CN108847522B - 一种紧凑型rfid天线 - Google Patents

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Abstract

一种紧凑型RFID天线，涉及天线技术领域。本发明天线由介质基板、全覆盖接地面、同轴探针、弯折偶极子辐射单元和两个矩形寄生辐射单元组成。弯折偶极子辐射单元由两个L形辐射单元以及两个反G形辐射单元组成。本发明采用同轴馈电、弯折辐射单元与矩形寄生辐射单元相结合、直接馈电与间接馈电相结合的设计方法，实现了高性能RFID天线的设计，不仅降低了天线的剖面高度，还扩大了天线的带宽，提高了天线的增益，为标签天线的紧凑型设计，提供更加可靠的通信保证。

Description

一种紧凑型RFID天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种紧凑型RFID天线。
背景技术
近年来，随着各种物流供应链管理应用需求的日益扩大，例如身份证明、门票管理、非接触式收费、智能物流等等，射频识别技术即RFID近年来获得了深入的研究。RFID又称无线射频身份识别技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别***与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID***主要包含三大部分：电子标签、感应天线及读写应答设备。RFID标签天线作为RFID***的重要组成部分，在实现数据通讯过程中起关键作用，因此RFID天线设计是整个RFID***应用的关键。无线通信技术发展得很快，对天线技术的要求也越来越高。标签天线需要置于标签之中，所以其着重需要解决的问题就是其尺寸受限问题。标签天线常见的形式主要有线圈天线、微带天线和偶极子天线。线圈天线是现今最常见的标签天线，已经有较为成熟的理论和工艺且应用广泛，但是线圈天线同样具有缺陷，其只适用于1m以内的近距离RFID***，常常应用于门票管理***中，但是在一些高频率、信息量大以及工作距离大的场合中难以得到广泛的应用。微带天线制作简单，成本低，但是同时微带天线尺寸较大，并且仅适用于通信方向变化不大的RFID***中。相对上两种标签天线，偶极子天线具有高增益、制造简单、成本低等特性，经常应用于远距离RFID***中，不过偶极子天线同样具有尺寸较大的特点，所以对于偶极子标签天线的研究通常集中于改进形式的偶极子天线。所以，设计尺寸小、增益高的偶极子标签天线是目前研究的热点和难点之一。
2017年Hsin-Lung Su和Hongsheng Huang两人设计了一种椭圆缝隙RFID天线，该天线由一个椭圆形的单极子组成，在椭圆形辐射单元上刻蚀有矩形的缝隙；该天线具有较好的圆极化特性，但是同时，该天线的方向图不稳定，并且尺寸较大。2017年，Xiaping YU等人设计了一种宽带偶极子RFID天线，该天线由两个圆形和两个矩形组成，为了扩大频带宽度，对称增加了弯折矩形结构；该天线将圆形辐射单元置于矩形辐射单元中间，减小了天线的尺寸，但是，采用圆形贴片的结构本身就具有较大的尺寸。2017年，Rongwei Wang等人设计了一款弯折偶极子RFID天线，该天线由一个弯折偶极子组成，在弯折偶极子的末端有矩形辐射贴片；该天线采用弯折偶极子的方式增加天线的电长度，减小天线的尺寸，但是由于只进行了横向的折叠，尺寸相对而言还是较大。综上所述，设计尺寸大是偶极子标签天线研究中普遍存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决上述天线设计尺寸大的问题，与现有技术相比，本发明提供了一种小尺寸、高增益的紧凑型RFID天线。
