专利名称：超高频宽带高增益天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及射频识别领域，更具体地说，涉及一种超高频宽带高增益天线。
背景技术：
随着物联网技术的发展，射频识别，即RFID技术作为物联网技术中关键技术，承担着信息采集的主要功能，UHF频段的RFID技术的主流是基于无源电子标签为基础的，因此在读取距离方面存在一定的瓶颈，特别是针对车联网等这种对读取距离要求高的项目时，该技术已不能满足应用要求。UHF频段的RFID主要由三部分组成读写器、电子标签、天线。而现阶段无源电子标签的灵敏度和读写器灵敏度提高的潜力已经不大，在短时间内要解决UHF频段RFID电子标签的远距离读取只能从读写器天线着手。在现有技术中，读写器的天线的增益较低，且其带宽较窄，需要对其进行调试。所以急需一种可以批量生产、无需调试的高增益天线来弥补行业内在该领域的空缺。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述增益较低、在批量生产时需要调试的缺陷，提供一种增益较高、在批量生产时不需要调试的超高频宽带高增益天线。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种超高频宽带高增益天线，包括底板、多个天线阵子、多个阻抗变换单元和射频连接头；所述多个天线阵子分别设置在所述底板上，所述射频连接头设置在所述底板上并用于输入或输出射频信号；所述多个天线阵子分别通过多个且分为至少两级的阻抗变换单元将其连接在所述射频连接头上；所述阻抗变换单元每增加一级使得天线阵子数目增加一倍；所述阻抗变换单元使得其连接部件的等效阻抗为50欧姆；所述多个天线阵子沿所述底板的一个方向均匀分布在所述底板上；所述天线阵子之间的距离小于或等于所述天线接收或发射的电磁波波长的一半。更进一步地，连接在所述射频连接头和所述各天线阵子之间的阻抗变换单元至少分为两级，所述第一级阻抗变换单元包括至少两个，其分别连接在所述天线阵子和第二阻抗变换单元之间；所述第二级阻抗变换单元连接在所述第一级阻抗变换单元和所述射频连接头之间。更进一步地，所述阻抗变换单元包括第一同轴线、第一连接座、第二同轴线和第二连接座，所述第二连接座通过所述第二同轴线的内导体与所述第一连接座连接；所述第一同轴线和第二同轴线的外导体通过其连接的连接座与底板连接；所述第一连接座通过多条第一同轴线的内导体与偶数个天线阵子或另一级阻抗变换单元的第二连接座连接。更进一步地，连接每个所述天线阵子和所述第一连接座之间的第一同轴线的长度相等。更进一步地，所述第一同轴线的特征阻抗为50欧姆；所述第二同轴线的特征阻抗为4 = #77，其中Z1为其输入阻抗、Z1为其负载阻抗。更进一步地，所述天线阵子包括多个相隔设定高度层叠在一起的微带阵子；靠近所述底板的微带阵子为最下层微带阵子；所述最下层微带阵子通过所述阻抗变换单元与所述射频接头连接。更进一步地，所述最下层微带阵子之上的各微带阵子之间及所述最下层微带阵子与其上面一层的微带阵子之间均通过塑料支架固定其位置。更进一步地，所述每个天线阵子包括的微带阵子为3层。更进一步地，所述天线阵子的大小为177mm*90mm*lmm,两个天线阵子的间距为265mm,所述天线底板的尺寸为1000mm*200mm*3mm。更进一步地，还包括用玻璃钢制成的、设置在所述底板上并将所述天线阵子封闭在其内的天线外壳。实施本发明的超高频宽带高增益天线，具有以下有益效果由于采用多个天线阵 子通过阻抗变换单元连接在射频接头上，阻抗变换单元采用多级匹配的方式，而多个天线阵子的并接使得该天线的增益较高、带宽较宽；多级阻抗匹配则使得该天线在批量生产时不需要调试。
图I是本发明超高频宽带高增益天线实施例的结构示意 图2是所述实施例中阻抗变换单元的结构示意 图3是所述实施例中天线阵子的连接示意 图4是所述实施例各组成部分的分布示意 图5是所述实施例中超高频宽带高增益天线的驻波曲线；
