CN104241824A - 一种组合式通用阅读器天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种组合式通用阅读器天线，包括圆极化天线及线极化天线，圆极化天线提供一种环形微带馈线引入的四馈结构，在环形微带传导线与第一主辐射贴片，以及第一主辐射贴片和第一寄生贴片之间采用了较厚的空气介质层，线极化天线内置在圆极化天线中部的第一寄生贴片的方形槽口中，圆极化天线的第一寄生贴片和指环状导体带充当线极化天线的反射板，充分利用了空间，缩小了天线的整体体积。
Description
技术领域
本发明涉及射频识别领域，特别涉及一种组合式通用阅读器天线。
背景技术
随着社会的发展，射频识别(RFID)技术在人们生活中发挥着愈来愈重要的作用。射频识别技术能够通过电磁波媒介识别任意携带有电子标签的物体。在该技术持续发展的过程中，阅读器天线的设计充当着重要角色。鉴于识别距离远，读写速度快和高传输率等优点，超高频(UHF)波段的RFID***被广泛应用于现实生活中，比如动物标识，供应链管理，以及电子支付等。然而，不同国家或者地区的RFID许可UHF波段不尽相同，比如，中国的840.5-844.5MHz和920.5-924MHz，欧洲的866-869MHz，澳大利亚的920-926MHz，北美的902-928MHz,以及日本的952-955MHz。于是，如果RFID***能够覆盖840-955MHz整个UHF频段，那么就能有效地简化***的安装调节，减少搭建成本，进而实现全球通用。
由于覆盖通用超高频RFID应用频段和微波频段2.45/5.8GHz的阅读器在同一个场景下，可能同时有所需求，这样双频或者多频阅读器就具有应用的现实意义，且能进一步简化***，减少搭建成本。
RFID***一般由阅读器和标签两部分组成，并且标签携带的一般为线极化天线。考虑到标签摆放方位的不确定性，为了避免阅读器与标签之间耦合的严重极化失配，提高信息传输的可靠性，圆极化天线在RFID阅读器中得到广泛应用。在一些标签摆放方位比较确定的场景下，携带线极化天线的RFID阅读器也具有相应的应用前景。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种组合式通用阅读器天线。
本发明是由圆极化天线和线极化天线有机结合而成的组合天线，其中圆极化天线是具有高增益、优良阻抗匹配和轴比性能，能够覆盖840MHz-960MHz频带的通用超高频圆极化阅读器天线，线极化天线是覆盖2.45GHz微波频段的线极化阅读器天线。
本发明采用如下技术方案：
一种组合式通用阅读器天线，包括圆极化天线及线极化天线；
所述圆极化天线采用堆叠结构，从上到下依次包括第一寄生贴片、第一主辐射贴片、第一馈电网络及第一地板，所述第一馈电网络包括环形微带传导线和四根金属探针，所述四根金属探针沿着环形微带传导线电流方向，依次间隔1/4λ0均匀放置在环形微带传导线上，其中λ0为中心频率900MHz所对应自由空间的波长，所述第一主辐射贴片与第一寄生贴片通过四根金属探针连接，所述第一寄生贴片与第一主辐射贴片中心处均开有方形槽，还包括指环状导体带结构，所述指环状导体带结构套在第一寄生贴片的边缘；
所述线极化天线安装在第一寄生贴片的方形槽上方，采用堆叠结构，从上到下依次包括第二寄生贴片、第二主辐射贴片及第二馈电网络，所述第二主辐射贴片及第二寄生贴片均为方形结构，所述第二主辐射贴片由两条中心对称的不等臂U型微带线构成，所述第二馈电网络由等臂U型微带线传导线耦合中部开有缝隙的第二地板构成，所述第二地板的左右上方两角切有相同大小的长方形切口。
所述第二寄生贴片的左上角和右下角分别开有等腰直角三角形切角，所述等腰直角三角形的腰长为0.049λ1，其中λ1为微波频段的中心频率2.45GHz所对应自由空间的波长。
所述第二主辐射贴片由两条中心对称的不等臂U型微带线构成，所述不等臂U型微带线的底端两侧均开有等腰直角三角形切角，等腰直角三角形的腰长为不等臂U型微带线宽度的一半，所述两条中心对称的不等臂U型微带线的整体长度为0.552λ1，宽约为0.083λ1，其中λ1为微波频段的中心频率2.45GHz所对应自由空间的波长。
