一款應(yīng)用于uhf頻段rfid系統(tǒng)的雙s型近場讀寫器天線的制作方法
【專利摘要】一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的雙S型近場讀寫器天線，涉及射頻識(shí)別近場讀寫器天線領(lǐng)域。天線主要包括上層天線結(jié)構(gòu)、金屬連接線以及下層的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。雙S型的天線結(jié)構(gòu)位于上層介質(zhì)板板表面，該結(jié)構(gòu)在減小天線尺寸的同時(shí)能夠產(chǎn)生強(qiáng)度高穩(wěn)定性好的磁場。在天線上添加了電阻和電容結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)天線阻抗與輸入阻抗匹配，從而降低天線的Q值，使其諧振在UHF頻段。下層介質(zhì)板上表面為饋電網(wǎng)絡(luò)，主要由一個(gè)SMA接頭連接威爾金森功分器構(gòu)成。饋電網(wǎng)絡(luò)通過導(dǎo)線與上層雙S型天線結(jié)構(gòu)的末端連接。下層介質(zhì)板下表面為金屬地地板。該天線在駐波比小于2的情況下的帶寬為819MHz?993MHz。該天線的遠(yuǎn)場增益小于?7dBi，使用合適的近場標(biāo)簽，可以實(shí)現(xiàn)最大讀取距離為70mm的無空洞讀取。
【專利說明】
一款應(yīng)用于UHF頻段RF ID系統(tǒng)的雙S型近場讀寫器天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及射頻識(shí)別讀寫器天線領(lǐng)域，具體涉及一種超高頻段、應(yīng)用于近場讀寫環(huán)境的讀寫器天線。
【背景技術(shù)】
[0002]射頻識(shí)別(Rad1 Frequency Identificat1n,簡稱RFID)是一種通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸式的雙向數(shù)據(jù)通信，從而對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別的技術(shù)。射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由讀寫器(Reader)和電子標(biāo)簽(Tag)組成。RFID讀寫器一般由RFID射頻模塊(發(fā)送器和接收器)、控制單元以及讀寫器天線組成。其中天線是RFID系統(tǒng)中至關(guān)重要的裝置，RFID系統(tǒng)通過射頻天線來實(shí)現(xiàn)發(fā)射、接收電磁波，從而實(shí)現(xiàn)讀寫器對(duì)電子標(biāo)簽的識(shí)別。
[0003]射頻識(shí)別系統(tǒng)主要工作在低頻、高頻、超高頻和微波頻段。低頻和高頻射頻系統(tǒng)通過電感耦合的方式完成識(shí)別，讀取距離近。而超高頻和微波射頻系統(tǒng)通過電磁波傳遞的方式完成識(shí)別，讀取距離較遠(yuǎn)。長期以來，人們都認(rèn)為超高頻不能應(yīng)用在RFID近場識(shí)別的應(yīng)用場合中。在近場識(shí)別領(lǐng)域人們更傾向于使用成熟的HF(High Frequency)解決方案，而在遠(yuǎn)場識(shí)別領(lǐng)域則使用的是UHF(Ultra High Frequency)頻段。因此通常所見的超高頻/微波頻段的天線都是高增益，適用于遠(yuǎn)場讀寫。而近年來人們將目光逐漸轉(zhuǎn)向UHF頻段的近場讀寫技術(shù)，希望將UHF頻段讀寫器天線尺寸小，增益高等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用在近場讀寫環(huán)境中。
[0004]目前，國際標(biāo)準(zhǔn)推薦超高頻(UltraHigh Frequency，簡稱UHF)頻段RFID設(shè)備的使用頻率是860MHz?960MHz。其中，北美使用的頻段是902MHz?928MHz，歐洲使用的頻段是865MHz?868MHz。中國信息產(chǎn)業(yè)部于2007年四月發(fā)布了UHF頻段RFID系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)定，中國采用840MHz?845MHz和920MHz?925MHz作為UHF頻段RFID系統(tǒng)使用頻段，無線發(fā)射設(shè)備的功率規(guī)定為2W ERP。近場讀寫器的工作原理是使用天線的近場輻射來使標(biāo)簽產(chǎn)生耦合，從而激活標(biāo)簽達(dá)到讀寫標(biāo)簽信息的功能。
