CN105428799A - 射频天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射频天线，其包括：天线线圈，用以发射或接收电磁波信号；天线匹配模块，与天线线圈连接，用以发射或接收电信号；金属层，与天线线圈之间的相对位置固定，并且彼此绝缘；金属层用以屏蔽天线线圈向外界发射电磁波信号或接收来自外界的电磁波信号，其中金属层在天线线圈与外界之间留有信号通道，天线线圈通过信号通道发射或接收电磁波信号。该射频天线通过金属层，来屏蔽外部金属对天线线圈的影响，提升射频天线的抗金属性能；天线线圈可通过信号通道发射或接收特定方向的电磁波信号，可以避免外部干扰信号影响射频天线；并且控制射频天线发射的电磁波信号的外沿，使用多个射频天线时，不会产生相关干扰问题及窜读现象。

Description

射频天线

技术领域

本发明涉及射频识别领域，特别是涉及一种射频天线。

背景技术

在现有射频识别技术领域，最小的射频识别***一般包括射频读写设备、射频天线以及固定在待识别物品上的射频标签，使用时射频读写设备产生的射频信号经射频天线输出，对射频天线识读区域内的射频标签进行读取等操作，射频标签上携带的信息再经射频天线反馈至射频读写设备内部的信号接收电路，射频读写设备对接收到的信息进行处理后，即可完成对射频标签以及其所表示的物体的ID识别。在该***中，射频天线是整个射频识别***的重要组成部分，其完成射频识别***中电磁波的发射和接收。

现有的射频天线一般由天线线圈与天线匹配模块两部分组成。当金属物体靠近天线线圈时，会使其失配，驻波比偏离导致射频天线的性能下降，进而引起检卡距离变近，能量反射也会变大使得读写设备发热量增加；当射频天线在有电磁干扰的环境下工作时，干扰信号会通过射频天线加大读写设备的噪声，导致读写设备的读写性能下降；另外，现有的射频天线产生的磁场外沿不可控，其不能适用于多个射频天线密集使用的场合，否则会引起相邻射频天线之间窜读以及相互干扰等问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种性能不易受外界影响、能发射或接收特定电磁波的射频天线。

一种射频天线，用于以非接触方式进行数据通信的射频识别***中，其包括：天线线圈，用以发射或接收电磁波信号；天线匹配模块，与所述天线线圈连接，用以发射或接收电信号；金属层，与所述天线线圈之间的相对位置固定，并且彼此绝缘；所述金属层用以屏蔽所述天线线圈向外界发射电磁波信号或接收来自外界的电磁波信号，其中所述金属层在所述天线线圈与外界之间留有信号通道，所述天线线圈通过所述信号通道发射或接收电磁波信号。

上述射频天线通过金属层，来屏蔽外部金属对天线线圈的影响，提升射频天线的抗金属性能；并且金属层留有信号通道，金属层可以反射或吸收电磁波信号，天线线圈只能通过信号通道发射或接收特定方向的电磁波信号，这样就可以避免外部干扰信号影响射频天线；并且可以控制射频天线发射的电磁波信号的外沿，使用多个射频天线时，不会产生相关干扰问题及窜读现象。

在其中一个实施例中，所述金属层形成具有开口的空腔，所述开口为所述信号通道，所述天线线圈设置在所述空腔内。

在其中一个实施例中，所述空腔的形状为长方体或正方体，所述开口为所述长方体或正方体的任意一面。

在其中一个实施例中，所述天线线圈所处的平面与所述开口所处的平面平行。

在其中一个实施例中，所述射频天线还包括非金属层，所述非金属层设置在所述金属层与所述天线线圈之间。

在其中一个实施例中，所述天线线圈以一圈以上的环绕构成。

在其中一个实施例中，所述天线线圈在平面内以涡旋状盘卷而构成。

在其中一个实施例中，所述金属层由金属板材形成。

在其中一个实施例中，根据所述天线线圈和所述金属层的相对位置调节所述天线匹配模块的内部元器件的参数。

在其中一个实施例中，所述天线匹配模块以阻容匹配形式或变压器匹配形式构成。

附图说明

图1为本发明实施例中的射频天线的结构示意图；

图2为图1中沿A-A的剖面示意图；

图3为本发明实施例中的射频天线以变压器匹配形式的等效电路图；

图4为本发明实施例中的射频天线以阻容匹配形式的等效电路图。

具体实施方式

请参考图1，图1为在此披露的射频天线100的结构示意图，该射频天线100可以应用于射频识别技术中，其常用频段有低频、高频(13.56Mhz)、超高频等。该射频天线100包括天线线圈110、天线匹配模块130和金属层150。射频天线110和天线匹配模块130连接，天线匹配模块130可以与射频读写设备连接，射频读写设备输出的射频信号经过天线匹配模块130和天线线圈110处理后，通过天线线圈110将电磁波信号发射出去；当天线线圈110接收到射频标反射的电磁波信号后经过天线匹配模块130处理后回传给射频读写设备。金属层150与天线线圈110绝缘连接，金属层150可以屏蔽电磁波信号，该金属层150留有信号通道，电磁波信号可以通过该信号通道，从而天线线圈110可以通过该信号通道发射或接收电磁波信号。

