CN113690569A - 一种近场赋形uhf频段rfid读写天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，包括槽线（1）、同轴线、至少一个片状辐射单元（2）、以及各片状辐射单元（2）分别所对应的边缘导电走线（3）；基于设计方案构建近场赋形UHF频段RFID读写天线，能量经由馈电结构端（4）输入到槽线（1）上进行传输，并结合终端短路端（6）对能量的反射，在由馈电结构端（4）至终端短路端（6）方向的传播过程中、以及由终端短路端（6）至馈电结构端（4）方向的传播过程中，通过电容耦合依次馈电各个片状辐射单元（2）完成对能量的辐射，因此馈电结构端（4）不会观测到明显的反射，可以实现良好匹配，提高实际工作效率。

Description

一种近场赋形UHF频段RFID读写天线

技术领域

本发明涉及一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，属于射频天线技术领域。

背景技术

常见的UHF RFID天线工作在“远场区”或“感应近场区”，其中，工作在“远场区”的RFID天线辐射平面电磁波，产生单个高增益波束，其读写距离可以很远，能达到10米以上，但其近场场强分布基本是固定的，没有可以修改的空间。工作在“感应近场区”的天线产生近场电场或磁场，其近场场强分布十分灵活，但这类天线基本不产生电磁辐射，因此其读写距离较近，仅有几厘米到十几厘米。

与这些常见的天线工作区域不同，“辐射近场区”的位置处在两种场区的过渡，比感应近场区更远，比远场区更近，辐射近场区的特性也介于感应近场区和远场区之间，一方面和远场区类似，辐射近场区的电场和磁场强度关系基本满足介质波阻抗，且方向相互正交；另一方面和感应近场区类似，辐射近场区中不同位置处的电磁波强度和传播方向都会快速变化。

现有技术中，天线使用弯曲槽线直接馈电多个偶极子，各偶极子间隔排列，极化正交，可以在辐射近场区产生多种极化的辐射，以及可以在以天线为轴的圆柱形或半圆柱形内，读写多种摆放方式的标签；但是槽线馈电的偶极子阵列的场区域中存在多个零点，无法读取某些特定位置的标签，现有技术给出的解决方案是使用两个天线，间隔放置使其辐射场互补，这样当标签位于一个天线的辐射场零点时，可以使用另一个天线进行读写，虽然可以解决零点的问题，但是成本和占用空间均会翻倍。

还有现有技术中使用开孔介质基板制作超材料透镜，这种天线通过在介质板上开大小不同的孔，来改变介质板的等效介电常数，并通过设计介质板各点的等效介电常数，对来自馈源的辐射波的幅度相位进行调制，得到所需的近场场分布。但是这种结构制作过程中：①超材料的结构复杂，设计加工较繁琐；②馈源需要放置在距天线较远的位置，需要额外占用很大空间；③需要使用大量介质板，重量大，成本高。

此外，现有技术中使用天线阵列配合馈电网络，这种天线使用独立的馈电网络和天线阵列。通过设计相应的馈电网络，控制天线阵列中各阵元的馈电幅度和相位，进而得到需要的近场分布。但是中这种结构存在①馈电网络和天线阵需要分别设计加工，整体结构复杂，成本高；②馈电网络需要多路功分，且每路的幅度相位均有要求，设计较为繁琐，容易受加工误差影响；③损耗更高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，通过近场赋形对天线辐射近场区中的场强分布进行设计，能够在天线上方的半圆柱形区域中产生强度大且均匀的电磁场，用于对RFID标签进行读写，提高实际工作效率。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，包括槽线、同轴线、至少一个片状辐射单元、以及各片状辐射单元分别所对应的边缘导电走线；

其中，槽线为两条彼此平行共面、且彼此之间保持预设间距a的金属片走线，a>0；各片状辐射单元为导电材料制成，各片状辐射单元彼此共面分布设置，各边缘导电走线分别沿其所对应片状辐射单元的外周轮毂进行环绕布设，且各边缘导电走线所在面分布与其所对应片状辐射单元所在面相共面，以及各边缘导电走线的内侧边缘与其所对应片状辐射单元外周边缘之间保持预设距离间距，各边缘导电走线的结构中：边缘导电走线的首尾两端之间距离与a相等，该首尾两端位置作为该边缘导电走线上的其中一连接位置，该边缘导电走线上区别于该连接位置以外的另一位置断开，且该断开位置的两端之间距离与a相等，该断开位置构成该边缘导电走线上的另一连接位置；

