CN117458170A - 一种用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线，属于天线领域，旨在解决现有技术中因书籍介电常数与空气不同而导致制作的天线达不到预期效果的问题。其包括阵列分布的发射天线单元，所述发射天线单元自上而下包括矩形贴片、介质基板和接地板；所述矩形贴片依次水平等间距布置在所述介质基板正面；所述接地板与所述介质基板的背面无缝隙连接；所述发射天线单元还包括穿设于所述介质基板的同轴线；所述矩形贴片和所述接地板通过所述同轴线连接。本发明适用于图书馆的图书标签识别，阵列天线采用了最大功率传输法，将发射阵列天线辐射出的能量最大化的集中在预先确定的多个目标区域，能够满足图书馆识别图书的多种应用场景。

Description

一种用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线。

背景技术

近年来，波束赋形技术在基站应用和室内无线网络等无线工程中发挥着重要作用，可以通过控制天线阵列的激励分布来实现针对各种场景的具有期望形状的辐射方向图。在现有的用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线中，只有少数人在模拟中考虑了书籍的影响，或者使用与频率无关的电介质材料对书籍进行建模。但实际上，在阅读器天线的设计过程中，由于不同物质的介电常数和损耗角是不同，书籍的参数显然与空气不同，且随频率而变化。并且低介电常数和低损耗角的材料制作而成的天线，其增益会显著提升，但运用到实际场景时，其效果达不到预期。因此，考虑到书籍的介电常数和损耗角的影响，如何设计出一种新型的用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线具有重要的研究价值和现实意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线，用于满足图书馆内识别图书的应用场景。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案实现：

本发明提供一种用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线，包括阵列分布的发射天线单元，所述发射天线单元自上而下包括矩形贴片、介质基板和接地板；

所述矩形贴片依次水平等间距布置在所述介质基板正面；

所述接地板与所述介质基板的背面无缝隙连接；

所述发射天线单元还包括穿设于所述介质基板的同轴线；

所述矩形贴片和所述接地板通过所述同轴线连接。

可选的，所述介质基板采用FR4_epoxy材质，所述介质基板的介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为3mm，长宽均为238.4mm。

可选的，所述矩形贴片采用1×5的排列方式，相邻两个所述矩形贴片的间距为146mm。

可选的，所述矩形贴片长宽均为75.8mm。

可选的，所述矩形贴片上还设有馈点，所述馈点距离所述矩形贴片内部横向37.9mm，距离所述矩形贴片内部纵向21.5mm处。

可选的，所述同轴线直径为1mm。

可选的，所述发射天线单元在922.5MHz处的回波损耗参数为-25.54dB。

可选的，所述发射天线单元能量的最大辐射方向为天线正上方，其最大增益为2dBi。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果。

1、本发明书架阅读器阵列天线采用微带贴片天线作为阵元，以1×5的方式，相邻两个单元间隔146mm，排列在介质基板上，有效减小阵列天线的尺寸，又易于天线阵列和馈电网络的加工，制作简单，成本低廉。

2、本发明书架阅读器阵列天线可以在整个书架上产生宽而平坦的电场强度分布，波动小于3dB，能够满足图书馆识别图书的应用场景。

3、本发明书架阅读器阵列天线采用了最大功率传输效率法，将阵列天线辐射出的能量最大化的集中在预先确定的多个目标区域。

附图说明

图1所示为本发明的一种实施例中发射天线单元的结构示意图；

图2所示为本发明的一种实施例中发射天线单元的结构的正视示意图；

图3所示为本发明的一种实施例中发射天线单元的介质基板结构示意图；

图4所示为本发明的一种实施例中接收天线单元的尺寸图；

图5所示为本发明的一种实施例中仿真模型的结构示意图；

图6所示为本发明的一种实施例中发射天线单元的回波损耗S参数图；

图7所示为本发明的一种实施例中发射天线单元的天线方向图；

图8所示为本发明的一种实施例中发射天线单元的增益图；

图9所示为本发明的一种实施例中接收天线单元的回波损耗S参数图；

图10所示为本发明的一种实施例中接收天线单元的天线方向图；

图11所示为本发明的一种实施例中发射天线单元优化后的归一化电场强度示意图；

图中：1、发射天线单元；2、矩形贴片；3、介质基板；4、接地板；5、同轴线；6、馈点；7、接收天线单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的技术构思为：由于不同物质的介电常数和损耗角是不同，书籍的参数显然与空气不同，且随频率而变化。并且低介电常数和低损耗角的材料制作而成的天线，其增益会显著提升，但运用到实际场景时，其效果达不到预期。因此，考虑到书籍的介电常数和损耗角的影响，如何设计出一种新型的用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线具有重要的研究价值和现实意义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“正面”、“背面”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参考图1，本实施例介绍一种用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线，包括阵列分布的发射天线单元1，所述发射天线单元1自上而下包括矩形贴片2、介质基板3和接地板4；

所述矩形贴片2依次水平等间距布置在所述介质基板3正面；

所述接地板4与所述介质基板3的背面无缝隙连接；

所述发射天线单元1还包括穿设于所述介质基板3的同轴线5；

所述矩形贴片2和所述接地板4通过所述同轴线5连接。

本发明实施例采用微带贴片天线作为阵元，以1×5的方式，相邻两个单元间隔146mm，排列在介质基板3上，有效减小阵列天线的尺寸，又易于天线阵列和馈电网络的加工，制作简单，成本低廉。

