CN108923111A - 一种应用于液体环境的uhf rfid近场阅读器天线 - Google Patents

一种应用于液体环境的uhf rfid近场阅读器天线 Download PDF

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Abstract

一种应用于液体环境的UHF RFID近场阅读器天线，由微带天线导体单元、介质层和金属地单元组成，微带天线导体单元贴于介质层的上表面，金属地单元贴于介质层的下表面，微带天线导体单元包括第一馈电导体单元、第二馈电导体单元、第一辐射导体单元、第二辐射导体单元，所述第一辐射导体单元与第二辐射导体单元关于微带天线导体单元的中轴线镜像对称布置，第一馈电导体单元、第二馈电导体单元亦关于微带天线导体单元的中轴线镜像对称布置，第一馈电导体单元设于第一辐射导体单元的一侧，第二馈电导体单元设于第二辐射导体单元的一侧。使用本发明，在天线近场区域内产生均匀强大的磁场，可以满足UHF RFID***中标签应用于液体环境的实际需求。

Description

一种应用于液体环境的UHF RFID近场阅读器天线
技术领域
本发明属于无线天线制造领域，具体涉及一种应用于液体环境的UHF RFID近场阅读器天线。
背景技术
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是一种非接触式的自动化技术, 通过射频信号自动识别目标对象并获取相关信息，其基本原理源于第二次世界大战时期盟军飞机和军舰的无线电数据识别技术。近年来，随着UHF RFID技术的成熟，近场通信应用已不再是HF所主导的领域。UHF标签已经被证明了在RFID近场具有低成本，高读取率，优越的防碰撞算法和规范统一的通信协议等优势。工作于超高频的物品级标签越来越多应用于图书馆，药品和珠宝包装，银行账单等。普遍预期UHF RFID标签将在未来数十年主导近场应用市场。因此迫切需要应用各种场合的UHF 近场读写器天线。UHF RFID近场具有切向和径向的电场和磁场分量，对应于磁场耦合和电场耦合。由于超高频近场主要应用在单品识别中，经常要识别一些附着于液体环境周围的标签，而磁场抗液体环境干扰性较强，因此UHF RFID***近场天线更多的是利用磁场耦合。UHF RFID 近场***是一种变压器型电感耦合式原理工作的***。读写器天线视为其初级线圈，标签天线视为其次级线圈。对于普通的UHF RFID近场天线，只要线圈间的距离（50mm左右），***就是有效的。
因此，UHF RFID近场阅读器的天线的设计一方面要能够在其近场区域内激发出足够强的磁场，继而有足够的能量来激活标签；另一方面，其天线增益不能太大，应尽量降低远场辐射，避免对其远场区域内的标签造成误读。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种应用于液体环境的UHF RFID 近场阅读器天线，该阅读器天线,一方面可以在近场区域内产生均匀强大的磁场，足以弥补磁场因液体环境因素引起的衰落量，具有足够的能量能够激活贴附在液体环境上的标签;另一方面，其具有较大的工作带宽，能够保证不因液体环境因素造成对标签天线谐振频率的偏移而引起的失读。
本发明的技术方案如下：
一种应用于液体环境的UHF RFID 近场阅读器天线，由微带天线导体单元、介质层和金属地单元组成，微带天线导体单元贴于介质层的上表面，金属地单元贴于介质层的下表面，微带天线导体单元包括第一馈电导体单元、第二馈电导体单元、第一辐射导体单元、第二辐射导体单元，所述第一辐射导体单元与第二辐射导体单元关于微带天线导体单元的中轴线镜像对称布置，第一馈电导体单元、第二馈电导体单元亦关于微带天线导体单元的中轴线镜像对称布置，第一馈电导体单元设于第一辐射导体单元的一侧，第二馈电导体单元设于第二辐射导体单元的一侧。