槽线以其两金属片走线所在面与各片状辐射单元所在面相共面的方式进行布设，槽线依次串联各片状辐射单元分别所对应边缘导电走线上的两个连接位置，其中，各边缘导电走线上连接位置的两端分别与所接槽线中两金属片走线相对接；

槽线上的其中一端构成馈电结构端，馈电结构端中设置两个馈电接点，同轴线上其中一端的内导体、外导体分别对接该各馈电接点，同轴线上另一端连接RFID读写器；槽线上另一端的两金属片走线端部彼此对接，构成终端短路端。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括匹配线，匹配线为两条彼此平行共面、且彼此之间保持预设间距b的金属片走线，且匹配线中两金属片走线外边缘之间的间距与a相适应，0<b<a；

所述槽线上背向各片状辐射单元方向的端部的两金属片走线端部彼此对接短路，且槽线中两金属片走线之间间隙对应该短路的位置、设置贯穿槽线所在面两侧的通孔；匹配线布设于槽线上对应该通孔与全部片状辐射单元之间区域的两金属片走线之间，且匹配线相距该通孔保持预设大于0距离，匹配线中两金属片走线外边缘分别与槽线中对应金属片走线内边缘相接触，且匹配线中两金属片走线所在面与槽线中两金属片走线所在面相共面，匹配线上面向该通孔的端部的其中一金属片走线端部与其对应槽线剖面上同侧金属片走线端部共同构成其中一馈电接点的设置区域，匹配线上面向该通孔的端部的另一金属片走线端部与其对应槽线剖面上同侧金属片走线端部共同构成另一馈电接点的设置区域；由匹配线设置位置起向通孔方向的全部结构构成馈电结构端。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各边缘导电走线上两连接位置所对接槽线的走向至少为两个不同方向。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括导电板，所述槽线、匹配线、各片状辐射单元、以及各边缘导电走线所构整体结构悬置于导电板表面的正上方，且该整体结构所在面与导电板表面保持预设大于0间距的间隙。

作为本发明的一种优选技术方案：所述槽线、匹配线、各片状辐射单元、以及各边缘导电走线所构整体结构，通过各个绝缘螺丝悬置于导电板表面的正上方，其中，各个绝缘螺丝上的两端分别对接该整体结构、以及该导电板，且各个绝缘螺丝上对应该整体结构与该导电板之间的部分分别套设绝缘套管，各绝缘套管的两端分别与该整体结构、该导电板相接触。

作为本发明的一种优选技术方案：所述槽线、匹配线、各片状辐射单元、以及各边缘导电走线所构整体结构所在面与所述导电板表面之间保持30mm间距的间隙。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各片状辐射单元的形状为圆形或多边形中的任意一种。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各片状辐射单元呈直线分布布设。

作为本发明的一种优选技术方案：所述片状辐射单元的数量为4个。

本发明所述一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明所设计一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，包括槽线、同轴线、至少一个片状辐射单元、以及各片状辐射单元分别所对应的边缘导电走线；基于设计方案构建近场赋形UHF频段RFID读写天线，能量经由馈电结构端输入到槽线上进行传输，并结合终端短路端对能量的反射，在由馈电结构端至终端短路端方向的传播过程中、以及由终端短路端至馈电结构端方向的传播过程中，通过电容耦合依次馈电各个片状辐射单元完成对能量的辐射，因此馈电结构端不会观测到明显的反射，可以实现良好匹配，提高实际工作效率；

（2）本发明所设计一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，通过漏波天线的原理，产生两个相互重叠的波束，且这两个波束相互叠加，可以在天线的辐射近场区产生一个半圆柱形的电磁场，用于对RFID标签进行读写，其中场强度大且均匀，且没有场强零点，能够有效提高实际工作效率；

（3）本发明所设计一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，使用电容耦合馈电，以及漏波天线的原理，可以得到较宽的带宽，能够完全覆盖UHF RFID需要的频段；并且槽线在激励片状辐射单元时沿x方向来回弯折，从不同的角度激励片状辐射单元，因此可以产生不同极化的辐射，可以避免标签因摆放方式带来的极化隔离，因此可以读写各种摆放方向的标签，进一步提高实际工作效率；

