专利名称：一种圆极化的电子标签天线及其设计方法
技术领域：
本发明涉及射频识别(RFID, Radio Frequency Identification )的天线技 术，尤其涉及RFID的一种圆极化的电子标签天线及其设计方法。
背景技术：
目前市场上出现或系统物流等应用的电子标签天线都为线才及化天线，这在 物流管理上有很大的不便。如果对应使用的阅读器天线为线;feU匕天线，这样 标签的射程较远，那么贴有标签的物体在清点或运输的过程当中不能随意翻 动，因为翻动过后会使标签的极化与阅读器的极化失配，导致无法识别该标 签，给应用带来极大的不便；如果对应使用的阅读器天线为圓才及化天线，那 么与线极化标签的极化失配将损失3dBi的增益，会使标签的射程变近。因此， 需要针对电子标签天线进行一些改进。
由于圆极化的一些特征使得圓极化天线的尺寸要足够大，所以对于尺寸 要求小型化的电子标签天线要i殳计成圓极化存在一定困难。现有的圓极化标 签天线多是环或圓片双馈电点激励。通常，环天线的射程很小，最大辐射仅 在标签边^彖处；而圆片双馈电天线尺寸又非常大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种圆极化的电子标签天线及其设计 方法，通过巧妙地设计圆极化的电子标签天线，使电子标签射程远且无方向 性约束，因而使用方便。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种圓极化的电子标签天线的设 计方法，该方法首先满足圓极化天线的基本条件，使得天线产生的圆极化波 的电场矢量空间正交、振幅相等以及相位差为正90度或负90度；其次，为 增大天线的射程而设计天线的电场耦合部分，在天线上找到与馈电点距离相等且相互正交的两处，并使得两处的电场强度的变化相等。
进一步地，电场矢量空间正交通过采用电流同向且空间角度为90度的两 个振子实现；将天线上相位调节部分的尺寸定为1/4波长，通过调节电子标 签芯片的位置，来调节相位调节部分的几何尺寸，使得相位差为正90度或负 90度。
进一步地，电场矢量空间正交通过采用两个环天线实现；通过移动馈电 点位置作为相位调节部分，使环中有空间正交关系的折线段产生正90度或负 90度的相位差；或者，通过增加或减少环上一折线长度作为相位调节部分， 使有空间正交关系的折线段产生正90度或负90度的相位差。
进一步地，设计电场耦合部分，将天线上连接相位调节部分且相互正交 的两处到馈电点距离调为相等，通过调节电场耦合结构中各耦合部分之间的 距离和尺寸，使得相互正交的两处其电场强度的变化相等。
进一步地，该天线尺寸小，且天线几^f可形状为环状或近似为环状，以及 相互正交的两处到馈电点的距离相等，故振幅相等。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种圓极化的电子标签天线，该 天线产生的圆极化波的电场矢量空间正交、振幅相等以及相位差为正90度或 负90度，且该天线上与馈电点距离相等及相互正交的两处，其电场强度的变 化相等。
进一步地，该天线采用电流同向且空间角度为90度的两个振子实现；该 天线上相位调节部分的尺寸为1/4波长，该相位调节部分的几何尺寸用于调 节相位差为正90度或负90度。
进一步地，该天线采用两个环天线实现；移动环天线的^t贵电点位置用于 作为相位调节部分，或者增加或減少环天线上一折线长度用于作为相位调节 部分，以调节相位差为正90度或负90度。
进一步地，该天线上连接相位调节部分且相互正交的两处到馈电点距离 调为相等，电场耦合结构中各耦合部分之间的距离和尺寸，用于调节相互正 交的两处其电场强度的变化相等。进一步地，该天线尺寸小，且天线几何形状为环状或近似为环状，以及 相互正交的两处到馈电点的距离相等，故振幅相等。
本发明的圆极化标签天线经过巧妙地设计，在电子标签上很好地实现了 圓极化天线方案，且天线具有很远的射程。另外，由于本发明对标签附着物
体无方向性约束，故能适用于使用线极化的阅读器天线；并且，由于本发明 的标签天线增益达到了 3.3dBi，因而也能在使用圓极化的阅读器天线时使标 签射程很远，从而达到了使用方便的目的。本发明不限于物流管理的远距离、 无方向性的电子标签天线。
图l是圓极化波电场矢量示意图2是采用电流同向空间卯度振子的圓极化天线结构示意图3是采用环天线结构实现圓极化天线示意图4是本发明的圆极化的电子标签天线 一 实施例的结构示意图5是本发明实施例的电场方向相位差示意图6a是本发明实施例的耦合结构示意图6b是依照图6a所示天线耦合结构的电场强度示意图7是本发明实施例的轴比参数示意图7a是图7上标注点M1的局部放大图示；