图6是所述实施例中超高频宽带高增益天线的增益图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。如图I所示，在本发明的超高频宽带高增益天线实施例中，该超高频宽带高增益天线包括多个天线阵子11、这些天线阵子11通过第一级阻抗变换单元18和第二级阻抗变换单元16连接到射频连接头17，其中，第一级阻抗变换单元18至少包括两个，每个第一级阻抗变换单元18分别与多个天线阵子11连接并与第二级阻抗变换单元16连接，第二级阻抗变换单元16还与射频连接头17连接，射频连接头17用于输出天线接收到的信号或输入天线要发射的信号；在本实施例中，上述第一阻抗变换单元18为两个，每个第一级阻抗变换单元18分别与两个天线阵子11连接。在本实施例中，上述第一级阻抗变换单元18和第二级阻抗变换单元16的作用均是使得其连接的部件的等效阻抗为50欧姆，其结构大致是相同的，仅仅是连接的部件各不相同而已。在本实施例中，阻抗变换单元每增加一级使得天线阵子数目增加一倍，天线增益增加约3dBi。请参见图2，图2示出了本实施例中各阻抗变换单元的结构，在图2中，阻抗变换单元包括第一同轴线12、第一连接座13、第二同轴线14和第二连接座15 ;其中，第一同轴线12与第一连接座13连接；每个第一连接座13连接偶数个天线阵子11 (对于第二级阻抗变换单元16而言，连接的是第一级阻抗变换单元18的第二连接座15，这些第二连接座15同样是偶数)，例如，2、4、6、8个等等，第一连接座13通过第二同轴线14与第二连接座15连接；第一级阻抗变换单元18的第二连接座与后一级的阻抗变换单元的第一连接座连接，第二级阻抗变换单元16的第二连接座连接到射频接头17 ；上述第一同轴线12、第二同轴线14的区别是具有不同的特征阻抗，其组成阻抗变换网络，以实现最后的输出阻抗为50欧姆。在上述阻抗变换单元中，仁何一个阻抗变换单元中的第一同轴线12的长度必须相等，即同一个阻抗变换单元中的第一同轴线12是等长的。在本实施例中，请参见图3，该天线包括底板10，上述的天线阵子11、第一级阻抗变换单元18、第二阻抗变换单元16 (每个第一级阻抗变换单元18和第二阻抗变换单元16均分别包括第一同轴线12、第一连接座13、第二同轴线14、第二连接座15)以及射频接头17均设置在上述底板10上；其中，多个天线阵子11沿底板的一个方向(在本实施例中，具体是沿上述底板10的长度方向)均匀分布在底板上，天线阵子11之间的距离小于或等于该线接收或发射的电磁波波长的一半；在本实施例中，天线阵子11通过第一级阻抗变换单元18连接到第二级阻抗变换单元16，之后再连接到射频连接头17 ;具体来讲，第一级阻抗变换单元18的第一同轴线12的内导体连接在其第一连接座13上，其第一连接座13包括两个接线端，一个用于连接上述第一同轴线12的内导体，另外一个用于连接上述第一同轴线12的外导体，连接第一同轴线12的外导体的接线端还与底板10连接，该底板10是导体； 同时，第二连接座15的结构与第一连接座13的结构相似，同样包括两个绝缘的接线端，一个接线端用于连接同轴线的内导体，而另一个接线端同样用于连接同轴线的外导体并与底板10连接；在本实施例中，上述第一级阻抗变换单元18的第二连接座15的一个接线端与通过第二同轴线14的内导体连接在第一连接座13上，该接线端还与第二级阻抗变换单元16连接；第二连接座15的另一个接线端与第二同轴线14的外导体连接并连接到底板。在本实施例中，包括两个第一级级阻抗变换单元18，每个第一级阻抗变换单元18的第一连接座13通过多条第一同轴线12的内导体与偶数个天线阵子11连接；第一同轴线12的数目对应于该第一级阻抗变换单元连接的天线阵子11的个数，即一个天线阵子11使用一条第一同轴线12连接到上述第一连接座13，且这些第一同轴线12的长度相等；而第二连接座15通过一条第二同轴线14的内导体与第一连接座13连接；第一同轴线12、第二同轴线14的外导体通过其连接的连接座与底板连接。在本实施例中，第一同轴线12的特征阻抗为50欧姆；第二同轴线14的特征阻抗为& = 其中Zf为第二同轴线14构成的网络或电路的输入阻抗、而4为第二同轴线14构成的网络或电路的负载阻抗。在本实施例中，第二级阻抗变换单元16为一个，其第二连接座15也通过第二同轴线14与该第二级阻抗变换单元16的第一连接座13连接，其第二连接座15还通过50欧姆同轴线连接到射频连接头17，其第一连接座13还通过第一同轴线12与第一级阻抗变换单元18连接。基本上而言，本实施例中第一级阻抗变换单元18和第二级阻抗变换单元16的结构及连接方式大致相同，但其连接的部件不同，即在结构相同的单元在电路中处于不同的位置。在本实施例中，天线阵子11是由多个相隔设定高度层叠在一起的微带阵子(参见图4中标号为111、112和113的部件)组成的；即每个天线阵子11包括了多个微带阵子，这些微带阵子是相隔一定的高度重叠在一起的，微带阵子(111、112、113)之间有空气作为介质将其隔离；两个微带阵子之间通过塑料支架114固定其位置及保持其间的间隔(包括最下层微带阵子111之上的各微带阵子(112、113)之间，以及最下层微带阵子111与其上面一层的微带阵子112之间)。