CN108511901A - 一种阻抗易匹配的圆极化uhf rfid读写器天线 - Google Patents

一种阻抗易匹配的圆极化uhf rfid读写器天线 Download PDF

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赵洪图
沈勋
任仪
马国喜
张雪
杨美美
韩弘祖
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Abstract

本发明公开了一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，其特征在于：从下至上包括：互相平行的接地板、空气介质层、FR‑4介质基板、辐射贴片；所述辐射贴片为对角进行了正方形切角处理的正方形；所述辐射贴片包含了环形缝隙阻抗匹配单元；所述环形缝隙阻抗匹配单元距离辐射贴片左、右两侧的距离相等；所述环形缝隙阻抗匹配单元的内圆圆心为同轴馈电探针馈电点；所述同轴馈电探针通过接地板垂直馈电于辐射贴片。本发明提出的一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，能实现902～928MHz频段的圆极化覆盖，对应的‑20dB回波损耗带宽达到了108MHz(870‑978MHz)。本发明具有结构简单、易优化，圆极化和阻抗匹配实现相互独立的优点。

Description

一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线
技术领域
本发明涉及RFID天线技术领域，尤其涉及一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线。
背景技术
超高频射频识别技术(Radio Frequency Identification Of UltrahighFrequency，UHF RFID)凭借通讯距离远、通讯速率快、防碰撞能力强、成本低的优点，被大量应用在供应链管理、集装箱管理、航空及铁路包裹管理等领域。读写器天线作为UHF RFID***的重要部件，在关键频段实现阻抗易匹配和圆极化特性，能简化天线优化设计的复杂度，提高***识别线极化、低增益的无源标签的距离和灵活度，增加UHF RFID***覆盖的国家和地区，和满足UHF RFID***低成本要求。
圆极化天线即实现两幅度相等的正交线极化波，等同于两线极化波的辐射阻抗共轭匹配。然而天线的输入电阻包括了辐射阻抗和损耗阻抗，损耗阻抗的存在会增加天线的反射功率，降低天线效率。采用改变辐射阻抗的方式去抵消损耗阻抗，实现天线的阻抗匹配会直接影响天线的圆极化特性。
对于圆极化微带天线，其馈电方式分为同轴馈电和微带线馈电两种。对于同轴馈电的圆极化微带天线，其同轴馈电探针会引入感抗，为保证天线的圆极化特性，该感抗不能通过与天线辐射感抗相互抵消。面对本小段上述问题，现有一部分UHF RFID天线采取不处理方式，直接保留了同轴馈电探针引入的感抗，其存在阻抗匹配带宽窄的缺陷；一部分UHFRFID天线选择削减圆极化带宽的方式，去抵消同轴馈电探针引入的一部分感抗，存在圆极化带宽窄的缺陷；还有一部分UHF RFID天线为实现阻抗的良好匹配，选择加入额外的阻抗匹配层，带来的是天线结构复杂度的增加。
综上所述，在不增加天线结构复杂度的条件下，设计一款能覆盖UHF RFID关键频段的结构简单、输入阻抗易匹配的UHF RFID读写器天线是十分必要的。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，该天线具有结构简单、圆极化、输入阻抗易匹配、圆极化频段易调节、圆极化与阻抗匹配实现相互独立的优点。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
1一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，包括了互相平行的接地板、空气介质层、FR-4介质基板、辐射贴片，和通过接地板垂直馈电与辐射贴片的同轴馈电探针。
2作为一种优选方案，所述空气介质层位于接地板和FR-4介质基板之间，起到了拓展天线圆极化和阻抗匹配带宽的作用。
3作为一种优选方案，所述FR-4介质基板位于空气介质层和辐射贴片之间，起到了便于辐射贴片敷设的目的。
4作为一种优选方案，所述辐射贴片为正方形，并在辐射贴片两对角上做正方形切角处理，实现目标频段的圆极化覆盖。
5作为一种优选方案，所述辐射贴片包含了环形缝隙阻抗匹配单元，环形缝隙阻抗匹配单元到辐射贴片左、右两侧的距离相等。环形缝隙阻抗匹配单元到辐射贴片上侧的距离，用于优化天线输入阻抗的实部；环形缝隙阻抗匹配单元的内圆半径和环形缝隙宽度，用于优化天线输入阻抗的虚部。
6作为一种优选方案，所述同轴馈电探针馈电点位于环形缝隙内圆的圆心。
7本发明的有益效果在于圆极化与阻抗匹配的实现相互独立，设计、优化步骤简单：先通过优化辐射贴片和正方形切角的尺寸实现目标频段的圆极化覆盖；再加入环形缝隙阻抗匹配单元，调节环形缝隙的位置实现天线输入电阻的匹配，调节环形缝隙内圆半径和缝隙宽度获得良好的输入电抗匹配。