进一步，所述第一馈电导体单元与第二馈电导体单元，两者均为L型；第一馈电导体单元的长度与第二馈电导体单元的长度均为波长的十六分之一，第一馈电导体单元与第二馈电导体单元的总长度为八分之一波长，所述波长为阅读器天线的工作波长。
进一步，第一馈电导体单元包括与微带天线导体单元的中轴线平行的第一馈电平行单元体、与微带天线导体单元的的中轴线垂直的第一馈电垂直单元体；第二馈电导体单元包括与微带天线导体单元的中轴线平行的第二馈电平行单元体、与微带天线导体单元的中轴线垂直的第二馈电垂直单元体。其中，第一馈电平行单元体和第二馈电平行单元体的宽度均为1.8～2.2mm、长度均为6～8mm；第一馈电垂直单元体和第二馈电垂直单元体的宽度均为0.8～1.2mm、长度均为14～16mm。
进一步，第一辐射导体单元13的长度与第二辐射导体单元的长度均为，第一辐射导体单元与第二辐射导体单元的总长度为，为介质层2的介电常数。λ为阅读器天线的工作波长。
进一步，第一辐射导体单元与第二辐射导体单元的结构相同，第一辐射导体单元为一不规则辐射体，包括依次连接的垂直辐射导体单元、第一弧型辐射导体单元、平行辐射导体单元、第二弧型辐射导体单元以及L型辐射导体单元，垂直辐射导体单元与微带天线导体单元的中轴线垂直，平行辐射导体单元与微带天线导体单元的中轴线平行。其中，第一弧型辐射导体单元与第二弧型辐射导体单元的弧度角均为。
进一步，第一馈电导体单元与第一辐射导体单元之间、以及第二馈电导体单元与第二辐射导体单元之间通过电感耦合实现电气的联系。具体为，第一馈电导体单元的第一馈电垂直单元体与第一辐射导体单元的垂直辐射导体单元之间的距离小于1mm，便于通过强电感耦合。第二馈电导体单元的第二馈电垂直单元体与第二辐射导体单元的垂直辐射导体单元之间的距离小于1mm，便于通过强电感耦合。
进一步，微带天线导体单元的材料为金属铜或铝材料，介质层的材料为玻璃纤维环氧树脂FR-4，玻璃纤维环氧树脂FR-4的介电常数为4.4。
进一步，介质层的形状为矩形状，长度为65～68mm，宽度亦为65～68mm，厚度小于1mm。
进一步，金属地单元的形状为矩形状，且其边长均小于介质层的相应边长。
进一步，所述阅读器天线的回波损耗S11<-10dB时的带宽为11MHz。
进一步，所述阅读器天线的工作波长0.326m。
进一步，所述阅读器天线的最远工作距离为0.16λ，λ为阅读器天线的工作波长。
本发明天线结构简单，体积小，能够在天线近场区域内产生均匀较强的磁场，远场增益小，既保证了液体环境下的近场区域内标签的有效读取，又避免了对远场区域内标签的误读。
附图说明
为了更加清楚地介绍本发明，下面对实施例或现有技术中所需使用的附图做简单的介绍。
图1（a）为本发明阅读器天线的俯视图；
图1（b）为本发明阅读器天线的侧视图；
图2为本发明阅读器天线第一馈电导体单元、第一辐射导体单元的结构示意图；
图3为本发明阅读器天线的回波损耗S11的仿真值与测量值；
图4为本发明阅读器天线远场区域内天线增益曲线；
图5为925MHz时，本发明阅读器天线导体中电流分布仿真图；
图6为925MHz时，本发明阅读器天线的轴比图；
图7为925MHz时，本发明阅读器天线近场区域内不同距离平面处磁场分布图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1（a）、图1（b），本发明实施例提供了一种应用于液体环境的UHF RFID 近场阅读器天线，其可以在近场区域内产生均匀强大的磁场，且远场增益小。UHF RFID 近场阅读器天线，为三层平面结构，上层为微带天线导体单元1，材料通常为金属铜或铝材料；中间层为介质层2，材料通常为玻璃纤维环氧树脂FR-4；下层为金属地单元3，材料通常为覆铜。微带天线导体单元1贴于介质层2的上表面，金属地单元3贴于介质层2的下表面。