（4）本发明所设计一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，结构简单，成本低，易于加工，各片状辐射单元不需要复杂的功分网络，结构简单；并且整体结构使用全金属结构，不需要使用介质，同时金属部分也只需要简单的平面切割，没有立体结构，因此可以使用廉价的加工方式，成本较低，同时片状辐射单元与槽线在同一个平面上，因此加工装配都会更方便，有利于大规模生产。

附图说明

图1是本发明所设计近场赋形UHF频段RFID读写天线的3D示意图；

图2是本发明所设计近场赋形UHF频段RFID读写天线的俯视图；

图3是本发明所设计近场赋形UHF频段RFID读写天线中馈电结构端的结构示意图；

图4是本发明实施例对应ZOY平面的仿真电场强度等高线示意图；

图5是本发明实施例中S11示意图。

图6是本发明实施例对应ZOY平面的远场辐射方向图。

其中，1. 槽线，2. 片状辐射单元，3. 边缘导电走线，4. 馈电结构端，5. 馈电接点，6. 终端短路端，7. 匹配线，8. 通孔，9.导电板。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计了一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，实际应用当中，如图1和图2所示，具体包括槽线1、同轴线、至少一个片状辐射单元2、以及各片状辐射单元2分别所对应的边缘导电走线3。

实际应用中，各片状辐射单元2的形状为圆形或多边形中的任意一种，其中，槽线1为两条彼此平行共面、且彼此之间保持预设间距a的金属片走线，a>0；各片状辐射单元2为导电材料制成，各片状辐射单元2彼此共面分布设置，各边缘导电走线3分别沿其所对应片状辐射单元2的外周轮毂进行环绕布设，且各边缘导电走线3所在面分布与其所对应片状辐射单元2所在面相共面，以及各边缘导电走线3的内侧边缘与其所对应片状辐射单元2外周边缘之间保持预设距离间距，各边缘导电走线3的结构中：边缘导电走线3的首尾两端之间距离与a相等，该首尾两端位置作为该边缘导电走线3上的其中一连接位置，该边缘导电走线3上区别于该连接位置以外的另一位置断开，且该断开位置的两端之间距离与a相等，该断开位置构成该边缘导电走线3上的另一连接位置。

槽线1以其两金属片走线所在面与各片状辐射单元2所在面相共面的方式进行布设，槽线1依次串联各片状辐射单元2分别所对应边缘导电走线3上的两个连接位置，其中，各边缘导电走线3上连接位置的两端分别与所接槽线1中两金属片走线相对接。

槽线1上的其中一端构成馈电结构端4，馈电结构端4中设置两个馈电接点5，同轴线上其中一端的内导体、外导体分别对接该各馈电接点5，同轴线上另一端连接RFID读写器；槽线1上另一端的两金属片走线端部彼此对接，构成终端短路端6。

接下来针对上述结构进行具体设计，关于其中的馈电结构端4，如图3所示，还包括匹配线7，匹配线7为两条彼此平行共面、且彼此之间保持预设间距b的金属片走线，且匹配线7中两金属片走线外边缘之间的间距与a相适应，0<b<a；馈电结构端4的结构中，槽线1上背向各片状辐射单元2方向的端部的两金属片走线端部彼此对接短路，且槽线1中两金属片走线之间间隙对应该短路的位置、设置贯穿槽线1所在面两侧的通孔8；匹配线7布设于槽线1上对应该通孔8与全部片状辐射单元2之间区域的两金属片走线之间，且匹配线7相距该通孔8保持预设大于0距离，匹配线7中两金属片走线外边缘分别与槽线1中对应金属片走线内边缘相接触，且匹配线7中两金属片走线所在面与槽线1中两金属片走线所在面相共面，匹配线7上面向该通孔8的端部的其中一金属片走线端部与其对应槽线1剖面上同侧金属片走线端部共同构成其中一馈电接点5的设置区域，匹配线7上面向该通孔8的端部的另一金属片走线端部与其对应槽线1剖面上同侧金属片走线端部共同构成另一馈电接点5的设置区域；由匹配线7设置位置起向通孔8方向的全部结构构成馈电结构端4。