以下结合具体实施例来详细介绍该射频天线100。

请继续参考图1，该天线线圈110为单圈，并且其形状大致呈矩形，即该矩形的天线线圈110的首尾与天线匹配模块130连接。当然，该天线线圈110还可以为一圈以上的线圈环绕构成，或者也可以为在某一平面内呈涡旋状盘卷而构成。天线线圈110的尺寸、形状、圈数、线宽等可以在考虑射频天线100所要求的性能后适当设置。可用任意方法来形成该天线线圈100，其可以由导电材料绕制而成，也可以由印刷电路板上的铜制线圈形成、也可以在具有绝缘层的基板上形成金属膜后、利用蚀刻、冲切等工艺形成等等。

天线匹配模块130用来实现阻抗匹配，本领域技术人员可以理解的是，该天线匹配模块130一般包括电阻、电容、变压器等，该天线匹配模块130可以以阻容匹配形式或变压器匹配形式或其他匹配形式构成。

请继续参考图1，在本实施方式中，金属层150形成一个一面为开口151的长方体，该开口151即为信号通道，电磁波信号可以通过该开口151。在此仅为了描述方便，定义该开口为顶面，与顶面相对的面为底面，其余四个面为侧面。由四个侧面和底面形成一个非闭合的空腔，天线线圈110设置在该空腔内，天线线圈110与金属层150为绝缘连接。在本实施方式中，为了能够发射信号强度较强的电磁波信号，天线线圈110所处的平面可以与顶面平行。可以用任意方法来绝缘连接天线线圈110和金属层150，可以在底面上方设置非金属层，该非金属层为绝缘，天线线圈110设置在非金属层上；可以在底面或/和侧面设置绝缘连接件，绝缘连接件支撑天线线圈110等。天线线圈110与金属层150各个面之间的距离，可以调节相应连接方式的参数来调节。

当天线线圈110与金属层150之间的相对位置固定后，为了提高射频天线100的传输效率，可以调节天线匹配模块130内部元器件的参数，使得射频天线100的驻波比调整至1附近。在本实施方式中，在保证射频天线的品质因数、驻波比等参数相同的情况下，可以通过适当加大天线线圈110所处平面与底面的间距以及天线线圈与四个侧面面的垂直距离的方式，以实现提高射频天线上方的标签检测和读写性能的目的。也可以在保射频天线的品质因数、驻波比等参数相同以及天线线圈110所在平面与底面相对位置不变的情况下，可以通过适当增高金属层150的四个侧面的高度的方式，以实现减小射频天线四周磁场外沿的目的。

当外部金属物体靠近调整完成后的射频天线时，金属层150会起到有效的屏蔽作用，使得外部金属物体不会影响天线线圈110的电感值，从而改变射频天线100的参数以及影响射频天线100的性能。由于金属层150可以反射或吸收电磁波信号，电磁波信号只能从顶面的开口被天线线圈110接收，这样就可以避免外部干扰信号通过射频天线100传入射频读写设备，从而降低了射频读写设备的噪声，提高了其信噪比以及检卡性能。请参考图2，图2中的虚线示意性的示出了天线线圈130发射的电磁波信号，由于电磁波信号只能从顶面的开口151发射出去，其余方向的电磁波信号将被金属层吸收或反射，因此金属层150可以控制射频天线100发射的电磁波信号的外沿，这就使得多个这种射频天线100靠近使用时，不会产生相关干扰问题及窜读现象。

当然该金属层150形成的空腔也可以为正方体、圆柱体、圆台形等，金属层150的形状、大小等可以考虑射频天线100所要求的性能、天线线圈110的特性后适当设置。信号通道可以通过在金属层150上开设开口来形成，该开口可以为金属层150形成形状的一面或多面，也可以在一面或多面上开设一个或多个开口。该金属层150也可以形成一闭合的空腔，通过设置金属层150的厚度来形成信号通道，当金属层150某处的厚度足够薄时，电磁波信号可以通过该处。当然该金属层150也可以为一平面，其设置在天线线圈110的一侧，其可以屏蔽该侧的电磁波信号以及不受该侧的外部金属影响，电磁波信号可以从其他方向通过，从而使得该射频天线100具有特定方向的电磁波信号的接收和发射功能；当然还可以在该呈平面的金属层150上开设有一个或多个开口，可以使得朝向该侧的特定的电磁波信号通过。

可用任意方法来形成该金属层150，可由铁板、铝板、合金板等板材经过机械加工形成；也可由铝线、铜线、合金线等金属线编织而成；也可以通过铜箔、铝箔等材料附着在非金属材料上形成，该非金属材料可以将天线线圈110和天线匹配模块130包裹在内，起到保护作用等。