本发明实施例提供的RFID近场阅读器天线的微带天线导体单元1包括：第一馈电导体单元11、第二馈电导体单元12、第一辐射导体单元13、第二辐射导体单元14。
其中所述第一馈电导体单元11、第二馈电导体单元12通过SMA接头可与阅读器的输出端口（图中未示出）相连接，从而获得阅读器的能量、数据和时序。第一馈电导体单元11设于第一辐射导体单元13的一侧，第二馈电导体单元12设于第二辐射导体单元14的一侧，所述第一馈电导体单元11与第一辐射导体单元13之间的距离、以及第二馈电导体单元12与第二辐射导体单元14之间的距离均小于1mm，便于通过强电感耦合，实现馈电导体单元11、12与辐射导体单元13、14间的交流电的变化联系。所述第一辐射导体单元13与第二辐射导体单元14关于微带天线导体单元1的中轴线镜像对称布置，第一馈电导体单元11、第二馈电导体单元12亦关于微带天线导体单元1的中轴线镜像对称布置。
具体地，第一馈电导体单元11与第二馈电导体单元12，两者均为L型。第一馈电导体单元11的长度与第二馈电导体单元12的长度均为波长的十六分之一，第一馈电导体单元11与第二馈电导体单元12的总长度为八分之一波长。所述波长为阅读器天线的工作波长。
本实施例中，当微带天线导体单元1与金属地单元3之间外加超高频电压或者电流后，第一馈电导体单元11、第二馈电导体单元12是天线能量的输入端，理论上为了保证能量不被反射回来，即要求回波损耗S11趋近于无穷大，实际应用中S11小于-10dB即可。通常要求天线的输入阻抗为50Ω，为了实现阻抗匹配，因此传输线的长度和宽度设计应该使其满足50Ω。
具体地，L型的第一馈电导体单元11包括：与微带天线导体单元1的中轴线平行的第一馈电平行单元体111、与微带天线导体单元1的中轴线垂直的第一馈电垂直单元体112。其中，第一馈电平行单元体111的宽度为1.8～2.2mm、长度为6～8mm，平行单元体的设计便于实际应用中SMA接头的连接。第一馈电垂直单元体112的宽度0.8～1.2mm、长度为14～16mm，垂直单元体的设计有利于与第一辐射导体单元13的电感耦合。
第二馈电导体单元12的结构和尺寸分别与第一馈电导体单元11的结构和尺寸相同。第二馈电导体单元12包括：与微带天线导体单元1的的中轴线平行的第二馈电平行单元体、与微带天线导体单元1的中轴线垂直的第二馈电垂直单元体。第二馈电导体单元12的第二馈电垂直单元体与第二辐射导体单元14之间的距离小于1mm，便于通过强电感耦合。其中第二馈电平行单元体的宽度为1.8～2.2mm、长度为6～8mm，平行单元体的设计便于实际应用中SMA接头的连接。第二馈电垂直单元体的宽度0.8～1.2mm、长度为14～16mm，垂直单元体的设计有利于与第二辐射导体单元14的电感耦合。
一方面，第一辐射导体单元13的长度与第二辐射导体单元14的长度均为，第一辐射导体单元13与第二辐射导体单元14的总长度为，为介质层2的介电常数，这确保了辐射导体中的分布电流为同相位，能够在天线近场区域内产生较强的磁场，而不出现部分区域磁场强度相削弱的情况。另一方面，第一辐射导体单元13与第二辐射导体单元14关于微带天线导体单元1的中轴线镜像对称布置，保证了第一辐射导体单元13与第二辐射导体单元14在天线近场区域内产生的磁场上下对称，磁场密度均匀。所述波长为阅读器天线的工作波长。
第一辐射导体单元13与第二辐射导体单元14结构相同且关于微带天线导体单元1的中轴线镜像对称布置。此处，仅以第一辐射导体单元13为例，其为一不规则辐射体结构，包括依次连接的垂直辐射导体单元131、第一弧型辐射导体单元132、平行辐射导体单元133、第二弧型辐射导体单元134以及L型辐射导体单元135，垂直辐射导体单元131与微带天线导体单元1的中轴线垂直，平行辐射导体单元133与微带天线导体单元1的中轴线平行。第一弧型辐射导体单元132与第二弧型辐射导体单元134的弧度角均为。
