CN111224214B - 基于方向图可重构的小型化波束可控rfid阅读器天线 - Google Patents

基于方向图可重构的小型化波束可控rfid阅读器天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线，包括：磁偶极子单元、电单极子单元、介质基板、馈线接地板和用于切换状态方向图的可重构馈电结构；介质基板包括沿x轴设置的第一介质基板、沿y轴设置的第二介质基板和沿水平面设置的第三介质基板，第一介质基板和第二介质基板正交设置于第三介质基板上，磁偶极子单元设置于第一介质基板，电单极子单元设置于第二介质基板，可重构馈电结构设置于第三介质基板；本发明通过磁偶极子和电单极子结合的方式，实现了天线的小型化，能够在同一频点处实现两种状态的方向图可重构，增加波束覆盖范围；本发明具有增益高，波束范围宽等良好的辐射特性，同时具有结构简单、成本低等特点。

Description

基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线。
背景技术
随着无线通信***的快速发展，天线技术的发展日新月异，在+Z轴方向上实现边射方向图和单极子模式方向图的方向图可重构天线在雷达、RFID阅读器天线等军事民用领域都有非常广泛的应用。方向图可重构天线能够在频率不变的情况下实现边射方向图和具有零陷的单极子模式方向图之间的切换，通过复用相同的信道和空间来提高***容量。并且将高增益的边射方向图的主波束对准期望信号，可实现远距离的接收，再切换至单极子模式方向图，可极大增大波束覆盖范围。
目前，现有技术中方向图可重构天线可以通过在馈电网络上加载PIN管实现可重构、在辐射体上加载PIN管实现可重构或通过给多个端口不同馈电相位实现可重构等方法，但目前都是在电大尺寸天线的情况下实现的，未能实现小型化，无法应用于RFID阅读器等空间受限平台。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线，以解决上述技术问题。
本发明提供的基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线，包括：磁偶极子单元、电单极子单元、介质基板、馈线接地板和用于切换方向图状态的可重构馈电结构；
所述介质基板包括沿x轴设置的第一介质基板、沿y轴设置的第二介质基板和沿水平面设置的第三介质基板，所述第一介质基板和第二介质基板正交设置于第三介质基板上，所述第三介质基板设置于馈线接地板上；
所述磁偶极子单元设置于第一介质基板，所述电单极子单元设置于第二介质基板，所述可重构馈电结构设置于第三介质基板。
可选的，所述第一介质基板和第二介质基板为半圆形介质基板，所述第三介质基板为圆形介质基板，所述馈线接地板为金属地板。
可选的，所述可重构馈电结构包括用于激励磁偶极子单元的第一PIN管和用于激励电单极子单元的第二PIN管，所述可重构馈电结构通过控制第一PIN管和第二PIN管的通断状态控制磁偶极子单元和电单极子单元的工作状态，择一选择边射或单极子辐射模式。
可选的，所述可重构馈电结构包括加载有第一PIN管和第二PIN管的金属条带，所述金属条带包括沿y轴方向设置且长度依次减小的第三金属条带、第二金属条带和第一金属条带，磁偶极子通过所述第一金属条带与第一PIN管的正极连接，电单极子通过所述第三金属条带与第二PIN管的正极连接，第一PIN管和第二PIN管的负极通过所述第二金属条带与馈线连接。
可选的，所述磁偶极子单元包括在第一介质基板的两侧分别设置的激励寄生单元和近场谐振寄生单元；
所述激励寄生单元包括激励单元和寄生单元，所述激励单元与可重构馈电结构连接，所述寄生单元和近场谐振寄生单元相互配合，用于保持结构的对称；
可选的，所述激励单元和寄生单元为两根结构相同的沿x轴设置的，并沿y0z面对称的金属条带，所述近场谐振寄生单元为半环形结构。
可选的，所述电单极子单元为在第二介质基板沿y轴设置的对称结构。
可选的，所述对称结构中的一侧包括连接部、环形臂和枝型部，所述环形臂为沿第二介质基板半圆形边缘设置的弧形结构，所述连接部沿z轴设置，连接部的一端与环形臂的一端连接，另一端与馈线连接，所述枝型部的一端与环形臂的另一端连接，所述枝型部与y轴平行设置。
可选的，所述馈线为同轴电缆，同轴电缆的内导体与所述第二金属条带连接，同轴电缆的外导体与金属地板连接。
可选的，所述激励单元和寄生单元为两根结构相同的矩形金属条带。