实际应用当中，对于依次经过各片状辐射单元2的槽线1，设计各边缘导电走线3上两连接位置所对接槽线1的走向至少为两个不同方向。

上述结构所设计近场赋形UHF频段RFID读写天线，在实际应用当中，还进一步设计加入导电板9，所述槽线1、匹配线7、各片状辐射单元2、以及各边缘导电走线3所构整体结构悬置于导电板9表面的正上方，且该整体结构所在面与导电板9表面保持预设大于0间距的间隙。

并且在实际应用中，关于槽线1、匹配线7、各片状辐射单元2、以及各边缘导电走线3所构整体结构悬置于导电板9表面正上方的设计，具体设计该整体结构通过各个绝缘螺丝悬置于导电板9表面的正上方，其中，各个绝缘螺丝上的两端分别对接该整体结构、以及该导电板9，且各个绝缘螺丝上对应该整体结构与该导电板9之间的部分分别套设绝缘套管，各绝缘套管的两端分别与该整体结构、该导电板9相接触，并且具体设计该整体结构所在面与导电板9表面保持预设30mm间距的间隙。

将本发明所设计近场赋形UHF频段RFID读写天线，实际应用当中，如图1和图2所示，片状辐射单元2的数量为4个，具体应用中，该天线本质上是一种漏波天线，槽线上传播的电磁波，通过贴片产生快波空间谐波，进而产生辐射，与典型的漏波天线不同，该天线通过合理的结构和参数设计，可以产生两个波束，如图6，这两个波束一个略微向+y方向倾斜，另一个向-y方向倾斜，这两个波束虽然在远场区是***的，但在距离天线较近的地方实施例中是2m以内，这两个波束可以相互叠加。叠加后的波束天线上方产生一个半圆柱形的辐射场，其中场强度大且相对均匀，如图4所示，频率915MHz，输入功率1W。

天线的馈电结构端4中使用了一个短路端，以及一根匹配线7，其中，该短路端由一小段槽线和一个圆槽组成，这形成了一个四分之一波长谐振器，既保证不影响天线匹配，又可以避免开路导致的辐射；匹配线7是一段间距更小的槽线，其阻抗比其槽线1更低，这段匹配线7形成了一个四分之一波长传输线变压器实际中其尺寸并不是严格的四分之一波长，将将同轴线的50Ω匹配到槽线1的约160Ω。

上述技术方案所设计近场赋形UHF频段RFID读写天线在应用中，基于设计方案构建近场赋形UHF频段RFID读写天线，能量经由馈电结构端4输入到槽线1上进行传输，并结合终端短路端6对能量的反射，在由馈电结构端4至终端短路端6方向的传播过程中、以及由终端短路端6至馈电结构端4方向的传播过程中，通过电容耦合依次馈电各个片状辐射单元2完成对能量的辐射，因此馈电结构端4不会观测到明显的反射，可以实现良好匹配，提高实际工作效率；并且实际应用中，使用电容耦合馈电，以及漏波天线的原理，可以得到较宽的带宽，如图5所示，实施例的-10dB S11带宽，在830-980MHz内匹配良好，S11均优于-10dB，可以覆盖全部UHF RFID频段，

应用中，槽线1在激励片状辐射单元2时沿x方向来回弯折，从不同的角度激励片状辐射单元2，因此可以产生不同极化的辐射，可以避免标签因摆放方式带来的极化隔离，因此可以读写各种摆放方向的标签，进一步提高实际工作效率；实际应用中，按图1、图2所示，贴片辐射单元数量是四个，但根据该天线的原理，这一数量可以、调整。因此本发明可以灵活修改天线总长度，适应各种应用需求。

本发明整个设计方案，结构简单，成本低，易于加工，各片状辐射单元2不需要复杂的功分网络，结构简单；并且整体结构使用全金属结构，不需要使用介质，同时金属部分也只需要简单的平面切割，没有立体结构，因此可以使用廉价的加工方式，成本较低，同时片状辐射单元2与槽线1在同一个平面上，因此加工装配都会更方便，有利于大规模生产。

下面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (9)

1.一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，其特征在于：包括槽线（1）、同轴线、至少一个片状辐射单元（2）、以及各片状辐射单元（2）分别所对应的边缘导电走线（3）；