所述等臂U型微带线传导线的臂长为0.155λ1，底宽为0.06λ1，臂宽为0.016λ1，第二地板是长、宽分别为0.22λ1和0.189λ1的长方形，且第二地板的中心线上开有长为0.22λ1，宽为0.024λ1的缝隙，将地板均分为两部分，所述第二地板的长方形切口长为0.045λ1，宽为0.02，其中λ1为微波频段中心频率2.45GHz所对应自由空间的波长。
所述第一主辐射贴片及第一寄生贴片均为外圆内方的古铜币结构，所述第一主辐射贴片与水平面正方向成45度的对角线的两端分别开有弧形槽口，两个弧形槽口的辐射角均为20度，并关于该对角线对称，所述第一主辐射贴片的半径为0.27λ0，第一寄生贴片的半径为0.23λ0，指环状导体带结构的高度为0.012λ0，其中λ0为超频波段的中心频率900MHz所对应自由空间的波长。
第一主辐射贴片和第一寄生贴片中心部分均开有方形槽，第一主辐射贴片的方形槽边长为0.09λ0，第一寄生贴片的方形槽边长为0.072λ0，所述弧形槽口长度为0.031λ0，其中λ0为超高频波段的中心频率900MHz所对应自由空间的波长。
所述线极化天线与指环状导体带结构的上边沿在同一水平面，所述第二主辐射贴片距离第一寄生贴片的方形槽距离为4mm。
所述环形微带传导线的初始段上下边缘开有长方形缺口，环形微带传导线的始端边缘的长方形缺口长为0.045λ0，宽为0.006λ0，其中λ0为中心频率900MHz所对应自由空间的波长。
本发明的有益效果：
(1)圆极化天线可通过激发两个空间上正交，相位上相差90°的等幅简并模实现。本发明圆极化天线的馈电网络由一个环状的微带传导线和四根金属探针组成，四根探针的位置在空间上的正交，能够激发分离出相互正交的简并模，形成了90°的相位差，从而符合产生圆极化波的两个条件。
(2)圆极化天线采用环状微带传导线引导的四馈结构，具有结构对称的特点，能够实现较宽频带的覆盖，形成对称的半球状辐射方向图。
(3)圆极化天线主辐射贴片和寄生贴片之间采用较厚的空气介质层，能够有效地提高带宽和增益。
(4)圆极化主辐射贴片和寄生贴片均采用外圆内方的古铜币状结构，主辐射贴片和寄生贴片中心的槽口可用于安装其他电子器件，比如摆放能够覆盖较高频段的小天线，从而实现双频或者多频的组合式天线。
(5)圆极化天线寄生贴片边缘镶嵌的指环状导体带形成一个环形电流，相当于一个磁偶极子，能够有效地改善阻抗匹配和提高3-dB轴比性能。
(6)线极化天线内置在圆极化天线中心的槽口中，天线1的寄生贴片和指环状导体带结构作为线极化天线的反射板，两天线的组合结构能够有效地提高空间利用率，且在微波频段的天线2同样具有优良的阻抗匹配和高增益。
(7)圆极化天线与线极化天线之间具有较高的隔离度。
附图说明
图1(a)～图1(b)是本发明一种组合式通用阅读器天线的结构俯视及侧视结构示意图；
图2是图1中线极化天线的结构示意图；
图3(a)是图2中第二寄生贴片的结构示意图,图3(b)是图2中第二主辐射贴片的结构示意图；
图4(a)一种组合式阅读器天线反射系数仿真图，图4(b)是一种组合式阅读器天线的轴比仿真图，图4(c)是本发明的增益仿真图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1(a)～图1(b)所示，一种组合式通用阅读器天线，包括圆极化天线及线极化天线，
所述圆极化天线采用堆叠结构，从上到下依次包括第一寄生贴片2、第一主辐射贴片1、第一馈电网络及第一地板11，所述第一馈电网络包括环形微带传导线4和四根金属探针9A-9D，所述四根金属探针沿着环形微带传导线4电流方向，依次间隔1/4λ0均匀放置在环形微带传导线上，其中λ0为中心频率900MHz所对应自由空间的波长，所述第一主辐射贴片1与第一寄生贴片2通过四根金属探针9A-9D连接，所述第一寄生贴片2与第一主辐射贴片1中心处均开有方形槽，还包括指环状导体带结构3，所述指环状导体带结构3垂直套在第一寄生贴片2的边缘；
所述线极化天线安装在第一寄生贴片的方形槽6上方，采用堆叠结构，具体包括第二寄生贴片14、第二主辐射贴片13及第二馈电网络，所述第二主辐射贴片13及第二寄生贴片14均为方形结构，所述第二主辐射贴片13由两条中心对称的不等臂U型微带线13A-13B构成，所述第二馈电网络由等臂U型微带线传导线16耦合中部开有缝隙18的第二地板17构成，所述第二地板17的左右上方两角切有相同大小的长方形切口19A-19B。
圆极化天线中：
环形微带传导线4与第一主辐射贴片1之间通过四个相位间隔90°金属探针相连接，再由同轴线10由第一地板11直接连接到环形微带传导线4的射频信号输入端，构成整个馈电网络。