为实现上述目的，本发明公开了一种紧凑型RFID天线，由介质基板106、全覆盖接地面101、同轴探针102、弯折偶极子辐射单元和两个矩形寄生辐射单元104组成。所述全覆盖接地面101与介质基板106相连接。所述弯折偶极子辐射单元由两个L形辐射单元1031和两个反G形辐射单元1032组成，L形辐射单元1031和反G形辐射单元1032直接相连，矩形寄生辐射单元104在L形辐射单元1031和反G形辐射单元1032之间，两个反G形辐射单元1032直接连接且关于同轴探针102成中心对称，弯折偶极子辐射单元和矩形寄生辐射单元104均关于同轴探针102成中心对称。所述弯折偶极子辐射单元通过同轴直接馈电，两个矩形寄生辐射单元104通过与弯折偶极子辐射单元之间的耦合缝隙间接馈电。弯折偶极子辐射单元的中心通过同轴馈电与连接器的内导体相连接，连接器的外导体与全覆盖接地面101连接。所述弯折偶极子辐射单元和矩形寄生辐射单元104的结构印刷在介质基板106上。
所述弯折偶极子辐射单元由两个L形辐射单元和两个反G形辐射单元组成，这仅为该天线的一种实施例。弯折偶极子辐射单元通过调整弯折的尺寸和角度，可以调整所设计天线的阻抗匹配和带宽，同时可以调整天线的极化，实现线极化和圆极化设计。通过加载矩形寄生辐射单元，起到扩展天线阻抗带宽和提高天线增益的目的，进而实现较远距离的通信。所述天线可以采用添加多个寄生辐射单元或对矩形寄生辐射单元进行分形设计等方法，进一步扩展天线的带宽，该天线也可以用作其它通信需求，且可以集成在移动平台上。所述天线可以通过加载短路探针或电抗元件等方法，进一步扩大天线的带宽，或缩小天线的尺寸。
本发明采用了同轴馈电结构，充分利用有限空间的设计方法，减小了天线的尺寸和剖面，实现了紧凑型天线设计，并且在有限的空间内提高了天线的增益，实现了高增益RFID天线的设计。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用同轴馈电，且采用了弯折形天线结构设计方法，有效利用紧凑空间，减小了天线的剖面，实现了紧凑型天线的设计。该天线通过在弯折偶极子内部加载寄生辐射单元，实现了高增益天线的设计。由于本发明采用同轴馈电，减小了同轴电缆对天线辐射的影响，使其寄生辐射较低。本发明采用混合馈电相结合的设计，减小了天线的尺寸，增大了天线设计的灵活性，并且通过加载寄生辐射单元，在扩展了天线带宽的基础上，提高了天线的增益，实现了紧凑型、宽带化、高增益天线的设计。该天线剖面低，尺寸小，成本低，便与设计。
本发明采用弯折偶极子辐射单元以及寄生辐射单元融合设计，通过调整各个辐射单元的尺寸，寄生辐射单元与偶极子辐射单元之间的耦合缝隙，以及弯折偶极子辐射单元的弯折尺寸及角度等来调整天线的谐振频率以及天线的谐振带宽，该天线可以达到很好的匹配，满足RFID天线的设计需求。本发明所涉及的一种紧凑型RFID天线具有剖面低、尺寸小、宽带化等特点，可以使用在门票管理，智能物流等设备中，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明所设计天线的俯视图；
图2是本发明所设计天线的侧视图；
图3是本发明所设计天线的弯折偶极子辐射单元L形结构的示意图；
图4是本发明所设计天线的弯折偶极子辐射单元反G形结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步阐述。
结合图1至图4，本发明设计了一种紧凑型RFID天线，所设计的天线采用同轴馈电和弯折偶极子辐射单元的设计方法，并且采用加载矩形寄生辐射单元等结构设计，实现了紧凑型、宽带化、高增益天线的设计，同时可以根据实际设计需求，更改设计为多频带或圆极化天线。