最靠近底板的微带阵子为最下层微带阵子111 ;最下层微带阵子111通过阻抗变换单元与射频接头17电连接。也就是说，只有最接近底板的那个微带阵子与上述的第一级阻抗变换单元18的第一连接座13有电连接，其余各微带阵子之间并没有电连接；且最下层微带阵子111是通过第一同轴线12的内导体的一端连接；请参见图3，在本实施例中，每个天线阵子包括的微带阵子为3层；在一些情况下，上述每个天线阵子的微带阵子的层数也可以更多或更少。在本实施例中，上述天线阵子11的大小为177mm*90mm*lmm,两个天线阵子11的间距为265mm，而底板的尺寸为1000mm*200mm*3mm。 此外，如图3所示，在本实施例中，上述天线还包括用玻璃钢制成的、设置在底板上并将天线阵子11封闭在其内的天线外壳19 ;该外壳18与底板10组成一个封闭的空间，使得天线的其他组成部分都被封闭在其中。天线外壳10采用了玻璃钢模压的工艺，通过模压工艺一次成型。玻璃钢的强透波性有效的减少了天线辐射在材料中的损耗，另外玻璃钢材料具有强度高耐候性好等优点，适合在恶劣的气候环境下使用。而模压的工艺与现有手工制作的玻璃钢纤维外壳相比可以有效的保证成型的一致性，且成型快，可大批量生产。 总之，在本实施例中，多层微带阵子的天线阵子设计是把上层、中层微带阵子作为
引向器，引向器可以在不降低增益的前提下展开带宽，而通过降低最下层微带阵子来提高
增益。由以下公式可知高度与阵子长度有关而阵子增益与阵子宽度和长度有关，因此增益
与闻度有关，即同等条件下闻度越低阵子增益越闻
AtWL Cr =-
Λ
酽=丄
2/, 2 ；
L = 0.5A-2AL
S
LI ,.(^+0.3)(^// +0.264)
—=ij.AiZ-
k( -0.258),/A+0.8)
其中h为材料厚度、W为贴片的宽度c基板材料的介电常数、&有效介电常数、G为增
益、W为阵子宽度、L为阵子长度、为微带线上的波长。决定阵列天线的主要参数有四个，单元个数、单元位置、单元激励振幅和相位。本发明采用的组阵方式为四个阵元，采用的是线阵排列形式，且阵元间是同相的。阵列的波瓣为Ε( θ，Ψ )=f( θ，Ψ )S式中，f( 4 Ψ、是单元阵波瓣，简称单元因子，由此可知阵列波瓣等于单元阵波瓣与阵因子的乘积。
MlS = J^iIx exp j{k(xx sin 5cos^+jK sin φ+ζχ cos约+ }，S 称为阵列的阵因子或空
Μ·1
间因子，它同单元个数、位置、激励振幅和相位有关。在本实施例中，采用了两级A /4阻抗变换器的形式来展开馈线带宽，而馈线采用同轴线的形式能有效的保证带宽和减少馈线损耗，并且可以防止馈线对方向图的不利影响，同时采用同轴线馈线的方式可以有效减少因加工所带来的误差，只需要保证同轴线馈线的长度即可实现组装后无需调试。在本实施例中所举例子中，请参见图4，天线阵子11共4个，等距安装在底板上，天线阵子11之间的距离满足小于或等于波长的一半。4个天线阵子11到第一级阻抗变换单元的第一连接座13之间连接的第一同轴线12的长度相等，这样能有效的保证各阵元间的相位同相，从而可以起到相位叠加的作用，有效的提高天线增益；同样，第二级阻抗变换单元16的两个第一连接座13到第二连接座15之间的两条第一同轴电缆12的长度也相同；在本实施例中，上述任何一个阻抗变换单元的第一同轴线12的阻抗为50欧姆，第二同轴线14的阻抗为35欧姆；两根50欧姆第一同轴线12并联，通过第一连接座13与一根35欧姆的第二同轴线14串联组成一级匹配。在本实施例中，所有同轴线的外导体均与底板连接，同轴线采用多级匹配的方式，采用同轴线馈电的方式可以有效的提高天线带宽，而多级匹配的方式可以展宽天线带宽。如图3所示。本实施例中仅列举了天线阵子由3层微带阵子组成、天线阵子的数量为4个的情形在另外一些情况下，继续增加微带阵子数量和匹配级数还可以进一步提高增益和带宽。 在本实施例中，天线阵子11由3层微带阵子组成，最下层微带阵子111与阻抗变换单元的第一同轴线12采用探针馈电的方式连接，中层与上层微带阵子(112、113)分别采用塑料支柱114固定在上述最下层微带阵子的上方，此时直流上三层微带阵子互相不导通。上层和中间层的微带阵子充当引向器用来调节带宽，通过调整底层微带阵子与中间层微带阵子之间的距离来调节天线增益。本实施例中单个天线阵子的增益大于9. 