[0005]通常的近場讀寫器天線都是工作在HF頻段，此類天線通過近場耦合來激活標(biāo)簽。然而由于其工作頻率的限制，此類天線的尺寸相對(duì)于更高頻段如UHF頻段天線來說都比較大。并且天線的讀取距離也受限于近場耦合的讀取方式不會(huì)太遠(yuǎn)。而常見的遠(yuǎn)場天線一般工作在UHF頻段，天線的尺寸較小。但是此類天線是利用輻射能量來激活標(biāo)簽，適用于遠(yuǎn)距離讀寫。在天線的近場輻射區(qū)內(nèi)增益一般都很小，不能夠適用于近場讀寫應(yīng)用。因此研究適用于近場讀寫的UHF頻段讀寫器很有實(shí)際價(jià)值。而目前現(xiàn)有的應(yīng)用于UHF頻段的近場讀寫器天線，有的能夠滿足純近場讀寫的要求，但是天線的讀取距離較短;有的讀取距離較遠(yuǎn)，但是遠(yuǎn)場增益較大，不能滿足純近場的讀寫環(huán)境，而且尺寸還偏大。如何同時(shí)滿足小尺寸，帶寬較寬，足夠強(qiáng)的近場磁場以及較低的遠(yuǎn)場增益等要求是本實(shí)用新型發(fā)明的研究重點(diǎn)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。針對(duì)近場讀寫應(yīng)用場景，本實(shí)用新型發(fā)明提出了一款應(yīng)用于UHF頻段的雙S型近場讀寫器天線。該天線在電壓駐波比小于2的情況下的工作頻段為819MHz-993MHz，遠(yuǎn)場增益小于-7dBi，使用合適的近場標(biāo)簽，可以實(shí)現(xiàn)最大讀取距離為70mm的無空洞讀取。該讀寫器天線具有尺寸小、帶寬寬、讀取距離遠(yuǎn)、遠(yuǎn)場增益低等特性。
[0007]用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的雙S型近場讀寫器天線，包括上層的雙S型天線、下層的饋電網(wǎng)絡(luò)、金屬連接線以及地板。雙S型天線位于上層介質(zhì)板板表面，在天線上添加了匹配負(fù)載來實(shí)現(xiàn)天線輸入阻抗與RFID芯片阻抗匹配，從而降低天線的Q值，使其諧振在UHF頻段。下層介質(zhì)板上表面為饋電網(wǎng)絡(luò)，主要由一個(gè)SMA接頭連接威爾金森功分器構(gòu)成。饋電網(wǎng)絡(luò)通過金屬線與上層的雙S型天線的末端連接。下層介質(zhì)板下表面為地板。雙S型天線是以偶極子天線為基礎(chǔ)，通過對(duì)天線上電流較小的部分進(jìn)行折疊，形成互補(bǔ)雙S型結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅縮小了天線尺寸，還使天線產(chǎn)生了均勻同相的電流，從而使得天線能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場輻射用于近場讀寫。通過添加匹配負(fù)載，調(diào)節(jié)了天線的諧振頻率，也擴(kuò)展了天線的帶寬。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0009](I)本實(shí)用新型雙S型讀寫器天線通過對(duì)天線上電流較小的部分進(jìn)行折疊，不僅縮小了天線尺寸，而且還使天線產(chǎn)生了均勻同相的電流，從而獲得強(qiáng)度大而且穩(wěn)定的磁場，提高了該天線近場應(yīng)用的讀取距離，能夠達(dá)到70mm的無空洞讀取距離。
[0010](2)本實(shí)用新型雙S型讀寫器天線通過添加匹配負(fù)載展寬帶寬，該天線在電壓駐波比小于2的情況下工作頻段為819MHz-993MHz，覆蓋了整個(gè)UHF頻段，符合寬帶特性。
[0011](3)本實(shí)用新型雙S型讀寫器天線的遠(yuǎn)場增益足夠小，最大只有-7dBi，能夠適用于純近場讀寫場合。
【附圖說明】
[0012]圖1是UHF頻段雙S型近場讀寫器天線上層板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2是UHF頻段雙S型近場讀寫器天線下層板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3是UHF頻段雙S型近場讀寫器天線側(cè)視圖；
[0015]圖4是UHF頻段雙S型近場讀寫器天線的反射系數(shù)曲線圖；
[0016]圖5是UHF頻段雙S型近場讀寫器天線的遠(yuǎn)場增益圖；
[0017]圖6是UHF頻段雙S型近場讀寫器天線的讀取距離仿真圖；
[0018]圖7是UHF頻段雙S型近場讀寫器天線的實(shí)測讀取面積示意圖，a、b、c、d分別是Z=Omm，z = 40mm，z = 60mm，z = 7 Omm 處 xoy 平面的讀取面積；