附图说明
图1为本发明的俯视结构图；
图2为本发明的截面图；
图3为本发明实施实例的回波损耗图；
图4为本发明实施实例的输入电阻图；
图5为本发明实施事例的输入电抗图；
图6为本发明实施实例的圆极化轴比图；
图7为本发明实施实例在视轴方向的增益图；
图8为本发明调节馈电点位置对应的圆极化轴比图；
图9为本发明调节馈电点位置对应的输入阻抗图；
图10为本发明的辐射贴片4长度Lp＝138mm时的回波损耗和圆极化轴比图；
其中，1-接地金属贴片，2-空气介质层，3-FR-4介质基板，4-辐射贴片，4.1-正方形切角，4.2-环形缝隙阻抗匹配单元，5-同轴馈电探针，5.1-同轴馈电探针馈电点。
具体实施方式
以下将参照附图并结合实例对本发明作进一步描述，需要说明的是，本实施实例以本技术方案为前提，但本发明的保护范围不限于本实施实例。
如图2所示，一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，从下至上主要包括互相平行的接地金属贴片1、空气介质层2、FR-4介质基板3、辐射贴片4，还包括了通过接地板垂直馈电于辐射贴片4的同轴馈电探针5。
如图1、图2所示，所述辐射贴片4通过同轴馈电探针5进行馈电，空气介质层2厚度h与圆极化轴比带宽呈正比。
如图1所示，所述辐射贴片4为正方形，其对角上为正方形切角4.1，当空气介质层2的厚度h确定后，通过优化辐射贴片4的长度Lp和正方形切角4.1的长度lc，即可实现面向目标频段的圆极化覆盖。
如图1所示，所述辐射贴片4包含了环形缝隙阻抗匹配单元4.2，环形缝隙阻抗匹配单元4.2距离辐射贴片4左、右两侧的距离相等，通过优化环形缝隙阻抗匹配单元4.2距离辐射贴片4上侧的距离df，可以实现天线输入电阻的匹配。
如图1所示，所述同轴馈电探针5的馈电点5.1为环形缝隙阻抗匹配单元4.2的内圆圆心。
如图1所示，所述环形缝隙阻抗匹配单元4.2包含了两个具体尺寸参数，分别为内圆半径rp和缝隙宽度dg。当面向目标频段圆极化覆盖的空气介质层2、辐射贴片4、正方形切角4.2的尺寸h、Lp、lc，和环形缝隙阻抗匹配单元4.2距离辐射贴片4上侧的距离df确定后，通过调节rp和dg抵消掉同轴馈电探针引入的感抗，就能实现天线输入阻抗的良好匹配。
作为一个实施实例，所述一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线的接地板大小为240×240mm2，空气介质层厚度h＝17mm，FR-4介质基板尺寸为170×170×1mm3，辐射贴片长度Lp＝130mm，正方形切角长度为lc＝23.5mm，馈电点位置df＝30mm，环形缝隙尺寸为rp＝9.5mm、dg＝1.5mm。
本实施实例的回波损耗图如图3所示，从图中可以看出，天线在没有加入环形缝隙阻抗匹配单元时，在800～1000MHz频段的-10dB回波损耗带宽为0MHz。在加入环形缝隙后的实现了输入阻抗的良好匹配，-10dB的回波损耗带宽完全覆盖了ISO/IEC 18000-6C协议规定了UHF RFID频段860～960MHz，并且-20dB的回波损耗频带宽达108MHz(870-978MHz)，说明环形缝隙阻抗匹配单元具有良好的阻抗匹配效果。
本实施实例的天线输入电阻如图4所示，可以看出环形缝隙的加入使得天线输入电阻降低，本发明通过调节环形缝隙阻抗匹配单元位置df来弥补环形缝隙阻抗匹配单元带来的天线输入电阻降低值，并在图9-10展示出了调节df不会影响天线圆极化覆盖和输入电抗的具体图例。
本实施实例的天线输入电抗如图5所示，从图中可以看出，环形缝隙阻抗匹配单元的加入有效的抵消了馈电探针带来的感抗，实现了天线输入电抗的良好匹配，此图也正好与图3相对应。
本实施实例的天线圆极化轴比如图6所示，可以看出，天线实现了902～928MHz频段的圆极化覆盖，该频段适用于中国、香港、台湾、北美、韩国、新加坡、澳大利亚等众多地区。且可以看出环形缝隙的取消、加入并不会对天线圆极化覆盖造成严重印象，只存在微频偏效应，完全可以通过优化辐射贴片和正方形切角的尺寸Lp和lc进行修正。
本实施实例的天线在视轴方向的增益如图7所示，可以看出，天线在视轴方向具有良好的增益，并且在902～928MHz频段的增益高于8dBi。
图8给出了环形缝隙阻抗匹配单元位置df，对应的圆极化轴比带宽，可以看出环形缝隙阻抗匹配单元的位置df与天线圆极化频带相关度很低。
图9给出了调节df对应的天线输入阻抗图，从图中可以看出天线输入电抗与馈电位置相关度低；天线输入电阻与馈电位置df呈反相关，即可以通过缩小环形缝隙阻抗匹配单元距离辐射贴片上侧的距离df，来有效弥补环形缝隙阻抗匹配单元带来的天线输入电阻降低值。
由UHF RFID频段划分可以知道，UHF RFID还包括了另一重要频段(860～870MHz)，为体现本发明结构简单、易优化的优势，在图10给出了本发明的辐射贴片4长度Lp＝138mm，其它结构尺寸保持不变的圆极化轴比和回波损耗图。从图中可以看出，天线的圆极化频段完全覆盖了860～870MHz，并且在860～870MHz频段实现了良好的阻抗匹配。

