和微波(MW)频段的中心工作频点，从输入端看过去环形回路处于开路状态，从而不影响天线在这两个频段的匹配性能。对于m，n，取使上式成立的最小非负整数。这里，环形回路的实际的物理尺寸不是一个定值，随着基板的介电常数不同会有变化。高频(HF)的环形回路靠近接地板，为了使得天线在高频(HF)频段谐振效果良好，要适当缩小接地板的尺寸。

(HF)环形回路的一个重要的指标就是品质因数Q，品质因数表达了谐振时的电流是没有谐振时的电流的倍数，因此希望Q越大越好，但是同时谐振电路具有选频特点，也就是一个滤波器，Q越大，意味着带宽BW越小，而传输数据一般又是调制的数据，具有一定的带宽，因此又要求Q值不能太大，综合上面两点，一般Q值为小于或等于20，在射频识别应用中一般采用的是10左右的Q值。

对于串联谐振，Q值计算公式为： $Q=\frac{2\mathrm{\πfL}}{R}$

对于并联谐振，Q值计算公式为： $Q=\frac{R}{2\mathrm{\πfC}}$

带宽与Q的关系： $\mathrm{BW}=\frac{f_0}{Q}$

在一般缝隙加载的微带天线中，控制微带馈电线耦合的常用方法是改变缝隙的尺寸。然而，在该缝隙加载天线中，缝隙是作为耦合辐射体用的，它的尺寸不能单独改变，因此必须使用其它方法来控制馈电线的耦合。一种替代的方法是使用双分支微带线馈电，每条微带线的阻抗相同，通过改变双分支微带线的长度即可控制馈电线的耦合。

对与窄的分支微带馈线，其特性阻抗可以由下面的经验公式得出：

$Z_0=\frac{Z_f}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}\ln (8\frac{H_f}{w}+\frac{w_s}{4H_f})$

其中Z_f是自由空间的波阻抗，H_f为介质板(介电常数ξ_r)的厚度，w_s为微带线宽，ε_eff是有效介电常数由下式给出：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}[{(1+12\frac{H_f}{w_s})}^{-1/2}+0.04{(1-\frac{w_s}{H_f})}^2]$

自20世纪80年代以来，出现了多种电磁耦合型馈电方式，其结构的共同点是无接触馈电，可以通过一个缝隙来形成馈线与天线间的电磁耦合。对于基片上的辐射单元，其输入导纳是Yp，接地板的缝隙的输入导纳为Y_a。天线通过缝隙耦合馈电，其耦合变换比为n₁，双分支微带线与接地板的缝隙之间的耦合变换比为n₂，计入开路双分支微带线Ls(等效特性阻抗为ZO波速为β_m)的电抗，于是可以得到总的输入阻抗如下式：

$Z_{\mathrm{in}}=\frac{{n_2}^2}{({n_1}^2{Y}_p+Y_a)}-j{Z}_0\cot \left({\mathrm{\β}}_m{L}_s\right)$

其中谐振频率主要由n₁ ²Y_p+Y_a来决定，即当n₁ ²B_p+B_a≈0(B_p和B_a分别为Y_p和Y_a的虚数部分)时发生谐振。

实施例

下面结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例结构俯视示意图；

图2是本发明实施例结构侧视示意图；

图3是本发明实施例耦合等效电路图；

图4是本发明实施例对应的回波损耗仿真结果图；

图5是本发明实施例对应的仿真增益示意图；

图6是本发明实施例对应的高频段天线的Q值曲线图。

图中：

1-辐射单元2-接地板3-耦合及馈电单元4-介质板15-双面金属介质板2 6-空气层

参见图1和图2，图1是本发明实施例结构俯视示意图，图2是本发明实施例结构侧视示意图。本发明是由辐射单元1，接地板2，耦合及馈电单元3，介质板14，双面金属介质板25和空气层6组成。

辐射单元1采用蚀刻等工艺方式设置在介质板14的上表面，包括宽度分别为111、121和深度分别为112、122的两组凹槽。辐射单元的长度和宽度分别为1a和1b，其中一组凹槽的宽度和深度分别为111和112，该对称凹槽控制天线的微波(MW)谐振频率；其中另一组凹槽的宽度和深度分别为121和122，该对称的凹槽控制天线的超高频(UHF)谐振频率。

作为一优选实施例，如图1所示1a和1b的尺寸分别为95mm和140mm；其中一组凹槽的宽度111和深度112分别为35mm和13mm，控制谐振频率为2.4GHz，工作在微波(MW)波段；其中另一组凹槽的宽度121和深度122分别为80mm和20mm，控制谐振频率为915MHz，工作在超高频(UHF)频段。

作为一优选实施例，介质板14采用厚度为1.6mm，介电常数为ε_r＝4.4的聚四氟乙烯玻璃纤维FR4介质板，FR4介质板的损耗角正切为tanδ＝0.02，为了使天线的尺寸不至于太大，并保证足够的谐振频率，优选实施例的介质板14的长度a宽度b分别为230mm和155mm，比辐射单元1的尺寸要大。

空气层6位于介质板14和双面金属介质板25之间，其特征在于选用厚的空气层可以增加天线的工作带宽，作为一优选实施例，如图2所示厚的空气层6的厚度为26mm。

接地板2的尺寸等同介质板14以及双面金属介质板25的长度a和宽度b。接地板2中心开一个缝隙，主要起着对辐射单元1耦合馈电的作用，适当调整，可以使耦合谐振效果达到最佳，大大展宽工作带宽，其特征为一个大的中心缝隙。作为一优选实施例，参见图1，在接地板2的中心位置开一缝隙，其长度21和宽度22分别为86mm和12mm。