所述第一主辐射贴片1及第一寄生贴片2均为外圆内方的古铜币结构，所述第一主辐射贴片1与水平面正方向成45度对角线的两端分别开有弧形槽口7A-7B，两个弧形槽口7A-7B的辐射角均为20度，并关于该对角线对称，所述第一主辐射贴片1的半径为0.27λ0，第一寄生贴片2的半径为0.23λ0，指环状导体带结构3的高度为0.012λ0，其中λ0为超频波段的中心频率900MHz所对应自由空间的波长。
第一主辐射贴片1和第一寄生贴片2中心部分均开有方形槽，第一主辐射贴片的方形槽5边长为0.09λ0，第一寄生贴片的方形槽6边长为0.072λ0，第一主辐射贴片的斜45°对角线的边缘处开有辐射角为20°，长度Phi为0.031λ0的弧形槽口，其中λ0为超高频波段的中心频率900MHz所对应自由空间的波长。
所述环形微带传导线4的初始段上下边缘开有长方形缺口8A-8B，环形微带传导线的始端边缘的缺口长理论上为0.045λ0，宽理论上为0.006λ0，其内径约为Rs_in0.108λ0，外径Rs_out0.186λ0，其中λ0为中心频率900MHz所对应自由空间的波长。
第一地板11和环形微带传导线4之间的距离为5mm，环形微带传导线4和第一主辐射贴片1之间的距离为20mm，第一主辐射贴片1和第一寄生贴片2之间的距离为10mm，指环状导体带线结构的高度为4mm。
第一主辐射贴片和第一寄生体片的方形槽口能够增强两辐射贴片之间的耦合，对阻抗匹配和3-dB轴比性能有明显的影响。
圆极化天线多层堆叠结构的设计，拓宽了阻抗匹配带宽以及轴比带宽，提高了天线增益。圆极化天线的-25dB回波损耗带宽可以达到17.4％(807-961MHz)，3-dB轴比带宽达到14.4％(833-962MHz)，2-dB轴比带宽达到12.9％(842-958MHz)。在工作频带内，增益能够达到9.1dBic以上，峰值增益达到9.8dBic。
线极化天线采用宽带巴伦馈电拓展了微博频段的宽带，线极化天线垂直于圆极化天线的馈电网络，且圆极化天线的第一主辐射贴片及第一寄生贴片对线极化天线有隔离作用，从而实现线极化及圆极化之间较高的隔离度。
线极化天线中：
如图2所示，所述第二主辐射贴片13与第二寄生贴片14蚀刻的介质基板均为方形，尺寸均约为0.345λ1，如图3(b)所示，所述第二主辐射贴片由两条中心对称的不等臂U型微带线13A-13B构成，所述两条不等臂U型微带线短臂端与短臂端通过介质基板连接，两条微带线的整体长度约为0.552λ1，宽W1约为0.083λ1，每条不等臂U型微带线开有两个切角，所述不等臂U行微带线的切角22A-22D一共有四个，所述切角为等腰直接三角形，位于不等臂U型微带线底端的上、下两侧(由图中看出)，腰长Lc1为不等臂U型微带宽度W1的一半。
如图3(a)所示，所述第二寄生贴片14的左上角及右下角均开有等腰直角三角形切角，第二寄生贴片的切角23A-23B有两个，腰长为约为0.049λ1，第二寄生贴片形状为方形，其的边长约为0.278λ1，第二主辐射贴片和第二寄生贴片之间的间隔高度为2.4mm，其中λ1为微波频段中心频率2.45GHz所对应自由空间的波长。
其中等臂U型微带传导线16的臂长FL约为0.155λ1，底宽FW约为0.06λ1，微带宽度W2约为0.016λ1，第二地板17为长Lg、宽Wg分别为0.22λ1和0.189λ1长方形贴片，且在第二地板17的中心线上开有长Lg为0.22λ1，宽Ws为0.024λ1的缝隙，将第二地板分为均分为两部分，第二地板17的上边的左右两角分别切有长方形切口19A-19B，所述长方形切口L1长为0.045λ1，宽hs3为0.02λ1，其中λ1为微波频段中心频率2.45GHz所对应自由空间的波长。
线极化天线的介质基板是厚度为0.8mm高频板RO4003板材，相对介电常数3.55，损耗角正切是0.0027，其中寄生贴片及主辐射贴片蚀刻在是边长为42.2mm的正方形。
同轴线采用RG316-SMSM，直径为2.5mm，特征阻抗为50Ω。
如图4(a)-图4(c)所示，线极化天线的-15dB回波损耗实现了2.395-2.668GHz的覆盖，在工作频段内，增益能够达到9.0dBi以上。在2.45GHz处天线2的交叉极化比能够达到19.5dB,在超高频波段(840-960MHz)两天线端口的隔离度能够达到-19.5dB以下，在微波频段(2.45GHz)两天线端口的隔离度能够达到-27dB以下。
