一種近場射頻識別閱讀器天線的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種近場射頻識別閱讀器天線，天線包括四個輻射單元和一個功分饋電單元；所述功分饋電單元通過金屬過孔連接到所述輻射單元上；所述四個輻射單元采取1∶4等幅同相饋電的饋電方式，電流分布等效為同向電流分布的電大尺寸環圈天線上的電流。采用本發明，能滿足近場UHF?RFID系統的需要。
【專利說明】一種近場射頻識別閱讀器天線
【技術領域】
[0001]本發明涉及閱讀器天線技術，尤其涉及一種基于多層板結構地板開槽的特高頻(UHF, Ultra High Frequency)近場射頻識別(RFID, Radio Frequency Identification)閱讀器天線。
【背景技術】
[0002]近場UHF RFID的工作方式可以是電場稱合方式或者磁場稱合方式。在電場f禹合方式下，能量主要以電場的方式傳遞，電場的分布會被高介電常數的物體所影響；在磁場耦合方式下，能量主要以磁場的方式傳遞，磁場的分布只會被高磁導率的物體所影響，而日常生活中高磁導率的物體并不多。從而，近場UHF RFID系統在磁場耦合方式下，可以有效的在復雜介質環境下可靠工作，采用的近場UHF RFID技術可以彌補現有UHF RFID系統在標簽放置在高介電常數附近不能可靠工作的缺陷。
[0003]而且，近場UHF RFID系統相比于同樣使用磁場耦合的低頻(LF)/高頻(HF)RFID系統，近場UHF RFID標簽的尺寸更小、結構更簡單、成本更低。現有的LF/HF RFID系統，采用磁場耦合方式時，對應的閱讀器天線是一個電小尺寸(相對工作頻率的電長度小于該頻率波長)的線圈天線，可以稱為小環天線，該線圈上的電流方向一致，這樣可以在線圈的中心區域得到較強的且穩定的磁場，但是，小環天線的磁場隨著離天線的距離的增加而衰減的很快，讀取距離大約為小環天線的直徑大小。同時，小環天線的工作頻率位于阻抗的并聯諧振附近，天線的帶寬值隨著頻率的變化很快，很難通過匹配電路實現天線輸入阻抗的到500hm的轉換。當頻率上升到UHF頻段，如果仍然采用小環天線則不適應于近場UHF RFID系統，由于近場UHF RFID系統工作波長較短，則原來的LF/HFRFID系統的閱讀器天線，相對于UHF頻段的工作波長為電大尺寸(相對工作頻率的電長度大于該頻率波長)結構，此時，電大尺寸結構的線圈天線，可以稱為大環天線。大環天線上電流的幅度和相位不能再視為常數，當大環天線的直徑超過λ/π時，大環天線上電流將在距離饋電端口四分之一波長處減弱為零，并在與饋電端口相對的另一半圓環上產生方向相反的電流，從而導致的不良后果是在軸向的磁場相互抵消，讀取距離降低。由于讀取距離約為環天線直徑大小，若簡單的減小天線的尺寸也不適用于近場UHF RFID系統。可見:現有的天線設計在UHF頻段的近場UHF RFID系統中不再適用，迫切需要一種改進的天線設計。

【發明內容】

[0004]有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種近場射頻識別閱讀器天線，能滿足近場UHF RFID系統的需要。
[0005]為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的:
[0006]一種近場射頻識別閱讀器天線，所述天線包括四個輻射單元和一個功分饋電單元；所述功分饋電單元通過金屬過孔連接到所述福射單元上；
[0007]所述四個輻射單元采取1: 4等幅同相饋電的饋電方式，電流分布等效為同向電流分布的電大尺寸環圈天線上的電流。
[0008]其中，所述四個輻射單元在天線基板上沿正方形的四邊擺放，所述電流分布等效為周長2λ同向電流分布的電大尺寸環圈天線的電流，所述λ為天線的工作波長。
[0009]其中，所述天線的結構為:多層板結構的印刷電路板PCB，所述多層板結構具體為兩層介質三層金屬的結構。
[0010]其中，所述四個輻射單元進一步為兩對按1: 4等幅同相饋電的印刷偶極子天線，每一對印刷偶極子天線分兩層印刷，分別位于所述PCB的第一個金屬層和第二個金屬層。
[0011]其中，所述功分饋電單元包括功分饋電網絡地板、功分饋電網絡；所述功分饋電網絡地板位于所述PCB的第二個金屬層，所述功分饋電網絡位于所述PCB的第三個金屬層。
[0012]其中，所述天線還包括屏蔽盒，所述屏蔽盒包圍所述天線基板的四周及底面。
[0013]其中，所述功分饋電網絡地板為帶有開槽的地板結構，開槽的位置與所述金屬過孔的位置相對應。