本发明所涉及的天线主要包括：介质基板106、全覆盖接地面101、同轴探针102、弯折偶极子辐射单元和两个矩形寄生辐射单元104。所述弯折偶极子辐射单元由两个L形辐射单元1031和两个反G形辐射单元1032组成，L形辐射单元1031和反G形辐射单元1032直接相连，矩形寄生辐射单元104在L形辐射单元1031和反G形辐射单元1032之间，两个反G形辐射单元1032直接连接且关于同轴探针102成中心对称，弯折偶极子辐射单元和矩形寄生辐射单元104均关于同轴探针102成中心对称。所述弯折偶极子辐射单元通过同轴直接馈电，两个矩形寄生辐射单元104通过与弯折偶极子辐射单元之间的耦合缝隙间接馈电。
弯折偶极子辐射单元通过弯折结构设计，减小了天线横向体积，弯折偶极子辐射单元通过调整弯折的尺寸和角度，可以调整所设计天线的阻抗匹配和带宽，同时可以调整天线的极化，实现线极化和圆极化设计。通过调整矩形寄生偶极子辐射单元与弯折偶极子辐射单元之间的耦合缝隙的尺寸，该天线可以达到很好的匹配，并且具有较高的增益，满足宽带高增益的RFID天线的设计。同时，根据应用方向的不同，该天线可以调整为多频带或圆极化天线，进行更加灵活的设计，从而拥有更为广阔的应用前景。
本发明所设计的天线采用同轴馈电，弯折偶极子辐射单元与连接器的内导体相连接，连接器的外导体与全覆盖接地面101相连接。该天线按照图1所示的结构印刷在介质基板106上，通过调整弯折偶极子辐射单元和矩形寄生辐射单元104的尺寸，可以使天线具有宽带化、高增益的特性。
本发明所设计的天线的阻抗带宽和谐振频率由每个辐射单元的尺寸以及弯折偶极子辐射单元与矩形寄生辐射单元之间的耦合缝隙的尺寸共同决定。矩形寄生辐射单元可以根据实际需求和空间位置采用不同形式进行设计，增加了天线设计的灵活性。
本发明所设计的天线采用弯折偶极子辐射单元进行设计，采用两个L形辐射单元1031和两个反G形辐射单元1032的结构设计，减小了天线的剖面。此种形式只是该天线的一种实施例，在实际设计与应用时，可以根据实际需求更改弯折偶极子辐射单元的弯折角度及尺寸，采用C形、J形等其他结构进行灵活性设计。
本发明所设计的天线可以采用在弯折偶极子辐射单元上加载短路探针的设计，进一步扩展天线的带宽或者缩小天线的尺寸。
本发明所设计的天线可以采用分形结构或者刻槽结构来设计矩形寄生辐射单元，或者通过增加矩形辐射单元的个数，来扩展天线的带宽。
综上所述，本发明所设计的天线采用同轴馈电结构，主要通过弯折偶极子辐射单元降低天线的体积，并且通过增加矩形寄生辐射单元的方法，扩展天线的带宽，增大天线的增益，实现紧凑型、宽带化、高增益的RFID天线的设计。将矩形偶极子辐射单元进行多次弯折，减小了天线的尺寸、降低了天线的横向尺寸，便于进行小型化设计。可以通过调整各个辐射单元的尺寸和矩形寄生辐射单元与弯折偶极子辐射单元之间的耦合缝隙的尺寸，控制天线的谐振频率和谐振带宽。根据所需天线的不同应用场景，可以将天线更改设计为多频带或圆极化天线，有利于天线设计的灵活性。本发明是一种紧凑型RFID天线，采用同轴馈电结构，弯折辐射单元与直接间接馈电相结合的融合设计，不仅降低了天线的剖面，而且扩大了天线的带宽，提高了天线的增益，实现高性能RFID天线的设计，为标签天线的紧凑型设计提供更加有效的设计方法和远距离的通信保证。
本发明的目的是为了提供一种紧凑型RFID天线，本发明采用了同轴馈电结构，充分利用有限空间的设计方法，减小了天线的尺寸和剖面，实现了紧凑型天线设计，并且在有限的空间内提高了天线的增益，实现了高增益RFID天线的设计。
本发明的目的是这样实现的：包括括介质基板，设置在介质基板背面的全覆盖接地面，同轴探针，弯折偶极子辐射单元，两个矩形寄生辐射单元，弯折偶极子辐射单元由两个L形辐射单元以及两个旋转G形辐射单元组成。弯折偶极子辐射单元的中心通过同轴馈电与连接器的内导体相连接，连接器的外导体与全覆盖接地面连接。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述弯折偶极子辐射单元直接同同轴馈线相连接，两个矩形寄生辐射单元通过缝隙耦合进行间接馈电。