本发明的有益效果：本发明中的基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线，通过磁偶极子和电单极子结合的方式，实现了天线的小型化，并且能够仅通过控制方向图可重构馈电网络，能够在同一频点处实现两种状态的方向图可重构，增加波束覆盖范围；本发明中的天线具有增益高，波束范围宽等良好的辐射特性，同时具有小型化、紧凑化、结构简单、成本低等特点，适宜于RFID阅读器天线应用中对宽波束范围的要求，具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例中基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线的结构示意图。
图2(a)是本发明实施例中基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线的磁偶极子单元中激励单元和寄生单元结构示意图。
图2(b)是本发明实施例中基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线的磁偶极子单元中近场谐振寄生单元结构示意图。
图3是本发明实施例中基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线的电单极子单元结构示意图。
图4是本发明实施例中基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线的俯视图。
图5是本发明实施例中基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线的反射系数(|S11|)随频率变化的曲线图。
图6(a)是本发明实施例中基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线在1.57GHz频点的边射的z0x面的辐射方向图。
图6(b)是本发明实施例中基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线在1.57GHz频点的边射的z0y面面的辐射方向图。
图6(c)是本发明实施例中基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线在1.57GHz频点的单极子状态下的z0x面的辐射方向图。
图6(d)是本发明实施例中基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线在1.57GHz频点的单极子状态下的z0y面的辐射方向图。
附图标记说明：
1-第一介质基板、2-第二介质基板、3-第三介质基板、4-金属地板、5-激励单元、6-寄生单元、7-同轴电缆、PIN#1-第一PIN管、PIN#2-第二PIN管。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在下文描述中，探讨了大量细节，以提供对本发明实施例的更透彻的解释，然而，对本领域技术人员来说，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例是显而易见的，在其他实施例中，以方框图的形式而不是以细节的形式来示出公知的结构和设备，以避免使本发明的实施例难以理解。
如图1、4所示，本实施例中的基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线，包括：磁偶极子单元、电单极子单元、介质基板、馈线接地板和用于切换状态方向图的可重构馈电结构；
介质基板包括沿x轴设置的第一介质基板1、沿y轴设置的第二介质基板2和沿水平面设置的第三介质基板，第一介质基板1和第二介质基板2正交设置于第三介质基板上，第三介质基板设置于馈线接地板上，本实施例中的馈线接地板采用金属地板4；
磁偶极子单元设置于第一介质基板1，所述电单极子单元设置于第二介质基板2，可重构馈电结构设置于第三介质基板3。
在本实施例中，利用磁偶极子和电偶极子紧凑结合的方法，通过改变加载在方向图可重构馈电结构的2个PIN管的通断状态，选择不同的辐射模式，实现方向图可重构功能，充分提高空间利用率，实现天线小型化，并采用简单的馈电网络实现+z轴方向上边射方向图和单极子模式方向图两种状态方向图的动态切换，具有稳定的辐射性能以及大的波束覆盖范围。
在本实施例中，天线主要由两个相互正交放置的半圆形介质基板和放置于金属地板4上的圆形介质基板组成，其中沿x轴放置的半圆形介质基板为第一介质基板1，用于印制磁偶极子单元，沿y轴放置的半圆形介质基板为第二介质基板2，用于印制电单极子单元，放置在最下方的第三介质基板3用来印制可重构馈电结构。
如图2所示，在本实施例中，磁偶极子单元主要包括激励寄生单元和近场谐振寄生单元，其中激励寄生单元包括印制在沿x轴放置的半圆形介质基板(即第一介质基板1)一侧的两根完全相同的沿y0z面对称的金属条带，近场谐振寄生单元为印制在第一介质基板1另一侧的半圆环形，两个金属条带中一个金属条带为激励单元，作为激励贴片与馈电结构连接，另一个金属条带为寄生单元，作为寄生贴片来保持结构的对称，从而保证辐射方向图的对称性。该结构利用近场谐振寄生的方式工作，具有高增益、方向图稳定等特性。