图7b是图7上标注点M2的局部放大图示；
图7c是图7上标注点M3的局部放大图示；
图8是对本发明实施例进行仿真产生的增益效果图示。
具体实施例方式
本发明提供了圆极化的电子标签天线及其设计方法，首先满足圓极化天 线的三个基本条件，使得圓极化波两个方向的电场矢量Ex和Ey :空间正交、振幅相等以及相位差为±90度；其次，为考虑增大标签天线的射程而设计电 场耦合部分。
其中，空间正交通过采用电流同向且空间角度为90度的两个振子，或者 采用两个环天线实现；实现Ex与Ey间的相位差为士90度的调整，于前者通 过调节标签芯片的位置来调节垂直电场的相位；于后者通过两种方式调节 一是通过移动馈电点位置调节，二是通过增加或减短某一折线的长度调节； 由于天线尺寸小又近似为环状，能够做到正交部分离馈电点距离相等，因此 能使Ex与Ey的4展幅相等。
电场耦合部分设计，将天线上连接相位调节部分相互正交的两处到^t贵电 点距离相等，通过仿真来调节耦合结构中各耦合部分之间的距离和尺寸，使 得相互正交的两处其电场强度的变化相等。
以下结合附图和具体实施例来详细说明本发明的技术方案。
圓极化波是指两个方向的电场矢量(Ex， Ey)之合成矢量的端点所描绘 的轨迹是个圓，且合成矢量是旋转的，如图1所示。因此，必须固定圓极化 波的旋向，工程上常用的定义为顺着电波传播的方向看去(如图l垂直于 纸面向外)，顺时针旋转成为右旋，反时针旋转成为左旋(如图1中所示)。
设计圓极化天线就要满足它的三个基本条件两个方向的电场矢量(Ex， Ey)必须l)振幅相等，即E尸E2; 2)空间正交；3)Ex与Ey间的相位差 为士90度。
圆极化波的场是等幅旋转场，有左、右旋向之分，左旋圓极化天线只能 辐射或接收左旋圓极化波，右旋圆极化天线只能辐射或接收右旋圓极化波。 所以，工作在圓极化情况下的天线的收、发能量直接与来波的极化性能有关， 或者说与电磁波作用的目标对圆极化波所呈现的特性有关。
设计圆极化标签天线时首先要满足空间正交，这点较容易实现，釆用电 流同向的两个振子，角度为90度即可，参见图2;也可以采用两个环天线， 参见图3。设计中可以看到上述的两种方法的电场方向都有90度的空间差，下面要 重点解决的问题是要有90度的相位差。
采用电流同向的两个振子是通过调节标签芯片的位置来调节垂直电场的 相位，比较容易调，图4给出了这种方法的实例。图4有O.lmm厚的PET 介质基板，后面附有不干胶，其中l处用于调节相位，2处用于调节天线阻 抗，以 <更与传lt线阻抗相匹配。
环天线的最大辐射方向不在z轴方向，它的轴比优化可以采用调解两环 的相对位置来获得。调节相位通过两种方式进行 一是移动々赍电点位置，使 方环中有空间正交关系的折线段产生90度的相位差；二是不动馈电点位置， 增加或减短某一折线的长度来使有空间正交关系的折线段产生90度的相位差。
图5为图4所示的本发明实施例的电场方向图，通过调节垂直电场的相 位(即1处)使得Ex与Ey间的相位差为90度。
本发明通过巧妙地设计，使得标签天线能够具有很远的射程，解决了以 往难以在小尺寸的电子标签上实现圓极化天线大射程的问题。如图6a所示，
首先天线上1和2两部分满足空间正交关系，图6a中标注相位调节部分的尺 寸为l/4波长，调节该处使得相位差达到90度。电场耦合部分设计1处和2 处到馈电点的距离相等，通过此处的耦合以及3处的电场耦合(图6b中划圏 的部分))作用使得1处和2处的电场强度变化相等(dEl-dE2)。本发明
双环天线电场耦合部分设计与此类同，故此不再赘述。
图7为图4所示的本发明的实施例的轴比，在主辐射方向正负30度内轴 比小于2。
分别将图7中Ml、 M2和M3标注点的轴比情况;改大为图7a、图7b以 及图7c。其中，Ml位于P1=350>1= - IO度，其轴比为1.386; M2位于P2二40 度，其轴比为1.635; ]^3位于？3=330度=-30度，其轴比为1.930。这三个 点已经可以表明此天线在最大辐射方向的轴比小于2,因为最大辐射方向主 要看土30度角内的参数。圓极化天线的轴比一般都不可能做到l，对于尺寸大的阅读器天线要求3 以下即为圓极化。而本发明在小尺寸的标签上已做到最大辐射方向的轴比为
2以下，因此非常适合于尺寸小、批量大的电子标签。
本发明由于天线尺寸较小又近似为环状，正交部分离馈电点距离又相等， 因此^展幅相等。
另外本发明通过理论计算、仿真及实际测试数据而获知标签天线的增益
达到了3.3dBi。如图8所示为仿真增益图，实验室测试距离为9米，测试轴 比为1.5。由图8中右边所示测出的在最大辐射方向的增益值均已处于红色 区，按照左边的增益色谱图可看出处于红色区的增益值达到了 3.3dBi以上。