第一馈电导体单元11与第一辐射导体单元13之间、以及第二馈电导体单元12与第二辐射导体单元14之间通过电感耦合实现电气的联系。第一馈电导体单元11的第一馈电垂直单元体与第一辐射导体单元13的垂直辐射导体单元131之间的距离小于1mm，便于通过强电感耦合。第二馈电导体单元12的第二馈电垂直单元体与第二辐射导体单元14的垂直辐射导体单元之间的距离小于1mm，便于通过强电感耦合。
第一辐射导体单元13与第二辐射导体单元14，整体上采用镜像对称结构可以使得天线近场区域内产生均匀而强大的电磁场；其次，第一辐射导体单元13与第二辐射导体单元14形状设计受限于天线长度及谐振频率的约束。
举例而言，第一辐射导体单元13与第二辐射导体单元14的总长度可为，其中。为UHF RFID近场阅读器天线的工作频率，为真空中电磁波的波速，为介质层2的介电常数。
实际应用中，本发明之阅读器天线采用微带线进行馈电，UHF RFID近场阅读器天线的工作频率为860MHz-960MHz，最佳工作频率为，真空中电磁波的波速为，则阅读器天线的工作波长为：
；
当UHF RFID近场阅读器天线工作于最佳频率时，第一辐射导体单元13与第二辐射导体单元14两者长度之和（即总长度）L0为：
；
第一辐射导体单元13与第二辐射导体单元14两者长度之和（即总长度）L0，视该天线的具体工作的带宽要求而变化，阅读器天线具体工作的带宽不同，所对应的总长度L0不同。
介质层2选用玻璃纤维环氧树脂FR4，其介电常数为，电绝缘性能稳定，平整度好，表面光滑，无凹坑，厚度公差超过标准，适合应用于高性能电子绝缘要求的产品。
具体地，所述介质层2为矩形状，其长度为65～68mm，宽度亦为65～68mm，厚度小于1mm。本实施例中均优选为66.4mm。
在现有工艺中，为了节约原料成本和降低工艺复杂度，通常金属地单元3的材料为覆铜，在本实施例中，金属地单元3呈矩形状，且其边长均小于介质层2的相应边长。
如图3所示，为本发明的一种应用于液体环境的UHF RFID近场阅读器天线的回波损耗曲线图，其中S11的仿真值为Ansys HFSS 15.0软件所得，S11的测量值由Aglient矢量网络分析仪测得。在本实施例中，由于制作工艺的局限性，天线工作频率的测量值较仿真值向高频偏移，但带宽几乎没有发生变化。实际应用中，要求天线的回波损耗参数值S11<-10dB，由图3易得，满足此要求的天线工作频率为916MHz-927MHz，带宽为11MHz，说明本实施例中的天线在该带宽内具有较好的匹配特性，且在922MHz处，天线的回波损耗S11<-15dB，因此本实施例设计的UHF RFID近场阅读器天线的性能要求远远超过实际应用需求。
如图4所示, 为本发明的一种应用于液体环境的UHF RFID近场阅读器天线远场增益曲线图，由图4可知，在工作频率920MHz附近处，天线的远场增益小于，增益较小。因此，当电子标签处于阅读器天线远场区域时，由于天线远场增益很小，不足以激活远场区域内的电子标签，降低了阅读器的误读率。
如图5所示，为本发明的一种应用于液体环境的UHF RFID近场阅读器天线导体中的电流分布图，易得第一辐射导体单元13与第二辐射导体单元14中的电流大小几乎相同且在一个波长内同相，因此在天线近场区域内产生的磁场不会出现相消的情况。
如图6所示，为本发明的一种应用于液体环境的UHF RFID近场阅读器天线在900MHz-960MHz时的轴比图，易得该天线的极化方式为椭圆极化。
如图7所示，为本发明的一种应用于液体环境的UHF RFID近场阅读器天线在距其平面Z处的磁场分布图，可知，本发明之阅读器天线最远工作距离为0.16λ，当距天线平面的距离时，激发出的磁场强度较小，已经不能够满足标签的激活功率需要了，避免了阅读器对天线远场区内电子标签的误读。