作为一优选实施例，双面金属介质板25采用厚度为1.6mm，介电常数为ε_r＝2.5的特富龙Teflon介质板。双面金属介质板25的尺寸等同于介质板14的尺寸，长度a和宽度b。

耦合及馈电单元3包括长度为311、深度为312和线宽为313的双分支微带线，长度为321和宽度为322的连接微带线，以及长度和宽度等同于介质板的***边沿的长度a和宽度b，末尾一段的长度为331，线宽为332的环形回路。在该发明所述缝隙加载天线中，接地板2的缝隙作为耦合辐射体用，调整好了后就不能单独改变，因此在耦合和馈电单元3采用此双分支微带线，每条微带线的阻抗都是100Ω，通过改变分支微带线的长度311即可控制天线馈电耦合及匹配性能。高频(HF)频段工作环形回路的总长度要适当调整以满足使在超高频(UHF)和微波(MW)频段的天线匹配状况良好。同时为了使得接地板不影响高频(HF)频段的工作性能，要适当缩小其尺寸，以使接地板的边沿和环形回路的边缘保持一定的距离。

作为一优选实施例，双分支微带线的长度311，深度312和线宽313分别为34mm，25.5mm和1.2mm，连接微带线的长度321为58mm，宽度322为4.5mm。

在超高频(UHF)和微波(MW)频段，其中心工作频率为900MHz和2.45GHz，对应四分之一波长分别为83mm和31mm，选定一个环形回路的一个合适尺寸750mm，大约为83mm的九倍，是31mm的25倍，符合理论设计。环形回路提供了13.56MHz的读写器天线的功能，依靠环形回路提供感应磁场使读写器工作在高频(HF)频段。其长度为230mm，宽度为155mm，线段311长度为104.5mm。

图3所示为天线的耦合等效电路图。作为一优选实施例，天线的输入阻抗Z_in设计为50Ω。

图4所示为本发明所述实施例的仿真结果示意图，由图可知，天线的超高频(UHF)部分的中心工作频率是900MHz，回波损耗s₁₁＝-19.95dB，驻波比小于2.0时天线的工作带宽约为100MHz(840～940MHz)，有11.1％的带宽。天线的微波(MW)频段的中心工作频率是2.45GHz，回波损耗s₁₁＝-27.65dB，驻波比小于2.0时天线的工作带宽约为300MHz(2.12～2.79GHz)，达到了27.3％的带宽。

图5所示在中心频率点900MHz和2.4GHz处，天线的增益分别达到6.57dBi和4.74dBi的高增益值。

图6所示在高频(HF)频段天线的Q值，在13.56MHZ处天线的Q值大约为7.5，天线的工作带宽大约为1.8MHz。

以上的参考实例描述了本发明，但是仅仅是为了理解清楚，给出上述详细描述和例子。不应由此理解不必要的限制。在此所述的所有专利和专利申请在此引入以供参考，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的范围的情况下，可以在所述的实施例中做许多的改变。因此本发明的范围不应当限制到在此所述的具体细节和结构，而是由权利要求的语言所述的结构以及这些结构的等效来限定。

Claims (9)

1、一种覆盖高频(HF)和超高频(UHF)及微波(MW)频段的RFID读写器天线，其特征在于：包含一位于单面金属介质板1上的辐射单元，一空气层，一位于双面金属介质板2一面上的接地板，以及位于双面金属介质板2另一面上的电磁耦合及馈电单元。

2、如权利要求1所述的辐射单元，其特征在于：该辐射单元由介质板1上的金属构成，其形状可为正方形、长方形、圆形或者其它规则形状。在所述辐射单元开两组对称凹槽，凹槽的位置和尺寸控制天线的超高频(UHF)和微波(MW)工作频率。

3、如权利要求1所述的接地板，其特征在于：该接地板位于介质板2的一面，在中心位置处开一个缝隙。

4、如权利要求1所述的空气层，其特征在于：该空气层位于介质板1和2之间，通过调整空气层厚度和缝隙大小来调整天线工作带宽。

5、如权利要求1所述的电磁耦合及馈电单元，其特征在于：位于介质板2的另一面，由一个一头接地环形回路和一段双分支微带线组成。

6、如权利要求5所述的环形回路，其特征在于：该环形回路可为正方形、长方形、圆形、椭圆形或其它形状，依靠感应磁场提供天线高频段(HF)的工作性能。

7、如权利要求5所述的环形回路，其特征在于：该环形回路利用四分之一阻抗变换器原理，使其在超高频(UHF)和微波(MW)频段处于开路状态，天线分别在超高频(UHF)和微波(MW)频段保持良好的匹配性能。

8、如权利要求5所述的双分支微带线，其特征在于：每条微带线的特性阻抗都是100Ω，通过改变双分支微带线的长度可控制超高频(UHF)和微波(MW)频段的匹配性能。

9、如权利要求1所述的一种覆盖高频(HF)和超高频(UHF)及微波(MW)频段的RFID读写器天线，其特征在于：介质板1和2可分别用介电常数为4.5的FR4和2.5的Teflon材料构成，但不局限于这两种介质板，改变介质板的参数后可通过适当改变天线辐射单元大小，空气层厚度，接地板缝隙大小和耦合及馈电单元尺寸获得可用天线性能。

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