如图3所示，在本实施例中，电单极子单元为在第二介质基板2沿y轴设置的对称结构，对称结构中包括连接部、环形臂和枝型部，环形臂为沿第二介质基板半圆形边缘设置的弧形结构，所述连接部沿z轴设置，连接部的一端与环形臂的一端连接，另一端与馈线连接，枝型部的一端与环形臂的另一端连接，枝型部与y轴平行设置，本实施例中的电单极子单元印制在沿y轴放置的半圆形介质基板2上，采用通过连接部、环形臂和枝型部形成的这种类似埃及战斧的形状，完全对称的结构不仅可以产生对称的方向图，并且与磁偶极子单元实现有机结合，可以充分利用空间资源，实现小型化。
在本实施例中，可重构馈电结构包括用于激励磁偶极子单元的第一PIN管PIN#1和用于激励电单极子单元的第二PIN管PIN#2，所述可重构馈电结构通过控制第一PIN管PIN#1和第二PIN管PIN#2的通断状态控制磁偶极子单元和电单极子单元的工作状态，择一选择边射或单极子辐射模式。本实施例通过改变加载在方向图可重构馈电结构的2个PIN管的通断状态，选择不同的辐射模式，实现方向图可重构功能。
在本实施例中，方向图可重构天线采用同轴线进行馈电，其内导体与可重构馈电网络的中间金属条带相连接，外导体和金属地相连接。通过对所述2个PIN管的导通或截止状态的控制，能够实现+z轴方向的边射方向图和单极子模式方向图之间的转换：
当第一PIN管PIN#1导通，同时第二PIN管PIN#2截止时，磁偶极子单元被激励，产生边射辐射方向图；
当第一PIN管PIN#2截止，同时第二PIN管PIN#2导通时，电单极子单元被激励，产生单极子模式的辐射方向图。
通过同轴电缆7直接给接PIN管负极的中间金属条带馈电，另外两个接PIN管正极的金属条带分别与磁偶极子和电偶极子相连。同轴电缆7的内外导体分别接中间金属条带和金属地板，该可重构馈电部分可以通过控制PIN管的通断状态分别产生边射和单极子模式两种状态的方向图。
PIN管状态与方向图可重构状态之间的关系对应如表1。
PIN#1 PIN#2 波束状态
ON OFF 边射模式
OFF ON 单极子模式
表1
金属地板1在磁偶极子单元工作时作为反射器用于实现天线的定向辐射，在电单极子工作时起到镜像作用，实现与半波偶极子方向图等效的单极子模式方向图。
可选的，本实施例中的第一介质基板和第二介质基板为半圆形介质基板，第三介质基板为一个圆形介质基板，其半径均采用：20mm～21mm，厚度均为：0.5mm～0.7mm。磁偶极子单元中的金属条带的高度为：13mm～14mm，宽度为：2mm～3mm，半环形的近场谐振寄生结构的外半径为：20mm～21mm，内半径为：15mm～16mm。电单极子中两个对称环形臂的外半径为：20.5mm～21mm，内半径为：19mm～20mm，与环形臂相连的两个对称长方形枝节的高度为：0.5mm～1mm，宽度为：7mm～8mm。可重构馈电结构由沿着y轴放置的三个金属条带组成，与电单极子相连的第三金属条带长度为：15mm～16mm，与同轴直接相连的第二金属条带长度为：9mm～10mm，与磁偶极子相连的第一金属条带长度为：1.5mm～2mm。圆形金属地板半径为：90mm～100mm。
下面通过一个具体实例来进行说明：
如图1-4所示，在本实施例中，第一PIN管和第二PIN管均采用型号为CPINUC5206-HF，二极管的导通状态等效为1.5欧姆电阻，截止状态等效为0.15pF的电容。采用50欧姆同轴电缆进行馈电，同轴线内导体与可重构馈电结构中的中间金属条带相连，外导体与金属地板相连接。本实施例中的圆形介质基板和半圆形介质基板的尺寸相同，半径均为：20.7mm，厚度均为：0.508mm，三个介质基板均采用型号为Rogers RT/duroid4350B的制作材料，其相对介电常数为3.48，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.0037。磁偶极子单元中两个完全相同的长方形金属条带的高度h1为：14mm，宽度l1为：3mm，半环形金属贴片的内半径r2为：15.5mm，外半径r3为：20.7mm。电单极子环形臂的内半径r4为：20mm，与环形臂相连的两个对称长方形枝节的尺寸相同，且其高度均为h2：0.7mm，宽度均为l2：7mm。第三金属条带长度l3为：16mm，第二金属条带长度l4为：5mm，第一金属条带长度l5为：2mm。所述圆形金属地板半径r1为：96mm。经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如表2所示：
