一种近场射频识别阅读器天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种近场射频识别阅读器天线，天线包括四个辐射单元和一个功分馈电单元；所述功分馈电单元通过金属过孔连接到所述辐射单元上；所述四个辐射单元采取1∶4等幅同相馈电的馈电方式，电流分布等效为同向电流分布的电大尺寸环圈天线上的电流。采用本发明，能满足近场UHF?RFID系统的需要。
【专利说明】一种近场射频识别阅读器天线
【技术领域】
[0001]本发明涉及阅读器天线技术，尤其涉及一种基于多层板结构地板开槽的特高频(UHF, Ultra High Frequency)近场射频识别(RFID, Radio Frequency Identification)阅读器天线。
【背景技术】
[0002]近场UHF RFID的工作方式可以是电场稱合方式或者磁场稱合方式。在电场f禹合方式下，能量主要以电场的方式传递，电场的分布会被高介电常数的物体所影响；在磁场耦合方式下，能量主要以磁场的方式传递，磁场的分布只会被高磁导率的物体所影响，而日常生活中高磁导率的物体并不多。从而，近场UHF RFID系统在磁场耦合方式下，可以有效的在复杂介质环境下可靠工作，采用的近场UHF RFID技术可以弥补现有UHF RFID系统在标签放置在高介电常数附近不能可靠工作的缺陷。
[0003]而且，近场UHF RFID系统相比于同样使用磁场耦合的低频(LF)/高频(HF)RFID系统，近场UHF RFID标签的尺寸更小、结构更简单、成本更低。现有的LF/HF RFID系统，采用磁场耦合方式时，对应的阅读器天线是一个电小尺寸(相对工作频率的电长度小于该频率波长)的线圈天线，可以称为小环天线，该线圈上的电流方向一致，这样可以在线圈的中心区域得到较强的且稳定的磁场，但是，小环天线的磁场随着离天线的距离的增加而衰减的很快，读取距离大约为小环天线的直径大小。同时，小环天线的工作频率位于阻抗的并联谐振附近，天线的带宽值随着频率的变化很快，很难通过匹配电路实现天线输入阻抗的到500hm的转换。当频率上升到UHF频段，如果仍然采用小环天线则不适应于近场UHF RFID系统，由于近场UHF RFID系统工作波长较短，则原来的LF/HFRFID系统的阅读器天线，相对于UHF频段的工作波长为电大尺寸(相对工作频率的电长度大于该频率波长)结构，此时，电大尺寸结构的线圈天线，可以称为大环天线。大环天线上电流的幅度和相位不能再视为常数，当大环天线的直径超过λ/π时，大环天线上电流将在距离馈电端口四分之一波长处减弱为零，并在与馈电端口相对的另一半圆环上产生方向相反的电流，从而导致的不良后果是在轴向的磁场相互抵消，读取距离降低。由于读取距离约为环天线直径大小，若简单的减小天线的尺寸也不适用于近场UHF RFID系统。可见:现有的天线设计在UHF频段的近场UHF RFID系统中不再适用，迫切需要一种改进的天线设计。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种近场射频识别阅读器天线，能满足近场UHF RFID系统的需要。
[0005]为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的:
[0006]一种近场射频识别阅读器天线，所述天线包括四个辐射单元和一个功分馈电单元；所述功分馈电单元通过金属过孔连接到所述福射单元上；
[0007]所述四个辐射单元采取1: 4等幅同相馈电的馈电方式，电流分布等效为同向电流分布的电大尺寸环圈天线上的电流。
[0008]其中，所述四个辐射单元在天线基板上沿正方形的四边摆放，所述电流分布等效为周长2λ同向电流分布的电大尺寸环圈天线的电流，所述λ为天线的工作波长。
[0009]其中，所述天线的结构为:多层板结构的印刷电路板PCB，所述多层板结构具体为两层介质三层金属的结构。
[0010]其中，所述四个辐射单元进一步为两对按1: 4等幅同相馈电的印刷偶极子天线，每一对印刷偶极子天线分两层印刷，分别位于所述PCB的第一个金属层和第二个金属层。
[0011]其中，所述功分馈电单元包括功分馈电网络地板、功分馈电网络；所述功分馈电网络地板位于所述PCB的第二个金属层，所述功分馈电网络位于所述PCB的第三个金属层。
[0012]其中，所述天线还包括屏蔽盒，所述屏蔽盒包围所述天线基板的四周及底面。
[0013]其中，所述功分馈电网络地板为带有开槽的地板结构，开槽的位置与所述金属过孔的位置相对应。
[0014]本发明的天线包括四个辐射单元和一个功分馈电单元；功分馈电单元通过金属过孔连接到所述辐射单元上；四个辐射单元采取1: 4等幅同相馈电的馈电方式，电流分布等效为同向电流分布的电大尺寸环圈天线上的电流。