[0019]圖中，I為雙S型天線，2為匹配負(fù)載R，3為匹配負(fù)載C，4為上層介質(zhì)板，5為金屬連接線，6為威爾金森功分器，7為SMA接頭，8為下層介質(zhì)板，9為地板。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本方案為覆蓋了整個(gè)UHF頻段且應(yīng)用于近場讀寫場合的雙S型讀寫器天線。本實(shí)用新型的讀寫器天線通過折疊天線結(jié)構(gòu)的方式，縮小了天線的尺寸，使天線產(chǎn)生均勻同相的電流，激發(fā)出穩(wěn)定性高、強(qiáng)度大的磁場，從而提高了天線在純近場讀寫距離。下面針對(duì)本實(shí)用新型雙S型近場讀寫器天線結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0021]本實(shí)用新型UHF頻段雙S型近場讀寫器天線，天線結(jié)構(gòu)包括:1、雙S型天線2、匹配負(fù)載R 3、匹配負(fù)載C 4、上層介質(zhì)板5、金屬連接線6、威爾金森功分器7、SMA接頭8、下層介質(zhì)板9、金屬地板。雙S型天線I通過將天線上電流較小的部位進(jìn)行彎折，使得天線尺寸大幅縮小，其電流分布保持均勻同相，激發(fā)出了高強(qiáng)度穩(wěn)定的磁場，用于讀寫近場耦合的標(biāo)簽。雙S型天線I上添加了匹配負(fù)載R2和C3，從而降低了天線的Q值，使天線輸入阻抗與芯片阻抗共軛匹配，擴(kuò)展了天線的帶寬，使天線的工作頻段覆蓋了整個(gè)UHF頻段(840MHz-928MHz)。威爾金森功分器6與SMA接頭7位于下層介質(zhì)板8上，威爾金森功分器6將SMA接頭7輸入的射頻信號(hào)一分二分為兩路，通過金屬連接線5與上層的雙S型天線I進(jìn)行連接，從而對(duì)其均勻饋電。
[0022]本實(shí)用新型UHF頻段雙S型近場讀寫器天線，介質(zhì)基板采用FR-4材料，相對(duì)介電常數(shù)為4.3，損耗角正切為0.02，介質(zhì)板厚度為1.6mm。雙S型天線I與匹配負(fù)載R2,匹配負(fù)載C3位于上層介質(zhì)板4的上表面，而威爾金森功分器6與SMA接頭7位于下層介質(zhì)板8上，雙S型天線的末端與威爾金森功分器6兩端通過金屬連接線5連通。下層介質(zhì)板8的下表面為地板9。
[0023]本實(shí)用新型UHF頻段雙S型近場讀寫器天線的上層介質(zhì)板4與下層介質(zhì)板8尺寸均為80mm X 70mm，兩層介質(zhì)板之間的高度為15mm。雙S型天線I的單條S型折疊線長度為159.6mm，線寬為1.4mm。位于天線上的匹配負(fù)載R2均為120 Ω，匹配負(fù)載C3值均為9pF。通過HFSS電磁仿真，天線的反射系數(shù)如圖4所示。從圖中可以看出，天線在電壓駐波比小于2情況下的工作頻段為819MHz-940MHz，覆蓋了整個(gè)UHF頻段標(biāo)準(zhǔn)(840MHz-928MHz)。天線的遠(yuǎn)場增益圖如圖5所示，可見天線的遠(yuǎn)場增益在所有方向上均小于_7dBi，遠(yuǎn)場增益很小，天線能夠用于純近場讀寫場合。天線的讀取距離仿真圖如圖6所示，從天線上層板4至最大可讀取處的距離為75mm。
[0024]本實(shí)用新型UHF頻段雙S型近場讀寫器天線使用環(huán)境為一般日常環(huán)境，測試時(shí)將其連接在GSIT公司的讀寫器上，對(duì)Impinj公司的UHF頻段近場標(biāo)簽進(jìn)行了讀取距離的測量。圖7給出了不同高度(z軸方向)處天線的讀取范圍面積示意圖。從圖中可見，天線的最大讀取距離為70mm。
[0025]上述方案只是本實(shí)用新型的一種【具體實(shí)施方式】，在符合本實(shí)用新型的特征下可以有多種不同應(yīng)用方案，但這些應(yīng)用方案只要符合本實(shí)用新型的特征，都應(yīng)屬于本實(shí)用新型的權(quán)利保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的雙S型近場讀寫器天線，包含上層的雙S型天線、下層的饋電網(wǎng)絡(luò)、金屬連接線以及地板，其特征是雙S型天線通過將天線上電流較小的部位進(jìn)行彎折形成互補(bǔ)雙S結(jié)構(gòu)，同時(shí)在S雙型天線上添加匹配負(fù)載進(jìn)行匹配，饋電網(wǎng)絡(luò)通過金屬連接線與上層的雙S型天線相連為天線饋電。
【文檔編號(hào)】H01Q1/38GK205543212SQ201620036366
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年1月15日
【發(fā)明人】李秀萍, 宮元, 杜浩宇, 朱華, 李南
【申請(qǐng)人】北京郵電大學(xué)