用于射频识别中的传输线天线的制作方法

用于射频识别中的传输线天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于射频识别的传输线天线，包括：基板和导带，其中，所述导带设置在所述基板上；所述基板和所述导带构成传输线；所述导带的宽度从所述导带的中间区域向两侧逐渐减小，以减少天线辐射的电场中的读取空洞，进而提高读取距离。
【专利说明】用于射频识别中的传输线天线
【技术领域】
[0001]本发明涉及射频识别(RFID, Radio Frequency Identification)【技术领域】,特别涉及射频识别的传输线天线。
【背景技术】
[0002]射频识别(RFID, Radio Frequency Identification)技术是一种非接触式的自动识别技术，俗称电子标签，其通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，其包括如下基本组成部分:
[0003]1、标签(Tag)，其由标签天线及芯片组成，附着在被控制、检测或跟踪的物体上，其中，在RFID系统中通常包括多个标签，每个标签具有唯一的电子编码，用以唯一地标识被控制、检测或跟踪的物体；这里，标签也可被称为应答器；
[0004]2、阅读器(Reader)，其用于读/写标签中存储的信息，可为手持式或固定式，其中RFID系统中通常包括一个阅读器，其读取各个标签中存储的信息(有时还能向标签写入标签信息)，以实现对于各个标签所附着的物体的控制、检测或跟踪；这里，阅读器还可被称为询问器；
[0005]3、天线(Antenna)，其连接阅读器，用于在各个标签和阅读器间传递射频信号，以在阅读器和标签之间的传递信息。
[0006]目前，RFID技术的研究热点之一是单品(item-level)标签识别的应用，尤其是在零售业和制药业中的应用，比如:基于RFID的智能货架(Smart Shelves)或传送系统。用户使用连接货架或传送系统的RFID阅读器来获得放置于货架上或传送系统的货物信息。
[0007]近场(NF)超高频(UHF) RFID技术被主要应用在诸如智能货架或传送系统等单品级标签识别场景中。在NF UHF RFID【技术领域】，已提出了多种传输线天线(transmissionline antenna)结构以获得更大的读取区域。其中，传输线天线主要包括三种:微带线(microstrip transmission line)天线、共面波导(coplanar waveguide)天线和接地共面带线(grounded coplanar stripline)天线。在智能货架的应用场景中,传输线天线被放置在货架上，传输线天线长度可达到Im以上，带有标签的物品通常被放置在传输线天线上面。但是，传输线天线的电场在传输线天线上方约IOcm高处就开始出现几个很深的空洞，这将严重影响读取性能。以下给出了两种现有的微带线天线结构。
[0008]图1示出了一种微带线天线。如图1所示，该天线包括:基板(substrate)lOl、地平面(groundplane) 102、导带103、馈线104和匹配负载105。其中，XYZ坐标轴构成了三维的坐标系；地平面102位于基板101之下，其可以是基板101下表面的导电金属层；导带103设置在基板101上，沿X轴方向贯穿基板101，其可以是基板101上表面的导电金属层；基板101、地平面102和导带102构成微带线；微带线的一端连接馈线104以与阅读器相连；微带线的另一端连接匹配负载105，这样电磁波在微带线上以行波传输，具有很宽的带宽和很低的远场增益。关于微带线与馈线104和匹配负载105的具体连接方式属现有技术范畴，本文对此不做描述。该天线工作时，标签位于天线的上方(即XZ轴平面的上方)。当此微带线天线应用在智能货架中时，此微带线天线被平放在货架上，基板101沿X轴的长度可以与货架沿X轴的长度相同或相近，带有标签的物品放在此微带线天线上，当此物品在读取距离以内时，此微带线天线的电场可以覆盖到此物品所带的标签，因而阅读器能够阅读到此标签的信息。