本发明圆极化天线提供一种环形微带馈线引入的四馈结构，在环形微带馈线与主辐射贴片，以及主辐射贴片和寄生贴片之间采用了较厚的空气介质层。线极化天线内置在圆极化天线中部的方形槽口中，圆极化天线的寄生贴片和指环状导体带充当线极化天线的反射板，充分利用了空间，缩小了天线的整体体积。
利用该发明的结构特点还可以设计覆盖多频段组合式阅读器天线。该款组合式阅读器天线既能覆盖840-960MHz的通用超高频RFID的应用频段，也能同时覆盖2.45GHz和5.8GHz的微波应用频段，进一步满足不同场合下的不同应用需求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种组合式通用阅读器天线，其特征在于，包括圆极化天线及线极化天线；
所述圆极化天线采用堆叠结构，从上到下依次包括第一寄生贴片、第一主辐射贴片、第一馈电网络及第一地板，所述第一馈电网络包括环形微带传导线和四根金属探针，所述四根金属探针沿着环形微带传导线电流方向，依次间隔1/4λ0均匀放置在环形微带传导线上，其中λ0为中心频率900MHz所对应自由空间的波长，所述第一主辐射贴片与第一寄生贴片通过四根金属探针连接，所述第一寄生贴片与第一主辐射贴片中心处均开有方形槽，还包括指环状导体带结构，所述指环状导体带结构套在第一寄生贴片的边缘；
所述线极化天线安装在第一寄生贴片的方形槽上方，采用堆叠结构，从上到下依次包括第二寄生贴片、第二主辐射贴片及第二馈电网络，所述第二主辐射贴片及第二寄生贴片均为方形结构，所述第二主辐射贴片由两条中心对称的不等臂U型微带线构成，所述第二馈电网络由等臂U型微带线传导线耦合中部开有缝隙的第二地板构成，所述第二地板的左右上方两角切有相同大小的长方形切口。
2.根据权利要求1所述的阅读器天线，其特征在于，所述第二寄生贴片的左上角和右下角分别开有等腰直角三角形切角，所述等腰直角三角形的腰长为0.049λ1，其中λ1为微波频段的中心频率2.45GHz所对应自由空间的波长。
3.根据权利要求1所述的阅读器天线，其特征在于，所述第二主辐射贴片由两条中心对称的不等臂U型微带线构成，所述不等臂U型微带线的底端两侧均开有等腰直角三角形切角，等腰直角三角形的腰长为不等臂U型微带线宽度的一半，所述两条中心对称的不等臂U型微带线的整体长度为0.552λ1，宽为0.083λ1，其中λ1为微波频段的中心频率2.45GHz所对应自由空间的波长。
4.根据权利要求1所述的阅读器天线，其特征在于，所述等臂U型微带线传导线的臂长为0.155λ1，底宽为0.06λ1，臂宽为0.016λ1，第二地板是长、宽分别为0.22λ1和0.189λ1的长方形，且第二地板的中心线上开有长为0.22λ1，宽为0.024λ1的缝隙，将地板均分为两部分，所述第二地板的长方形切口长为0.045λ1，宽为0.02λ1，其中λ1为微波频段中心频率2.45GHz所对应自由空间的波长。
5.根据权利要求1所述的阅读器天线，其特征在于，所述第一主辐射贴片及第一寄生贴片均为外圆内方的古铜币结构，所述第一主辐射贴片与水平面正方向成45度的对角线的两端分别开有弧形槽口，两个弧形槽口的辐射角均为20度，并关于该对角线对称，所述第一主辐射贴片的半径为0.27λ0，第一寄生贴片的半径为0.23λ0，指环状导体带结构的高度为0.012λ0，其中λ0为超频波段的中心频率900MHz所对应自由空间的波长。
6.根据权利要求5所述的阅读器天线，其特征在于，第一主辐射贴片和第一寄生贴片中心部分均开有方形槽，第一主辐射贴片的方形槽边长为0.09λ0，第一寄生贴片的方形槽边长为0.072λ0，所述弧形槽口长度为0.031λ0，其中λ0为超高频波段的中心频率900MHz所对应自由空间的波长。
7.根据权利要求1所述的阅读器天线，其特征在于，所述线极化天线与指环状导体带结构的上边沿在同一水平面，所述第二主辐射贴片距离第一寄生贴片的方形槽距离为4mm。
8.根据权利要求1所述的阅读器天线，其特征在于，所述环形微带传导线的初始段上下边缘开有长方形缺口，环形微带传导线的始端边缘的长方形缺口长为0.045λ0，宽为0.006λ0，其中λ0为中心频率900MHz所对应自由空间的波长。
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