[0015]采用本发明，功分馈电单元通过金属过孔连接到所述辐射单元上进行馈电，且四个辐射单元采取1: 4等幅同相馈电的馈电方式，能得到电流分布等效为同向电流分布的电大尺寸环圈天线上的电流，避免采用现有技术产生方向相反的电流导致的磁场相互抵消和读取距离降低的不良后果，从而能得到一个强度和均匀性都能满足近场UHF RFID系统需要的磁场。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明由辐射单元和功分馈电单元构成的天线结构的俯视图；
[0017]图2为本发明天线结构的等效环圈天线原理示意图；
[0018]图3为本发明天线多层板结构的侧视图；
[0019]图4为本发明功分馈电单元的示意图；
[0020]图5为图4的S参数幅值示意图；
[0021]图6为图4的S参数相位值示意图；
[0022]图7为本发明天线回波损耗示意图；
[0023]图8为本发明天线电流分布示意图；
[0024]图9为本发明天线高度为20mm的磁场幅值分布的示意图；
[0025]图10为本发明天线高度为30mm的磁场幅值分布的示意图。
【具体实施方式】
[0026]本发明的基本思想是:天线包括四个辐射单元和一个功分馈电单元；功分馈电单元通过金属过孔连接到所述辐射单元上；四个辐射单元采取1: 4等幅同相馈电的馈电方式，电流分布等效为同向电流分布的电大尺寸环圈天线上的电流。
[0027]下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。
[0028]本发明的近场射频识别阅读器天线，如图1所示，由4个辐射单元和I个功分馈电单元通过组成，该4个辐射单元在天线基板上沿正方形的四边摆放，1个功分馈电单元通过4个金属过孔连接到4个福射单元上进行馈电，使4个福射单元按1: 4等幅同相馈电。
[0029]这里，4个辐射单元按1: 4等幅同相馈电，则本发明的近场射频识别阅读器天线上的电流分布等效为一个具有同向电流分布的电大尺寸环圈天线，具体的，4个辐射单元可以具体为四个按1: 4等幅同相馈电的印刷偶极子天线，四个印刷偶极子天线如图2中所示的位置摆放，等效于一个周长2 λ的电大尺寸结构的，具有同向电流分布的环圈天线。图2中有4个传输线(feed),当前电流分布(Current Distribution)如图2中粗实线箭头所示。所述λ为天线的工作波长，是相对于频率的取值而言的。
[0030]这里，针对四个按1: 4等幅同相馈电的印刷偶极子天线而言，印刷偶极子天线分布在多层板结构PCB板金属层的最上层和第二层。每一对印刷偶极子天线分两层印刷，馈电点处上下两层有一段金属线重合。印刷偶极子天线的结构尺寸如图1所示，其中金属线宽m值约为4mm左右，印刷偶极子天线上层金属线向中心伸出长度为y的金属线，与馈电点过孔相接。印刷偶极子天线单个电流臂长度X的值为1/4 λ，本结构中选择适当X值，使天线谐振与842MHz。
[0031]这里，本发明的近场射频识别阅读器天线，该天线采用多层板结构的印刷电路板(PCB, PrintedCircuitBoard)制成。天线基板是PCB板的介质层，天线基板使用玻璃纤维板(FR-4)。
[0032]这里，采用本发明的有益效果为:1: 4等幅同相馈电，等效为具有同向电流分布的环圈天线，由于等效为环圈天线，该线圈上的电流方向一致，这样可以在线圈的中心区域得到较强的且稳定的磁场，以满足近场UHF RFID系统需要的磁场。天线使用多层板结构的PCB制成，具有低剖面、易于集成、小型化的特点。使用的FR-4多层PCB板成本较低，结构简单，易于加工。相比较现有的天线设计，本发明的天线在满足带宽要求的前提下(覆盖中国UHF RFID频段使用范围:840-845MHz)，更注重的是天线口面的磁场分布的强度和均匀性，清点区域内的磁场较强且均匀时，可以保证对近场标签的可靠读取。
[0033]如图3所示为本发明天线多层板结构的侧视图，本发明的近场射频识别阅读器天线采用多层板结构的PCB，PCB为两层介质三层金属的结构。具体的，每层介质层厚度可选范围0.5-2mm，材质为FR-4，金属层材料为铜。金属层由上至下第一层为印刷偶极子天线上层，第二层为印刷偶极子天线下层和功分馈电网络地板，第三层为功分馈电网络。
[0034]天线还包括屏蔽盒，屏蔽盒由金属板组成，包围天线基板的四周及底面，屏蔽盒的尺寸选择为:屏蔽盒的长/宽紧紧包围天线基板，高度约为3cm。加屏蔽盒的有益效果是确保天线的定向辐射，屏蔽掉不需要的辐射。
[0035]图4为本发明功分馈电单元的示意图，1个功分馈电单元由功分馈电网络地板和功分馈电网络组成，图4中未填充区域为功分馈电网络地板所在区域，图4中的填充区域为功分馈电网络所在的区域。