Figure BDA0002350253050000061
Figure BDA0002350253050000071
表2
依照上述参数，对方向图可重构天线的参数，辐射方向图等特性参数进行仿真分析，其分析结果如如图5所示，其中Broadside为边射状态下的|S11|曲线，Monopole为单极子模式下的|S11|曲线，两种状态工作在同一频点处，并且当天线|S11|<-10dB时，本天线阻抗带宽重叠范围为1.55GHz～1.59GHz。如图6所示，辐射方向图对称性良好，可实现较好的增益和波束覆盖范围。
在上述实施例中，除非另外规定，否则通过使用“第一”、“第二”、“第三”等序号对共同的对象进行描述，只表示其指代相同对象的不同实例，而非是采用表示被描述的对象必须采用给定的顺序，无论是时间地、空间地、排序地或任何其他方式。
在上述实施例中，说明书对“本实施例”、“一实施例”、“另一实施例”、或“其他实施例”的提及表示结合实施例说明的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施例中，但不必是全部实施例。“本实施例”、“一实施例”、“另一实施例”的多次出现不一定全部都指代相同的实施例。如果说明书描述了部件、特征、结构或特性“可以”、“或许”或“能够”被包括，则该特定部件、特征、结构或特性“可以”、“或许”或“能够”被包括，则该特定部件、特征、结构或特性不是必须被包括的。如说明书或权利要求提及“一”元件，并非表示仅有一个元件。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线，其特征在于，包括：磁偶极子单元、电单极子单元、介质基板、馈线接地板和用于切换方向图状态的可重构馈电结构；
所述介质基板包括沿x轴设置的第一介质基板、沿y轴设置的第二介质基板和沿水平面设置的第三介质基板，所述第一介质基板和第二介质基板正交设置于第三介质基板上，所述第三介质基板设置于馈线接地板上；
所述磁偶极子单元设置于第一介质基板，所述电单极子单元设置于第二介质基板，所述可重构馈电结构设置于第三介质基板；
所述第一介质基板和第二介质基板为半圆形介质基板，所述第三介质基板为圆形介质基板，所述馈线接地板为金属地板；
所述磁偶极子单元包括在第一介质基板的两侧分别设置的激励寄生单元和近场谐振寄生单元；
所述激励寄生单元包括激励单元和寄生单元，所述激励单元与可重构馈电结构连接，所述寄生单元和近场谐振寄生单元相互配合，用于保持结构的对称；
所述电单极子单元为在第二介质基板沿y轴设置的对称结构，所述对称结构中的一侧包括连接部、环形臂和枝型部，所述环形臂为沿第二介质基板半圆形边缘设置的弧形结构，所述连接部沿z轴设置，连接部的一端与环形臂的一端连接，另一端与馈线连接，所述枝型部的一端与环形臂的另一端连接，所述枝型部与y轴平行设置。
2.根据权利要求1所述的基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线，其特征在于，所述可重构馈电结构包括用于激励磁偶极子单元的第一PIN管和用于激励电单极子单元的第二PIN管，所述可重构馈电结构通过控制第一PIN管和第二PIN管的通断状态，来控制磁偶极子单元和电单极子单元的工作状态，择一选择边射或单极子辐射模式。
3.根据权利要求2所述的基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线，其特征在于，所述可重构馈电结构包括加载有第一PIN管和第二PIN管的金属条带，所述金属条带包括沿y轴方向设置且长度依次减小的第三金属条带、第二金属条带和第一金属条带，磁偶极子通过所述第一金属条带与第一PIN管的正极连接，电单极子通过所述第三金属条带与第二PIN管的正极连接，第一PIN管和第二PIN管的负极分别通过所述第二金属条带与馈线连接。
4.根据权利要求1所述的基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线，其特征在于，所述激励单元和寄生单元为两根结构相同的沿x轴设置的，并沿y0z面对称的金属条带，所述近场谐振寄生单元为半环形结构。
5.根据权利要求3所述的基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线，其特征在于，所述馈线为同轴电缆，同轴电缆的内导体与所述第二金属条带连接，同轴电缆的外导体与金属地板连接。
6.根据权利要求4所述的基于方向图可重构的小型化波束可控RFID阅读器天线，其特征在于，所述激励单元和寄生单元为两根结构相同的矩形金属条带。
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