现在来详细介绍如何调节天线匹配模块130的内部元器件的参数。现在请参考图3，图3为射频天线中的天线匹配模块130以变压器匹配形式构成的等效电路图，该具体实施例以通过变压器匹配形式来实现阻抗匹配的天线匹配模块来进行说明。射频连接器RF与巴伦变换变压器T1的初级绕组连接，射频连接器RF用于输入射频读写设备的射频信号，巴伦变换变压器T1用于将射频读写设备输出的非平衡信号转化为平衡信号，以提高能量转换的效率；巴伦变换变压器T1的次级绕组与阻抗变换变压器T2的初级绕组连接；阻抗变换变压器T2的次级绕组并联有天线线圈110、匹配电容C1、可调匹配电容C2以及匹配电阻R1；阻抗变换变压器T2的匝数比可以调整射频天线100的品质因数；匹配电容C1、可调匹配电容C2以及匹配电阻R1，这三个器件用于调节HF频段抗金属射频天线的驻波比参数。

由于天线线圈110与金属层150的相对位置会影响天线线圈100的电感值大小，所以首先固定两者的相对位置，测量天线线圈100的电感值L，并计算等效电容和等效阻抗的大小；根据LC谐振公式：

$f=\frac{1000}{2\mathrm{\π}\sqrt{L\left(\mathrm{\μ}H\right)\×C\left(pF\right)}},$

因为射频天线的工作频率f是已知的，就可以计算出等效电容的电容值C'；

根据变压器阻抗变换公式为：

$\frac{Z_1}{Z_2}={\left(\frac{N_1}{N_2}\right)}^2,$

因为天线匹配模块130的输入阻抗为设定的50Ω，阻抗变换变压器T2的变比n:2，将N₁＝n，N₂＝2，Z₁＝50Ω代入到变压器阻抗变换公式中，即可得到变换后的等效阻抗

在已知等效电容C'和等效阻抗R'的情况下，就可以根据串并联转换公式：

$C=\frac{Q^2}{1+Q^2}{C}^{\′}$

R＝(1+Q²)R′，

其中(Q为射频天线的品质因数，f为射频天线的工作频率)，计算得到匹配电容的电容值C＝(C1+C2)与匹配电阻的电阻值R＝R1。

计算得到以上各元器件的参数之后，就可以将金属射频天线通过射频同轴线连接至类似于驻波表或天线分析仪的仪表上，然后通过微调可调匹配电容C2的电容值，将射频天线100的驻波比调整至1.0附近即可，从而实现射频天线100参数的最优化。

当然射频天线100的天线匹配模块130还可以采用阻容匹配的形式来实现，请参考图4，图4为天线匹配模块130以阻容匹配形式构成的射频天线中的等效电路图。射频连接器RF串联有两个串联电容C_S，两个串联电容C_S之间连接有并联的并联电容C_P、可调电容C_adj、并联电阻R_P以及天线线圈110。本领域技术人员应当知晓，与以变压器匹配形式构成的射频天线相似来调节射频天线100参数的最优化。首先可以通过测量得到天线线圈110的电感值，在已知射频天线输入阻抗和天线品质因数的条件下，就可以计算出串联电容C_S、并联电容C_P和并联电阻R_P的参数，最后通过调整可调电容C_adj的电容值实现射频天线100参数的最优化，具体的计算方法不再详述。本领域技术人员可以理解的是，天线匹配模块130还可以通过其他形式来实现阻抗匹配，在此不再一一赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种射频天线，用于以非接触方式进行数据通信的射频识别***中，包括：

天线线圈，用以发射或接收电磁波信号；

天线匹配模块，与所述天线线圈连接，用以发射或接收电信号；其特征在于，所述射频天线还包括：

金属层，与所述天线线圈之间的相对位置固定，并且彼此绝缘；所述金属层用以屏蔽所述天线线圈向外界发射电磁波信号或接收来自外界的电磁波信号，其中所述金属层在所述天线线圈与外界之间留有信号通道，所述天线线圈通过所述信号通道发射或接收电磁波信号。

2.根据权利要求1所述的射频天线，其特征在于，所述金属层形成具有开口的空腔，所述开口为所述信号通道，所述天线线圈设置在所述空腔内。

3.根据权利要求2所述的射频天线，其特征在于，所述空腔的形状为长方体或正方体，所述开口为所述长方体或正方体的任意一面。

4.根据权利要求3所述的射频天线，其特征在于，所述天线线圈所处的平面与所述开口所处的平面平行。

5.根据权利要求1所述的射频天线，其特征在于，所述射频天线还包括非金属层，所述非金属层设置在所述金属层与所述天线线圈之间。

6.根据权利要求1所述的射频天线，其特征在于，所述天线线圈以一圈以上的环绕构成。

7.根据权利要求1所述的射频天线，其特征在于，所述天线线圈在平面内以涡旋状盘卷而构成。

8.根据权利要求1所述的射频天线，其特征在于，所述金属层由金属板材形成。

9.根据权利要求1所述的射频天线，其特征在于，根据所述天线线圈和所述金属层的相对位置调节所述天线匹配模块的内部元器件的参数。

10.根据权利要求1所述的射频天线，其特征在于，所述天线匹配模块以阻容匹配形式或变压器匹配形式构成。