需要指出的是，在本文中，诸如第一、第二之类的关系术语仅仅用来表示将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其他变体意在涵盖非排他性的包含。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于液体环境的UHF RFID 近场阅读器天线，其特征在于，由微带天线导体单元、介质层和金属地单元组成，微带天线导体单元贴于介质层的上表面，金属地单元贴于介质层的下表面，微带天线导体单元包括第一馈电导体单元、第二馈电导体单元、第一辐射导体单元、第二辐射导体单元，所述第一辐射导体单元与第二辐射导体单元关于微带天线导体单元的中轴线镜像对称布置，第一馈电导体单元、第二馈电导体单元亦关于微带天线导体单元的中轴线镜像对称布置，第一馈电导体单元设于第一辐射导体单元的一侧，第二馈电导体单元设于第二辐射导体单元的一侧。
2.根据权利要求1所述的应用于液体环境的UHF RFID 近场阅读器天线，其特征在于，第一馈电导体单元与第二馈电导体单元，两者均为L型；第一馈电导体单元的长度与第二馈电导体单元的长度均为波长的十六分之一，第一馈电导体单元与第二馈电导体单元的总长度为八分之一波长，所述波长为阅读器天线的工作波长。
3.根据权利要求1或2所述的应用于液体环境的UHF RFID 近场阅读器天线，其特征在于，第一辐射导体单元的长度与第二辐射导体单元的长度均为，第一辐射导体单元与第二辐射导体单元的总长度为，为介质层的介电常数，λ为阅读器天线的工作波长。
4.根据权利要求2所述的应用于液体环境的UHF RFID 近场阅读器天线，其特征在于，第一馈电导体单元与第二馈电导体单元的结构相同；第一馈电导体单元包括与馈电导体单元的中轴线平行的第一馈电平行单元体及与馈电导体单元的中轴线垂直的第一馈电垂直单元体；第二馈电导体单元包括与馈电导体单元的中轴线平行的第二馈电平行单元体及与馈电导体单元的中轴线垂直的第二馈电垂直单元体。
5.根据权利要求1或2或4所述的应用于液体环境的UHF RFID 近场阅读器天线，其特征在于，第一辐射导体单元与第二辐射导体单元的结构相同，第一辐射导体单元为一不规则辐射体，包括依次连接的垂直辐射导体单元、第一弧型辐射导体单元、平行辐射导体单元、第二弧型辐射导体单元以及L型辐射导体单元，垂直辐射导体单元与微带天线导体单元的中轴线垂直，平行辐射导体单元与微带天线导体单元的中轴线平行，第一弧型辐射导体单元与第二弧型辐射导体单元的弧度角均为。
6.根据权利要求5所述的应用于液体环境的UHF RFID 近场阅读器天线，其特征在于，第一馈电导体单元与第一辐射导体单元之间、以及第二馈电导体单元与第二辐射导体单元之间通过电感耦合实现电气的联系，第一馈电导体单元的第一馈电垂直单元体与第一辐射导体单元的垂直辐射导体单元之间的距离小于1mm，第二馈电导体单元的第二馈电垂直单元体与第二辐射导体单元的垂直辐射导体单元之间的距离小于1mm。
7.根据权利要求1或2所述的应用于液体环境的UHF RFID 近场阅读器天线，其特征在于，微带天线导体单元的材料为金属铜或铝材料，介质层的材料为玻璃纤维环氧树脂FR-4，玻璃纤维环氧树脂FR-4的介电常数为4.4。
8.根据权利要求1或2所述的应用于液体环境的UHF RFID 近场阅读器天线，其特征在于，介质层的形状为矩形状，长度为65～68mm，宽度亦为65～68mm，厚度小于1mm；金属地单元的形状为矩形状，且其边长均小于介质层的相应边长。
9.根据权利要求1或2所述的应用于液体环境的UHF RFID 近场阅读器天线，其特征在于，所述阅读器天线的回波损耗S11<-10dB时的带宽为11MHz。
10.根据权利要求1或2所述的应用于液体环境的UHF RFID 近场阅读器天线，其特征在于，所述阅读器天线的最远工作距离为0.16λ，λ为阅读器天线的工作波长。
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