Claims (10)

1.一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，其特征在于：从下至上依次包括：互相平行的接地板1、空气介质层2、FR-4介质基板3、辐射贴片4，还包括通过接地板1垂直馈电于辐射贴片4的同轴馈电探针5；所述辐射贴片4的对角进行了正方形切角4.1处理。
2.根据权力要求1所述的一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，其特征在于：所述接地板1、辐射贴片4和同轴馈电探针材料都为金属铜。
3.根据权力要求1所述的一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，其特征在于：所述圆极化带宽与空气介质层2的厚度呈正相关。
4.根据权力要求1所述的一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，其特征在于：所述辐射贴片4做正方形切角4.1处理前为正方形。
5.根据权力要求1、3所述的一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，其特征在于：所述天线空气介质层2的厚度确定后，所述圆极化实现方式为辐射贴片4和正方形切角4.1的组合实现。
6.根据权力要求1所述的一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，其特征在于：所述辐射贴片4包含了环形缝隙阻抗匹配单元4.2。
7.根据权力要求1、5所述的一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，其特征在于：所述环形缝隙阻抗匹配单元4.2的内圆圆点为同轴馈电探针5的馈电点5.1。
8.根据权力要求1、5所述的一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，其特征在于：所述环形缝隙阻抗匹配单元4.2到辐射贴片左、右两侧的距离相等，本发明通过调节环形缝隙阻抗匹配单元4.2到辐射贴片上侧的距离，实现天线输入电阻的匹配。
9.根据权力要求1、5和6所述的一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，其特征在于：所述环形缝隙阻抗匹配单元4.2的内圆半径和缝隙宽度用于实现天线输入电抗的匹配。
10.根据权力要求1、6-9所述的一种阻抗易匹配的圆极化UHF RFID读写器天线，其特征在于：所述环形缝隙阻抗匹配单元4.2仅限于包括接地板1在内的两层微带天线结构。
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