实施例2

参考图1-图10，在实施例1的基础上，本发明还作了以下设计。

本实施例介绍一种用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线，书架阅读器阵列天线内阵列有发射天线单元1，属于微带矩形贴片2天线，阵列分布的发射天线单元1经过仿真软件（HFSS18.2）建立实物天线模型进行优化测试。

参考图1，书架阅读器阵列天线通过发射天线单元1阵列组成，发射天线单元1包括介质基板3、矩形贴片2、接地板4和同轴线5。

在本实施例中，介质基板3选用的材料是FR4_epoxy（玻璃环氧树脂），其介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为3mm，长宽均为238.4mm，

具体的，在本实施例中，矩形贴片2放置在介质基板3上，接地板4紧贴介质基板3的背面。

所述发射天线采用同轴馈电的馈电方式，即用一根同轴线5穿过介质基板3，并连接矩形贴片2和接地板4，同轴线5直径为1mm。

矩形贴片2长宽均为75.8mm，参考图5，矩形贴片2采用1×5的水平等间距排列方式，相邻两个所述矩形贴片2的间距为146mm。

具体的，参考图2，在本实施例中，所述矩形贴片2上还设有馈点6，所述馈点6距离所述矩形贴片2内部横向37.9mm，距离所述矩形贴片2内部纵向21.5mm处。

为了更好地体现发射天线的仿真测试效果，在本实施例中，还引入与之相应的接收天线单元7，参考图4，接收天线单元7位于发射天线单元1的上方，用于查看目标位置处的平面的电场分布。图5所示为发射天线单元1和接收天线单元7的仿真模型图，需要说明的是，该阵列的发射天线的优化激励分布由最大功率传输效率法（MMPTE）计算而得，其结果有助于提高增益、提高效率，帮助在天线单元数量更少的情况下，增益、效率更高。将发射阵列天线辐射出的能量最大化的集中在接收天线放置的区域，权重由仿真结果调试优化而得，其优化激励分布分别为0.49∠102.6、0.39∠130.1、0.46∠101.9、0.39∠130.1、0.49∠102.6，测试接收天线的权重分别为1.4、1.1、1、0.9、1.1、1.35、1.1、0.9、1、1.1、1.4。相对于默认数值，该激励分布和权重，在不改变天线结构和单元数量的前提下，有效提高了天线的性能。

仿真模型中书架阅读器阵列天线通过5个发射单元组成，采用1×5的排列方式等距排列在介质基板3上，间距为146mm，接收天线阵列由采用1×11的排列方式的金属半波偶极子组成，同样以等距排列在发射天线阵列上方220mm位置。

在仿真软件HFSS18.2中建立天线模型并运行仿真，得到回波损耗S参数的结果，参考图6，回波损耗S参数是由于阻抗不匹配时电缆链路产生的反射，表示传输线端口的入射波功率与反射波功率之比，单位是dB。

借助天线端口的回波损耗S来衡量一个天线的匹配程度，回波损耗越小，说明天线的匹配程度越好，一般认为回波损耗S参数小于-10dB即为阻抗匹配良好，参考图6，发射天线单元1在922.5 MHz处的S参数为-25.52dB，端口匹配效果很好。

图7为发射天线单元1的天线方向图，以得到发射天线单元1的能量辐射的形状。

图8为发射天线单元1增益图，该发射天线单元1的能量的最大辐射方向为正Z方向（即天线正上方），最大增益为2dBi。

图9为接收天线单元7的S参数图，接收天线单元7在922.5 MHz处的S参数为-17.83dB，匹配良好。

图10为接收天线单元7的天线方向图，得到接收天线单元7的能量辐射形状。

图11显示了在z=220mm时，优化后在y方向上获得的宽而平坦的归一化电场强度，并标注了不同情况下的宽度。

综上实施例，本发明书架阅读器阵列天线可以在整个书架上产生宽而平坦的电场强度分布，波动小于3dB，能够满足图书馆识别图书的应用场景，不仅如此，阵列天线采用了最大功率传输效率法，将天线辐射出的能量最大化的集中在预先确定的多个目标区域。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线，其特征在于，包括阵列分布的发射天线单元（1），所述发射天线单元（1）自上而下包括矩形贴片（2）、介质基板（3）和接地板（4）；

所述矩形贴片（2）依次水平等间距布置在所述介质基板（3）正面；

所述接地板（4）与所述介质基板（3）的背面无缝隙连接；

所述发射天线单元（1）还包括穿设于所述介质基板（3）的同轴线（5）；

所述矩形贴片（2）和所述接地板（4）通过所述同轴线（5）连接。

2.根据权利要求1所述的用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线，其特征在于，所述介质基板（3）采用FR4_epoxy材质，所述介质基板（3）的介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为3mm，长宽均为238.4mm。

3.根据权利要求1所述的用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线，其特征在于，所述矩形贴片（2）采用1×5的排列方式，相邻两个所述矩形贴片（2）的间距为146mm。

4.根据权利要求1所述的用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线，其特征在于，所述矩形贴片（2）长宽均为75.8mm。

5.根据权利要求1所述的用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线，其特征在于，所述矩形贴片（2）上还设有馈点（6），所述馈点（6）距离所述矩形贴片（2）内部横向37.9mm，距离所述矩形贴片（2）内部纵向21.5mm处。

6.根据权利要求1所述的用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线，其特征在于，所述同轴线（5）直径为1mm。

7.根据权利要求1所述的用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线，其特征在于，所述发射天线单元（1）在922.5MHz处的回波损耗参数为-25.54dB。

8.根据权利要求1所述的用于射频标签识别的书架阅读器阵列天线，其特征在于，所述发射天线单元（1）能量的最大辐射方向为天线正上方，其最大增益为2dBi。