由此可见，本发明设计的圆极化标签天线能够在尺寸d、的情况下使轴比 控制在2以下，且天线的增益达到了 3.3dBi,从而使得圆极化标签天线达到 射程远、无方向性约束及〗吏用方便的目的。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的 情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形， 但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1、一种圆极化的电子标签天线的设计方法，其特征在于，所述方法首先满足圆极化天线的基本条件，使得所述天线产生的圆极化波的电场矢量空间正交、振幅相等以及相位差为正90度或负90度；其次，为增大所述天线的射程而设计所述天线的电场耦合部分，在天线上找到与馈电点距离相等且相互正交的两处，并使得所述两处的电场强度的变化相等。
2、 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电场矢量空间正交 通过采用电流同向且空间角度为90度的两个振子实现；将所述天线上相位调 节部分的尺寸定为1/4波长，通过调节电子标签芯片的位置，来调节所述相 位调节部分的几何尺寸，使得所述相位差为正90度或负90度。
3、 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电场矢量空间正交 通过采用两个环天线实现；通过移动馈电点位置作为所述相位调节部分，使 所述环中有空间正交关系的折线段产生正90度或负90度的相位差；或者， 通过增加或减少所述环上一;^斤线长度作为所述相位调节部分，4吏所述有空间 正交关系的折线段产生正90度或负90度的相位差。
4、 按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，设计所述电场耦合 部分，将所述天线上连接所述相位调节部分且相互正交的两处到馈电点距离 调为相等，通过调节电场耦合结构中各耦合部分之间的距离和尺寸，使得所 述相互正交的两处其电场强度的变化相等。
5、 按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述天线尺寸小， 且所述天线几何形状为环状或近似为环状，以及做到相互正交的两处到馈电 点的距离相等，故所述振幅相等。
6、 一种圆极化的电子标签天线，其特征在于，所述天线产生的圆极化 波的电场矢量空间正交、振幅相等以及相位差为正90度或负90度，且所述 天线上与馈电点距离相等及相互正交的两处，其电场强度的变化相等。
7、 按照权利要求6所述的天线，其特征在于，所述天线采用电流同向 且空间角度为90度的两个振子实现；所述天线上相位调节部分的尺寸为1/4 波长，所述相位调节部分的几何尺寸用于调节所述相位差为正90度或负90度。
8、 按照权利要求6所述的天线，其特征在于，所述天线采用两个环天 线实现；移动所述环天线的々赍电点位置用于作为相位调节部分，或者增加或 减少所述环天线上一折线长度用于作为相位调节部分，以调节所述相位差为 正90度或负90度。
9、 按照权利要求7或8所述的天线，其特征在于，所述天线上连接所 述相位调节部分且相互正交的两处到馈电点距离调为相等，电场耦合结构中 各耦合部分之间的距离和尺寸，用于调节所述相互正交的两处其电场强度的 变化相等。
10、 按照权利要求7或8所述的天线，其特征在于，所述天线尺寸小， 且所述天线几何形状为环状或近似为环状，以及相互正交的两处到馈电点的 距离相等，故所述振幅相等。
全文摘要
一种圆极化的电子标签天线的设计方法，该方法首先满足圆极化天线的基本条件，使得天线产生的圆极化波的电场矢量空间正交、振幅相等以及相位差为正90度或负90度；其次，为增大天线的射程而设计天线的电场耦合部分，在天线上找到与馈电点距离相等且相互正交的两处，并使得两处的电场强度的变化相等。本发明还依上述方法相应地设计出了圆极化的电子标签天线。本发明经过巧妙地设计，在电子标签上很好地实现了圆极化天线方案，且天线具有很远的射程，且由于天线对标签附着物体无方向性约束，故对线极化的阅读器天线和圆极化的阅读器天线均适用。
文档编号H01Q1/00GK101567480SQ200810089260
公开日2009年10月28日 申请日期2008年4月25日 优先权日2008年4月25日
发明者李广立 申请人:中兴通讯股份有限公司