[0036]就功分馈电网络而言，功分馈电网络的电路设计与现有设计相同，针对功分馈电网络的电路设计而言，由一个电感电容(LC)阻抗变化器和两个威尔金森功分器级联组成。LC阻抗变化，能实现50 Ω到25Ω的阻抗变换。威尔金森功分器通过四个金属过孔连接到印刷偶极子天线上层，对四个印刷偶极子天线实现1: 4等幅同相馈电。
[0037]威尔金森功分器的性能相关结构参数如图4所示，其中W1的宽度满足微带线的特性阻抗为50 Ω，W2的宽度满足微带线特性阻抗为70.71 Ω，a、b的长度用于调节四个亏点点位置，L2的长度约为1/4 λ，电感值为4.7ηΗ，电容值为3.3PF，在840MHz处实现50 Ω到25 Ω阻抗变换。威尔金森功分器中两个隔离电阻R的阻值为100 Ω。
[0038]威尔金森功分器的性能如图5、图6所示，从图5可知:四个输出端口的输出幅值相同，四个输出端口位于四个金属过孔所在位置，在842MHz处输入端口回波损耗小于-30dB，四个输出端口 S参数的输出幅值为_6dB。从图6可知:842MHz处的四个输出端口 S参数的相位值相同。
[0039]就功分馈电网络地板而言，功分馈电网络地板区别于现有设计，功分馈电网络地板为带有开槽的地板结构。开槽的位置与金属过孔的位置相对应。
[0040]采用本发明的功分馈电单元，由于1: 4等幅同相功分馈电网络使用带有开槽的功分馈电网络地板，金属的功分馈电网络地板只存在于威尔金森功分器金属线下方，通过对功分馈电网络地板的开槽来增大磁场耦合的途径，磁场形成了更多的有效回路，可以有效的提闻磁场的幅值。
[0041]图7为本发明天线回波损耗示意图，如图7所示，天线谐振频率为842MHz，阻抗带宽为838-845MHZ，可以覆盖中国使用范围(840_845MHz)。图8为本发明天线电流分布示意图，如图8所示，印刷偶极子天线上的电流分布可以保持同向。
[0042]图9为本发明天线高度为20mm的磁场幅值分布的示意图，图10为本发明天线高度为30mm的磁场幅值分布的示意图。如图9、图10可知:不同高度下磁场幅值分布的均匀性可以满足近场UHF RFID系统的磁场要求，高度为20mm处的轴向磁场分量最大为6.45dBA/m,高度为30mm处的轴向磁场分量最大为4.23dBA/m。对于使用Gen2芯片的标签，天线阅读区域的磁场达到_20dBA/m时，可以保证能够使芯片获得做够的驱动能量，系统可以有效的工作。因此可以看出，阅读器天线满足磁场强度要求的区域很大。
[0043]以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种近场射频识别阅读器天线，其特征在于，所述天线包括四个辐射单元和一个功分馈电单元；所述功分馈电单元通过金属过孔连接到所述福射单元上； 所述四个辐射单元采取1: 4等幅同相馈电的馈电方式，电流分布等效为同向电流分布的电大尺寸环圈天线上的电流。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述四个辐射单元在天线基板上沿正方形的四边摆放，所述电流分布等效为周长2 λ同向电流分布的电大尺寸环圈天线的电流，所述λ为天线的工作波长。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述天线的结构为:多层板结构的印刷电路板PCB，所述多层板结构具体为两层介质三层金属的结构。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述四个辐射单元进一步为两对按1: 4等幅同相馈电的印刷偶极子天线，每一对印刷偶极子天线分两层印刷，分别位于所述PCB的第一个金属层和第二个金属层。
5.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述功分馈电单元包括功分馈电网络地板、功分馈电网络；所述功分馈电网络地板位于所述PCB的第二个金属层，所述功分馈电网络位于所述PCB的第三个金属层。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的天线，其特征在于，所述天线还包括屏蔽盒，所述屏蔽盒包围所述天线基板的四周及底面。
7.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述功分馈电网络地板为带有开槽的地板结构，开槽的位置与所述金属过孔的位置相对应。
【文档编号】H01Q1/36GK103682584SQ201210361445
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月25日 优先权日:2012年9月25日
【发明者】冯春楠, 张欣, 杜江, 王金龙, 马涛, 吴群, 丁旭民 申请人:中兴通讯股份有限公司