CN110867640B - 一种近场/远场可重构rfid读写天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种近场/远场可重构RFID读写天线，属于微波技术与天线领域。由上至下结构依次为馈电臂与非馈电臂不等宽的折合振子、上基板、八根竖直的馈电铜柱、带有PIN二极管的馈电网络、下基板、金属地板。所述的八根馈电铜柱一端连接于馈电网络，另一端通过上基板上八个相同的通孔给折合振子馈电臂馈电；所述的馈电网络由耦合线功分器和延迟线移相器和PIN二极管组成；所述的PIN二极管通过在其两端加载正向和反向电压控制其导通和截止，从而重构折合振子上的电流分布，实现近场和远场读写工作状态灵活切换。天线具有近/远场可重构功能，近场模式下磁场分布均匀、读写范围大，远场辐射增益很低；远场模式下，辐射圆极化波束的轴比较小、增益较大，标签读写准确率高的优点。

Description

一种近场/远场可重构RFID读写天线

技术领域

本发明涉及微波技术与天线领域，特别是涉及一种近场/远场可重构RFID读写天线。

背景技术

射频识别技术以其非接触式自动识别的优点在通信领域得到快速发展。广泛应用于非接触式支付、物流管理、门禁***等，相比于条形码、光学字符识别、生物识别等自动识别技术，RFID可同时处理多个电子标签、识别距离由近场的几个毫米至远场的几米甚至几十米，并且具有储存信息量大、可在较为恶劣的条件下工作等优点。随着RFID技术的发展，对于近场具有较强且均匀的磁场分布和远场具有较远的读写范围的需求越来越迫切。需求的多元化使得既能工作在近场模式也能工作在远场模式的RFID读写天线具有广泛的市场应用价值。

读写天线是RFID***不可或缺的部件，对RFID***的性能至关重要；近年来，为了同时实现RFID读写天线近场和远场读写功能，常将近场分段环技术和贴片天线相结合，分段线、开槽和半波长内电流方向不变性质用于近远场天线设计。但是近/远场RFID读写天线仍存在一些不容忽视的缺点：当天线工作于近场时，由于远场增益较高，很容易对远距离标签产生误读；大部分现有结构设计工作于远场时会影响天线近场下的磁场分布均匀性；而且远场辐射波大多为线极化，标签的灵活性小。而对于近场/远场可重构RFID读写天线，目前还未见报道。

针对以上的应用需求，有必要提供一种天线，当其工作于近场时，得到较强的均匀磁场，较大的读写范围和较低的远场增益，从而解决标签误读的问题；当远场工作时，实现较高增益的圆极化辐射，从而可准确读取以任意方位摆放的标签。

发明内容

本发明专利针对现有近场、远场可同时工作的RFID读写天线，在近场工作时容易对远距离标签误读，远场工作时影响天线近区磁场均匀分布，标签可配置方位灵活性小等缺点，提供了一种近场/远场可重构RFID读写天线。

为了实现上述目的，本发明提供了一种近场/远场可重构RFID读写天线。由上至下结构依次为馈电臂与非馈电臂不等宽的折合振子、上基板、八根馈电铜柱、带有PIN二极管的馈电网络、下基板、金属地板。八根馈电铜柱一端连接于馈电网络，另一端通过上基板上八个相同的通孔给折合振子馈电臂馈电；馈电网络由6个相同的耦合线功分器、5个电长度为180°延迟线移相器、2个电长度为90°延迟线移相器，同时加载12个PIN二极管组成；通过在PIN二极管两端加载正向和反向电压，从而控制PIN二极管的导通和截止，进而配置折合振子上的电流分布，最终实现近场和远场的切换。

折合振子是关于上基板中心旋转对称的四个相同振子，其馈电臂与非馈电臂不等宽，且每个折合振子的总长度为λ/2，λ为导波波长。

上基板和下基板均为电子器件基板；上基板和下基板的厚度均为1mm，上基板底面至下基板顶面间的距离为30mm；基板间的八根铜柱直径均为0.5mm。

馈电网络由6个相同的耦合线功分器、5个电长度为180°延迟线移相器、2个电长度为90°延迟线移相器，同时加载12个PIN二极管组成。

本发明通过控制馈电网络中PIN二极管的导通和截止，实现天线的近场和远场工作模式切换。工作于近场时，磁场分布均匀、读写范围大且远场增益低，从而解决误读位于远距离范围标签的问题；工作于远场时，产生圆极化辐射，且在UHF频段内的最大增益为6.9dBic，可读取按任意方位摆放的标签。