2.所述弯折偶极子辐射单元由两个L形辐射单元和两个反G形辐射单元组成(仅为该天线的一种实施例)。
3.通过加载矩形寄生辐射单元，起到扩展天线阻抗带宽和提高天线增益的目的，进而实现较远距离的通信。
4.所述天线可以采用添加多个寄生辐射单元或对矩形寄生辐射单元进行分形设计等方法，进一步扩展天线的带宽，该天线也可以用作其它通信需求，且可以集成在移动平台上。
5.所述天线可以通过加载短路探针或电抗元件等方法，进一步扩大天线的带宽，或缩小天线的尺寸。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用同轴馈电，且采用了弯折形天线结构设计方法，有效利用紧凑空间，减小了天线的剖面，实现了紧凑型天线的设计。该天线通过在弯折偶极子内部加载寄生辐射单元，实现了高增益天线的设计。由于本发明采用同轴馈电，减小了同轴电缆对天线辐射的影响，使其寄生辐射较低。本发明采用混合馈电相结合的设计，减小了天线的尺寸，增大了天线设计的灵活性，并且通过加载寄生辐射单元，在扩展了天线带宽的基础上，提高了天线的增益，实现了紧凑型、宽带化、高增益天线的设计。该天线剖面低，尺寸小，成本低，便与设计。
本发明采用弯折偶极子辐射单元以及寄生辐射单元融合设计，通过调整各个辐射单元的尺寸，寄生辐射单元与偶极子辐射单元之间的耦合缝隙，以及弯折偶极子辐射单元的弯折尺寸及角度等来调整天线的谐振频率以及天线的谐振带宽，该天线可以达到很好的匹配，满足RFID天线的设计需求。本发明所涉及的一种紧凑型RFID天线具有剖面低、尺寸小、宽带化等特点，可以使用在门票管理，智能物流等设备中，具有广泛的应用前景。

Claims (2)

1.一种紧凑型RFID天线，由介质基板(106)、全覆盖接地面(101)和同轴探针(102)组成，其特征在于：所述全覆盖接地面(101)连接于介质基板(106)背面；所述的介质基板(106)上刻有弯折偶极子辐射单元和两个矩形寄生辐射单元(104)；所述弯折偶极子辐射单元由两个L形辐射单元(1031)和两个反G形辐射单元(1032)组成；所述的反G形辐射单元(1032)整体由直角梯形模块、直角三角形模块、L形模块和C形模块组成；所述的C形模块一端自由，另一端与L形模块一端连接，L形模块另一端与直角三角形模块的底边连接，直角三角形模块的斜边与直角梯形模块的斜边连接；两个反G形辐射单元(1032)通过其C形模块的自由端连接在一起；所述的L形辐射单元(1031)由矩形部分和直角梯形部分组成；所述的L形辐射单元(1031)的矩形部分通过直角三角形辐射单元与反G形辐射单元(1032)的直角梯形模块连接，直角三角形辐射单元的直角边与L形辐射单元(1031)的矩形部分连接，直角三角形辐射单元的斜边与反G形辐射单元(1032)的直角梯形模块的上底边连接；所述的矩形寄生辐射单元(104)刻在L形辐射单元(1031)和反G形辐射单元(1032)之间；所述的同轴探针(102)设置在两个反G形辐射单元(1032)的C形模块的自由端连接处，且两个反G形辐射单元(1032)关于同轴探针(102)成中心对称，两个矩形寄生辐射单元(104)关于同轴探针(102)成中心对称，弯折偶极子辐射单元整体关于同轴探针(102)成中心对称；所述的弯折偶极子辐射单元通过同轴探针(102)直接馈电，两个矩形寄生辐射单元(104)通过与弯折偶极子辐射单元之间的耦合缝隙间接馈电。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型RFID天线，其特征在于：所述的矩形寄生辐射单元(104)采用分形结构或者刻槽结构设计。
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