[0014]本發明的天線包括四個輻射單元和一個功分饋電單元；功分饋電單元通過金屬過孔連接到所述輻射單元上；四個輻射單元采取1: 4等幅同相饋電的饋電方式，電流分布等效為同向電流分布的電大尺寸環圈天線上的電流。
[0015]采用本發明，功分饋電單元通過金屬過孔連接到所述輻射單元上進行饋電，且四個輻射單元采取1: 4等幅同相饋電的饋電方式，能得到電流分布等效為同向電流分布的電大尺寸環圈天線上的電流，避免采用現有技術產生方向相反的電流導致的磁場相互抵消和讀取距離降低的不良后果，從而能得到一個強度和均勻性都能滿足近場UHF RFID系統需要的磁場。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明由輻射單元和功分饋電單元構成的天線結構的俯視圖；
[0017]圖2為本發明天線結構的等效環圈天線原理示意圖；
[0018]圖3為本發明天線多層板結構的側視圖；
[0019]圖4為本發明功分饋電單元的示意圖；
[0020]圖5為圖4的S參數幅值示意圖；
[0021]圖6為圖4的S參數相位值示意圖；
[0022]圖7為本發明天線回波損耗示意圖；
[0023]圖8為本發明天線電流分布示意圖；
[0024]圖9為本發明天線高度為20mm的磁場幅值分布的示意圖；
[0025]圖10為本發明天線高度為30mm的磁場幅值分布的示意圖。
【具體實施方式】
[0026]本發明的基本思想是:天線包括四個輻射單元和一個功分饋電單元；功分饋電單元通過金屬過孔連接到所述輻射單元上；四個輻射單元采取1: 4等幅同相饋電的饋電方式，電流分布等效為同向電流分布的電大尺寸環圈天線上的電流。
[0027]下面結合附圖對技術方案的實施作進一步的詳細描述。
[0028]本發明的近場射頻識別閱讀器天線，如圖1所示，由4個輻射單元和I個功分饋電單元通過組成，該4個輻射單元在天線基板上沿正方形的四邊擺放，1個功分饋電單元通過4個金屬過孔連接到4個福射單元上進行饋電，使4個福射單元按1: 4等幅同相饋電。
[0029]這里，4個輻射單元按1: 4等幅同相饋電，則本發明的近場射頻識別閱讀器天線上的電流分布等效為一個具有同向電流分布的電大尺寸環圈天線，具體的，4個輻射單元可以具體為四個按1: 4等幅同相饋電的印刷偶極子天線，四個印刷偶極子天線如圖2中所示的位置擺放，等效于一個周長2 λ的電大尺寸結構的，具有同向電流分布的環圈天線。圖2中有4個傳輸線(feed),當前電流分布(Current Distribution)如圖2中粗實線箭頭所示。所述λ為天線的工作波長，是相對于頻率的取值而言的。
[0030]這里，針對四個按1: 4等幅同相饋電的印刷偶極子天線而言，印刷偶極子天線分布在多層板結構PCB板金屬層的最上層和第二層。每一對印刷偶極子天線分兩層印刷，饋電點處上下兩層有一段金屬線重合。印刷偶極子天線的結構尺寸如圖1所示，其中金屬線寬m值約為4mm左右，印刷偶極子天線上層金屬線向中心伸出長度為y的金屬線，與饋電點過孔相接。印刷偶極子天線單個電流臂長度X的值為1/4 λ，本結構中選擇適當X值，使天線諧振與842MHz。
[0031]這里，本發明的近場射頻識別閱讀器天線，該天線采用多層板結構的印刷電路板(PCB, PrintedCircuitBoard)制成。天線基板是PCB板的介質層，天線基板使用玻璃纖維板(FR-4)。
[0032]這里，采用本發明的有益效果為:1: 4等幅同相饋電，等效為具有同向電流分布的環圈天線，由于等效為環圈天線，該線圈上的電流方向一致，這樣可以在線圈的中心區域得到較強的且穩定的磁場，以滿足近場UHF RFID系統需要的磁場。天線使用多層板結構的PCB制成，具有低剖面、易于集成、小型化的特點。使用的FR-4多層PCB板成本較低，結構簡單，易于加工。相比較現有的天線設計，本發明的天線在滿足帶寬要求的前提下(覆蓋中國UHF RFID頻段使用范圍:840-845MHz)，更注重的是天線口面的磁場分布的強度和均勻性，清點區域內的磁場較強且均勻時，可以保證對近場標簽的可靠讀取。
[0033]如圖3所示為本發明天線多層板結構的側視圖，本發明的近場射頻識別閱讀器天線采用多層板結構的PCB，PCB為兩層介質三層金屬的結構。具體的，每層介質層厚度可選范圍0.5-2mm，材質為FR-4，金屬層材料為銅。金屬層由上至下第一層為印刷偶極子天線上層，第二層為印刷偶極子天線下層和功分饋電網絡地板，第三層為功分饋電網絡。
[0034]天線還包括屏蔽盒，屏蔽盒由金屬板組成，包圍天線基板的四周及底面，屏蔽盒的尺寸選擇為:屏蔽盒的長/寬緊緊包圍天線基板，高度約為3cm。加屏蔽盒的有益效果是確保天線的定向輻射，屏蔽掉不需要的輻射。