附图说明

图1是本发明的3D示意图。

图2是本发明正视示意图。

图3是本发明俯视示意图。

图4是本发明馈电网络示意图。

图5是本发明近场或远场工作时的反射系数S₁₁图。

图6是本发明近场工作时天线上方30mm处沿X轴或者Y轴变化的垂直方向的磁场强度分布图。

图7是本发明近场或远场工作时的增益图。

图8是本发明远场工作状态下的轴比图。

图9是本发明近场工作状态下在天线上方10mm处平行于天线的平面内垂直方向的磁场强度分布图。

图10是本发明近场工作状态下在天线上方50mm处平行于天线的平面内垂直方向的磁场强度分布图。

图中：1-折合振子，2-上基板，3-馈电铜柱，4-馈电网络，5至16-PIN二极管，17-下基板，18-金属地板，19-激励端口，A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2为馈电网络向上基板馈电的端口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述技术进行进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

如图1-4所示，本发明提供一种近场/远场可重构RFID读写天线，在本实施例中，该可重构天线边长为200mm，上基板和下基板采用FR-4环氧树脂板(介电常数4.4，损耗正切0.02)，厚度均为1mm，两者间的距离为30mm。由上至下结构依次为馈电臂与非馈电臂不等宽的折合振子1、上基板2、八根馈电铜柱3、带有PIN二极管(5-16)的馈电网络4、下基板17、金属地板18。折合振子的总长为135mm，馈电臂和非馈电臂的宽分别为8mm和2mm，间距为1mm。八根直径均为0.5mm的馈电铜柱一端连接于馈电网络，另一端通过上基板的八个相同通孔给折合振子馈电臂馈电。

馈电网络由6个相同的耦合线功分器、5个电长度为180°延迟线移相器、2个电长度为90°延迟线移相器并加载12个PIN二极管组成。通过在PIN二极管两端加载正向和反向电压，从而控制PIN二极管的导通和截止，进而配置折合振子上的电流分布，最终实现近场和远场的切换。当PIN二极管5、8导通，6、7截止时，90°延迟线移相器接入馈电网络；当PIN二极管9、12导通，10、11截止时，180°延迟线移相器接入馈电网络；当PIN二极管13、16导通，14、15截止时，90°延迟线移相器接入馈电网络。

故当天线工作在远场状态时，PIN二极管5、8、9、12、13、16导通，PIN二极管6、7、10、11、14、15截止，端口A1、B1、C1、D1依次形成相位差分别为0°、180°、270°、90°的等幅信号，端口A2、B2、C2、D2依次形成相位差分别为180°、0°、90°、270°的等幅信号；当天线工作在近场状态时，PIN二极管5、8、9、12、13、16截止，PIN二极管6、7、10、11、14、15导通，端口A1、B1、C1、D1依次形成相位差分别为0°、180°、180°、0°的等幅信号，端口A2、B2、C2、D2依次形成相位差分别为0°、180°、180°、0°的等幅信号。

具体实施实例的结果图如图5-10所示。天线近场的中心频率在915MHz，在天线孔径方向的增益低于-15dBi，避免了对远距离标签的误读。由图6、图9、图10可以看出在天线上方，距离天线上表面不同距离、边长为120mm的方形区域范围内的磁场都分布均匀，在距天线上表面30mm处的方形区域内，磁场强度分布在-6.4dB左右。由图5、图7、图8可以看出，天线工作于远场时，产生圆极化辐射，远场增益最大值为6.9dBic，在0.77-1GHz频段内天线的轴比均小于3dB。由此看出，近场远场可在同一工作频段(902-928MHz)切换工作、具有近区磁场分布均匀、读写范围大，可避免对远距离处标签的误读，远场工作频段宽，可准确识别按任意方位摆放标签等诸多优点。