[0009]图1示出的导带103为矩形，其沿直线贯穿基板101。图2示出了另一种微带线天线，该微带线天线包括:基板201、地平面202、导带203、馈线204和匹配负载205，其与图1所示的微带线天线相似，不同之处在于导带203的形状。如图2所示，导带203宽度不变且呈迂回曲折形，沿X轴迂回曲折的贯穿基板201。
[0010]然而，图1和图2示出的这两种微带线天线的电场分布都存在问题。这两种微带线天线的电场中都存在较多的读取空洞，导致其读取距离不够大(即天线在Y轴方向所能辐射的无空洞区域的最大高度)。
[0011 ] 综上所述，RFID系统目前需要一种传输线天线，其有足够长的有效读取距离(即在该读取距离内不存在空洞)以保证天线的读取性能。

【发明内容】

[0012]为解决上述问题，本发明提出了一种射频识别系统中的传输线天线，其能减少读取空洞以获得足够长的读取距离。
[0013]本发明提出的射频识别系统中的传输线天线，其包括基板和导带，其中所述导带设置在所述基板上，所述基板和所述导带构成传输线；所述导带的宽度从导带的中间区域向两侧逐渐减小，以减少天线辐射的电场中的读取空洞，进而提高读取距离。
[0014]优选，所述天线相对于中间区域是对称的，这样可以进一步减少空洞，同时天线的尺寸设计也更简单。
[0015]在依据本发明一实施例的传输线天线中，进一步包括:馈线和匹配负载；所述传输线的一端连接所述馈线，另一端连接所述匹配负载。该种天线适用于独立使用，可减少读取空洞、提高读取距离。
[0016]在依据本发明一实施例的传输线天线中，上述天线的两端包括用于与其它天线级联的两个端口。该种天线适用于多个天线级联的应用场景，可减少读取空洞、提高读取距离。
[0017]在依据本发明一实施例的传输线天线中，进一步包括:地平面；所述地平面位于所述基板之下且覆盖整个基板。采用地平面，可完全防止天线电磁波的向下辐射，从而使向上的辐射信号更强。
[0018]在依据本发明一实施例的传输线天线中，所述导带由多个导带片段拼接而成。采用此种方案，通过设计各个导带片段的尺寸可以减少读取空洞以使读取距离足够大，并且加工工艺简单，更易于设计导带的尺寸。
[0019]在依据本发明一实施例的传输线天线中，所述导带由多个导带片段拼接而成，中间位置的导带片段的长度和宽度最大。采用此种方案，加工工艺简单，更易于设计导带的尺寸。
[0020]在依据本发明一实施例的传输线天线中，每两个相邻导带片段的相邻边界是平行的。采用此种方案，导带片段的尺寸设计会更为简单，摆放方式也更为简单，因此实现起来更为容易。优选，所述导带片段为平行四边形。此种导带片段的尺寸设计会相对简单。
[0021]在依据本发明一实施例的传输线天线中，所述导带为一体的带体。采用此种方案，导带宽度的过渡更为平滑，所以反射更小。
[0022]依据本发明实施例的传输线天线可以为包括一条上述任一种导带的微带线天线，或者为包括两条上述任一种导带的接地共面带线天线。
[0023]优选上述导带片段的特性阻抗相同。采用此种方案，各个特性阻抗相同的导带片段之间不会产生反射电流，可以获得更宽的带宽。
[0024]采用本发明所提供的传输线天线，在诸如智能货架或传送系统等射频识别系统的应用场景中，可以减少传输线天线所辐射出的电场的读取空洞，以保证足够长度的读取距离。
【专利附图】

【附图说明】
[0025]下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中:
[0026]图1为现有技术中的一种微带线天线的结构示意图；
[0027]图2为现有技术中的另一种微带线天线的结构示意图；
[0028]图3为本发明人提出的一种共面带线天线的结构示意图；
[0029]图4为图3所示共面带线天线的电场分布示意图；