[0035]圖4為本發明功分饋電單元的示意圖，1個功分饋電單元由功分饋電網絡地板和功分饋電網絡組成，圖4中未填充區域為功分饋電網絡地板所在區域，圖4中的填充區域為功分饋電網絡所在的區域。
[0036]就功分饋電網絡而言，功分饋電網絡的電路設計與現有設計相同，針對功分饋電網絡的電路設計而言，由一個電感電容(LC)阻抗變化器和兩個威爾金森功分器級聯組成。LC阻抗變化，能實現50 Ω到25Ω的阻抗變換。威爾金森功分器通過四個金屬過孔連接到印刷偶極子天線上層，對四個印刷偶極子天線實現1: 4等幅同相饋電。
[0037]威爾金森功分器的性能相關結構參數如圖4所示，其中W1的寬度滿足微帶線的特性阻抗為50 Ω，W2的寬度滿足微帶線特性阻抗為70.71 Ω，a、b的長度用于調節四個虧點點位置，L2的長度約為1/4 λ，電感值為4.7ηΗ，電容值為3.3PF，在840MHz處實現50 Ω到25 Ω阻抗變換。威爾金森功分器中兩個隔離電阻R的阻值為100 Ω。
[0038]威爾金森功分器的性能如圖5、圖6所示，從圖5可知:四個輸出端口的輸出幅值相同，四個輸出端口位于四個金屬過孔所在位置，在842MHz處輸入端口回波損耗小于-30dB，四個輸出端口 S參數的輸出幅值為_6dB。從圖6可知:842MHz處的四個輸出端口 S參數的相位值相同。
[0039]就功分饋電網絡地板而言，功分饋電網絡地板區別于現有設計，功分饋電網絡地板為帶有開槽的地板結構。開槽的位置與金屬過孔的位置相對應。
[0040]采用本發明的功分饋電單元，由于1: 4等幅同相功分饋電網絡使用帶有開槽的功分饋電網絡地板，金屬的功分饋電網絡地板只存在于威爾金森功分器金屬線下方，通過對功分饋電網絡地板的開槽來增大磁場耦合的途徑，磁場形成了更多的有效回路，可以有效的提聞磁場的幅值。
[0041]圖7為本發明天線回波損耗示意圖，如圖7所示，天線諧振頻率為842MHz，阻抗帶寬為838-845MHZ，可以覆蓋中國使用范圍(840_845MHz)。圖8為本發明天線電流分布示意圖，如圖8所示，印刷偶極子天線上的電流分布可以保持同向。
[0042]圖9為本發明天線高度為20mm的磁場幅值分布的示意圖，圖10為本發明天線高度為30mm的磁場幅值分布的示意圖。如圖9、圖10可知:不同高度下磁場幅值分布的均勻性可以滿足近場UHF RFID系統的磁場要求，高度為20mm處的軸向磁場分量最大為6.45dBA/m,高度為30mm處的軸向磁場分量最大為4.23dBA/m。對于使用Gen2芯片的標簽，天線閱讀區域的磁場達到_20dBA/m時，可以保證能夠使芯片獲得做夠的驅動能量，系統可以有效的工作。因此可以看出，閱讀器天線滿足磁場強度要求的區域很大。
[0043]以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種近場射頻識別閱讀器天線，其特征在于，所述天線包括四個輻射單元和一個功分饋電單元；所述功分饋電單元通過金屬過孔連接到所述福射單元上； 所述四個輻射單元采取1: 4等幅同相饋電的饋電方式，電流分布等效為同向電流分布的電大尺寸環圈天線上的電流。
2.根據權利要求1所述的天線，其特征在于，所述四個輻射單元在天線基板上沿正方形的四邊擺放，所述電流分布等效為周長2 λ同向電流分布的電大尺寸環圈天線的電流，所述λ為天線的工作波長。
3.根據權利要求2所述的天線，其特征在于，所述天線的結構為:多層板結構的印刷電路板PCB，所述多層板結構具體為兩層介質三層金屬的結構。
4.根據權利要求3所述的天線，其特征在于，所述四個輻射單元進一步為兩對按1: 4等幅同相饋電的印刷偶極子天線，每一對印刷偶極子天線分兩層印刷，分別位于所述PCB的第一個金屬層和第二個金屬層。
5.根據權利要求3所述的天線，其特征在于，所述功分饋電單元包括功分饋電網絡地板、功分饋電網絡；所述功分饋電網絡地板位于所述PCB的第二個金屬層，所述功分饋電網絡位于所述PCB的第三個金屬層。
6.根據權利要求2至5中任一項所述的天線，其特征在于，所述天線還包括屏蔽盒，所述屏蔽盒包圍所述天線基板的四周及底面。
7.根據權利要求5所述的天線，其特征在于，所述功分饋電網絡地板為帶有開槽的地板結構，開槽的位置與所述金屬過孔的位置相對應。
【文檔編號】H01Q1/36GK103682584SQ201210361445
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月25日 優先權日:2012年9月25日
【發明者】馮春楠, 張欣, 杜江, 王金龍, 馬濤, 吳群, 丁旭民 申請人:中興通訊股份有限公司