以上具体实施实例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明并不局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或等同替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种近场/远场可重构RFID读写天线，由上至下结构依次为馈电臂与非馈电臂不等宽的折合振子、上基板、八根竖直的馈电铜柱、带有PIN二极管的馈电网络、下基板、金属地板，其特征在于：所述折合振子是关于上基板中心旋转对称的四个相同的振子，按逆时针方向分别为第一折合振子、第二折合振子、第三折合振子以及第四折合振子，每个折合振子分别有第一端口和第二端口，所述馈电网络由6个相同的耦合线功分器、5个电长度为180°的延迟线移相器、2个电长度为90°的延迟线移相器和12个PIN二极管组成，八根馈电铜柱一端连接馈电网络，另一端通过上基板上八个相同通孔给折合振子馈电臂馈电；所述馈电网络从激励端口分成两路，第一路输出经第一可重构电路后到达第一耦合线功分器输入端口，所述第一可重构电路包括第一传输线、第一180°延迟线移相器以及四个PIN二极管，第一传输线与激励端口分出的第一路通过第一PIN二极管(10)相连，第一传输线与第一耦合线功分器的输入端通过第二PIN二极管(11)相连，第一180°延迟线移相器与激励端口分出的第一路通过第三PIN二极管(9)相连，第一180°延迟线移相器与第一耦合线功分器的输入端通过第四PIN二极管(12)相连；第一耦合线功分器的第一输出端口和第二耦合线功分器输入端口相连，第二耦合线功分器的第一输出端经过一个第二180°延迟线移相器后，通过馈电铜柱对第一折合振子的第一端口进行馈电，第二耦合线功分器的第二输出端通过馈电铜柱对第一折合振子的第二端口进行馈电；第一耦合线功分器的第二输出端口经过第二可重构电路后，与第三耦合线功分器输入端口相连，第二可重构电路包括第二传输线、第一90°延迟线移相器以及四个PIN二极管，第二传输线与第一耦合线功分器的第二输出端通过第五PIN二极管(15)相连，第二传输线与第三耦合线的输入端通过第六PIN二极管(14)相连，第一90°延迟线移相器与第一耦合线功分器的第二输出端通过第七PIN二极管(16)相连，第一90°延迟线移相器与第三耦合线功分器的输入端通过第八PIN二极管(13)相连；第三耦合线功分器的第一输出端经过一个第三180°延迟线移相器后，通过馈电铜柱对第二折合振子的第一端口进行馈电，第三耦合线功分器的第二输出端，通过馈电铜柱对第二折合振子的第二端口进行馈电；从激励端口分出的第二路输出与第四耦合线功分器输入端口相连，第四耦合线功分器的第一输出端口与第五耦合线功分器的输入端相连，第五耦合线功分器的第一输出端经过第四180°延迟线移相器后，通过馈电铜柱对第三折合振子的第一端口进行馈电，第五耦合线功分器的第二输出端口，通过馈电铜柱对第三折合振子的第二端口进行馈电；第四耦合线功分器的第二输出端口经过第三可重构电路后与第六耦合线功分器输入端口相连，第三可重构电路包括第三传输线、第二90°延迟线移相器以及四个PIN二极管，第三传输线与第四耦合线功分器的第二输出端通过第九PIN二极管(6)相连，第三传输线与第六耦合线的输入端通过第十PIN二极管(7)相连，第二90°延迟线移相器与第四耦合线功分器的第二输出端通过第十一PIN二极管(5)相连，第二90°延迟线移相器与第六耦合线功分器的输入端通过第十二PIN二极管(8)相连；第六耦合线功分器第一输出端经过第五180°延迟线移相器后，通过馈电铜柱对第四折合振子的第一端口进行馈电，第六耦合线功分器第二输出端通过馈电铜柱对第四折合振子的第二端口进行馈电；当天线工作在远场状态时，第十一PIN二极管(5)、第十二PIN二极管(8)、第三PIN二极管(9)、第四PIN二极管(12)、第八PIN二极管(13)、第七PIN二极管(16)导通，第九PIN二极管(6)、第十PIN二极管(7)、第一PIN二极管(10)、第二PIN二极管(11)、第六PIN二极管(14)、第五PIN二极管(15)截止，第三折合振子的第二端口、第三折合振子的第一端口、第四折合振子的第一端口、第四折合振子的第二端口依次形成相位差分别为0°、180°、270°、90°的等幅信号，第一折合振子的第二端口、第一折合振子的第一端口、第二折合振子的第一端口、第二折合振子的第二端口依次形成相位差分别为180°、0°、90°、270°的等幅信号；当天线工作在近场状态时，第十一PIN二极管(5)、第十二PIN二极管(8)、第三PIN二极管(9)、第四PIN二极管(12)、第八PIN二极管(13)、第七PIN二极管(16)截止，第九PIN二极管(6)、第十PIN二极管(7)、第一PIN二极管(10)、第二PIN二极管(11)、第六PIN二极管(14)、第五PIN二极管(15)导通，第三折合振子的第二端口、第三折合振子的第一端口、第四折合振子的第一端口、第四折合振子的第二端口依次形成相位差分别为0°、180°、180°、0°的等幅信号，第一折合振子的第二端口、第一折合振子的第一端口、第二折合振子的第一端口、第二折合振子的第二端口依次形成相位差分别为0°、180°、180°、0°的等幅信号。

2.根据权利要求1所述的一种近场/远场可重构RFID读写天线，其特征在于：所述的PIN二极管通过在其两端加载正向和反向电压控制其导通和截止，从而重构折合振子上的电流分布，实现近场和远场读写工作状态灵活切换。

3.根据权利要求1所述的一种近场/远场可重构RFID读写天线，其特征在于：所述每个折合振子的总长度为λ/2，λ为导波波长。

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