4dBi。如图5所示，本实施例在860MHz-960MHz频段范围内驻波在I. Γ . 45之间，天线的匹配状况良好。如图6所示，在本实施例中，天线的最大增益为13. 7dBi。由此可以了解到本实施例的基本性能参数如下其中频率范围为860MHz 960MHz，适用于全球超高频RFID频段使用；频带宽度大于100MHz，相对带宽为11%，相比普通微带天线带宽为5%，提高了一倍多；增益达到13. 7dBi，相比普通微带天线增益(SdBi)提高了 4dBi，因此该天线相比现有产品的性能提升是明显的。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种超高频宽带高增益天线，其特征在于，包括底板、多个天线阵子、多个阻抗变换单元和射频连接头；所述多个天线阵子分别设置在所述底板上，所述射频连接头设置在所述底板上并用于输入或输出射频信号；所述多个天线阵子分别通过多个且分为至少两级的阻抗变换单元将其连接在所述射频连接头上；所述阻抗变换单元每增加一级使得天线阵子数目增加一倍；所述阻抗变换单元使得其连接部件的等效阻抗为50欧姆；所述多个天线阵子沿所述底板的一个方向均匀分布在所述底板上；所述天线阵子之间的距离小于或等于所述天线接收或发射的电磁波波长的一半。
2.根据权利要求I所述的超高频宽带高增益天线，其特征在于，连接在所述射频连接头和所述各天线阵子之间的阻抗变换单元至少分为两级，所述第一级阻抗变换单元包括至少两个，其分别连接在所述天线阵子和第二阻抗变换单元之间；所述第二级阻抗变换单元连接在所述第一级阻抗变换单元和所述射频连接头之间。
3.根据权利要求2所述的超高频宽带高增益天线，其特征在于，所述阻抗变换单元包括第一同轴线、第一连接座、第二同轴线和第二连接座，所述第二连接座通过所述第二同轴线的内导体与所述第一连接座连接；所述第一同轴线和第二同轴线的外导体通过其连接的连接座与底板连接；所述第一连接座通过多条第一同轴线的内导体与偶数个天线阵子或另一级阻抗变换单元的第二连接座连接。
4.根据权利要求3所述的超高频宽带高增益天线，其特征在于，连接每个所述天线阵子和所述第一连接座之间的第一同轴线的长度相等。
5.根据权利要求4所述的超高频宽带高增益天线，其特征在于，所述第一同轴线的特征阻抗为50欧姆；所述第二同轴线的特征阻抗为Z0 = ,JzJl，其中&为其输入阻抗、Z1为其负载阻抗。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的超高频宽带高增益天线，其特征在于，所述天线阵子包括多个相隔设定高度层叠在一起的微带阵子；靠近所述底板的微带阵子为最下层微带阵子；所述最下层微带阵子通过所述阻抗变换单元与所述射频接头连接。
7.根据权利要求6所述的超高频宽带高增益天线，其特征在于，所述最下层微带阵子之上的各微带阵子之间及所述最下层微带阵子与其上面一层的微带阵子之间均通过塑料支架固定其位置。
8.根据权利要求7所述的超高频宽带高增益天线，其特征在于，所述每个天线阵子包括的微带阵子为3层。
9.根据权利要求8所述的超高频宽带高增益天线，其特征在于，所述天线阵子的大小为177mm*90mm*lmm,两个天线阵子的间距为265mm,所述天线底板的尺寸为I000mm*200mm*3mm。
10.根据权利要求9所述的超高频宽带高增益天线，其特征在于，还包括用玻璃钢制成的、设置在所述底板上并将所述天线阵子封闭在其内的天线外壳。
全文摘要
本发明涉及一种超高频宽带高增益天线，包括底板、多个天线阵子、多个阻抗变换单元和射频连接头；所述多个天线阵子分别设置在所述底板上，所述射频连接头设置在所述底板上并用于输入或输出射频信号；所述多个天线阵子分别通过多个且分为至少两级的阻抗变换单元将其连接在所述射频连接头上；所述阻抗变换单元使得其连接部件的等效阻抗为50欧姆；所述多个天线阵子沿所述底板的一个方向均匀分布在所述底板上；所述天线阵子之间的距离小于或等于所述天线接收或发射的电磁波波长的一半。实施本发明的超高频宽带高增益天线，具有以下有益效果增益较高、带宽较宽；多级阻抗匹配则使得该天线在批量生产时不需要调试。
文档编号H01Q13/08GK102810769SQ201210269480
公开日2012年12月5日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者刘良骥, 汪勇, 陈长安, 李想, 陈海清 申请人:深圳市远望谷信息技术股份有限公司