其中，槽线（1）为两条彼此平行共面、且彼此之间保持预设间距a的金属片走线，a>0；各片状辐射单元（2）为导电材料制成，各片状辐射单元（2）彼此共面分布设置，各边缘导电走线（3）分别沿其所对应片状辐射单元（2）的外周轮毂进行环绕布设，且各边缘导电走线（3）所在面分布与其所对应片状辐射单元（2）所在面相共面，以及各边缘导电走线（3）的内侧边缘与其所对应片状辐射单元（2）外周边缘之间保持预设距离间距，各边缘导电走线（3）的结构中：边缘导电走线（3）的首尾两端之间距离与a相等，该首尾两端位置作为该边缘导电走线（3）上的其中一连接位置，该边缘导电走线（3）上区别于该连接位置以外的另一位置断开，且该断开位置的两端之间距离与a相等，该断开位置构成该边缘导电走线（3）上的另一连接位置；

槽线（1）以其两金属片走线所在面与各片状辐射单元（2）所在面相共面的方式进行布设，槽线（1）依次串联各片状辐射单元（2）分别所对应边缘导电走线（3）上的两个连接位置，其中，各边缘导电走线（3）上连接位置的两端分别与所接槽线（1）中两金属片走线相对接；

槽线（1）上的其中一端构成馈电结构端（4），馈电结构端（4）中设置两个馈电接点（5），同轴线上其中一端的内导体、外导体分别对接该各馈电接点（5），同轴线上另一端连接RFID读写器；槽线（1）上另一端的两金属片走线端部彼此对接，构成终端短路端（6）。

2.根据权利要求1所述一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，其特征在于：还包括匹配线（7），匹配线（7）为两条彼此平行共面、且彼此之间保持预设间距b的金属片走线，且匹配线（7）中两金属片走线外边缘之间的间距与a相适应，0<b<a；

所述槽线（1）上背向各片状辐射单元（2）方向的端部的两金属片走线端部彼此对接短路，且槽线（1）中两金属片走线之间间隙对应该短路的位置、设置贯穿槽线（1）所在面两侧的通孔（8）；匹配线（7）布设于槽线（1）上对应该通孔（8）与全部片状辐射单元（2）之间区域的两金属片走线之间，且匹配线（7）相距该通孔（8）保持预设大于0距离，匹配线（7）中两金属片走线外边缘分别与槽线（1）中对应金属片走线内边缘相接触，且匹配线（7）中两金属片走线所在面与槽线（1）中两金属片走线所在面相共面，匹配线（7）上面向该通孔（8）的端部的其中一金属片走线端部与其对应槽线（1）剖面上同侧金属片走线端部共同构成其中一馈电接点（5）的设置区域，匹配线（7）上面向该通孔（8）的端部的另一金属片走线端部与其对应槽线（1）剖面上同侧金属片走线端部共同构成另一馈电接点（5）的设置区域；由匹配线（7）设置位置起向通孔（8）方向的全部结构构成馈电结构端（4）。

3.根据权利要求1所述一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，其特征在于：所述各边缘导电走线（3）上两连接位置所对接槽线（1）的走向至少为两个不同方向。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，其特征在于：还包括导电板（9），所述槽线（1）、匹配线（7）、各片状辐射单元（2）、以及各边缘导电走线（3）所构整体结构悬置于导电板（9）表面的正上方，且该整体结构所在面与导电板（9）表面保持预设大于0间距的间隙。

5.根据权利要求4所述一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，其特征在于：所述槽线（1）、匹配线（7）、各片状辐射单元（2）、以及各边缘导电走线（3）所构整体结构，通过各个绝缘螺丝悬置于导电板（9）表面的正上方，其中，各个绝缘螺丝上的两端分别对接该整体结构、以及该导电板（9），且各个绝缘螺丝上对应该整体结构与该导电板（9）之间的部分分别套设绝缘套管，各绝缘套管的两端分别与该整体结构、该导电板（9）相接触。

6.根据权利要求4所述一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，其特征在于：所述槽线（1）、匹配线（7）、各片状辐射单元（2）、以及各边缘导电走线（3）所构整体结构所在面与所述导电板（9）表面之间保持30mm间距的间隙。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，其特征在于：所述各片状辐射单元（2）的形状为圆形或多边形中的任意一种。

8.根据权利要求1至3中任意一项所述一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，其特征在于：所述各片状辐射单元（2）呈直线分布布设。

9.根据权利要求1至3中任意一项所述一种近场赋形UHF频段RFID读写天线，其特征在于：所述片状辐射单元（2）的数量为4个。

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