[0030]图5为依据本发明一实施例的共面带线天线的结构示意图；
[0031]图6为图5所示共面带线天线的电场分布示意图；
[0032]图7为图5所示共面带线天线的Sll性能的仿真结果示意图；
[0033]图8为依据本发明另一实施例的共面带线天线的结构示意图；
[0034]图9为依据本发明另一实施例的微带线天线的结构示意图。
【具体实施方式】
[0035]下文将以明确易懂的方式通过对优选实施例的说明并结合附图来对本发明上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
[0036]针对前述现有技术中存在的问题，本发明人做了进一步实验研究，提出了一种接地共面带线天线，如图3所示。图3示出了一种80cm长的接地共面带线天线，其至少包括:基板301、地平面302和两条导带303，其中，XYZ坐标轴构成了三维的坐标系，基板301、地平面302和两条导带302构成接地共面带线；接地共面带线的一端连接馈线以与阅读器相连；接地共面带线的另一端连接匹配负载；图3中未能示出的诸如馈线、匹配负载等其它组成部分，属现有技术范畴，这里不做描述。从图3中可以看出这两条导带303主体部分的宽度保持不变。
[0037]采用图3所示的天线结构，可以显著增强读取距离，但是其电场中还是存在若干读取空洞。图4示出了经过仿真实验所得到的图3所示共面带线天线在XY轴平面上电场分布示意图。如图4所示，图3所示的共面带线天线沿Y轴方向辐射的范围可以达到1.3m,但是其电场分布不够均匀，在基板301上方0.1m处就出现了几个很深的读取空洞，其读取距离只能达到0.lm。[0038]基于以上实验研究，本发明设计出了一种传输线天线，其能够辐射出均匀的电场，从而减少图4中示出的读取空洞，保证足够长的读取距离。其中，导带的宽度是从中间区域向两侧逐渐减小的，这样能够减少天线辐射的电场中的读取空洞，进而提高读取距离。
[0039]在本发明提出的传输线天线中，导带的宽度从中间区域向两侧是逐渐变小的，可以把导带视为若干片段，中间区域的导带片段宽度最大。本领域技术人员可以理解，在保持一定特性阻抗的情况下，随着导带的宽度和长度的增加，更多的电能将向外泄露，使得导带辐射的电场增强。这样，具有最大宽度的导带片段向外辐射的电场强度最强(即所辐射的电磁波幅值最大)，而分布在这个宽度最大的导带片段两侧的各个导带片段所辐射的电场强度随其宽度的减小而减弱(即所辐射的电磁波的幅值减小)。也就是说，本发明提出的这种传输线天线结构中，具有最大宽度的导带片段所辐射的电场最强，而该导带片段两侧的导带片段所辐射的电场逐渐减弱。由于本发明提供的传输线天线中，不同宽度的导带片段产生的电磁波振幅差别较大，这样在电磁波叠加的时候电磁波不会完全抵消，这样就会减少电场中的读取空洞。
[0040]本发明提出的传输线天线可进一步包括:馈线和匹配负载；传输线的一端连接馈线而另一端连接匹配负载。该种天线适用于独立使用，可减少读取空洞、提高读取距离。
[0041]本发明提出的传输线天线进一步包括用于与其它天线级联的两个端口。该种天线适用于多个天线级联的应用场景，可减少读取空洞、提高读取距离。
[0042]本发明提出的传输线天线可进一步包括:地平面，其位于基板之下且覆盖整个基板。采用地平面，可完全防止天线电磁波的向下辐射，从而使向上的辐射信号更强。
[0043]在本发明实施例提供的一种传输线天线中，所述导带包括多个导带片段，其中，位于中间区域的导带片段的宽度最大，从所述中间区域的导带片段到所述导带的两端之间的各个导带片段的宽度逐渐变小。采用此种方案，可以减少电场中的读取空洞，甚至于消除读取空洞，以获得足够的读取距离，并且加工工艺简单，更易于设计导带的尺寸。这些导带片段的特性阻抗可以相同也可以不同，优选的，通过设计各个导带片段的尺寸(包括宽度和间距)可以使各个导带片段具有相同的特性阻抗，进而每两个相邻的导带片段之间的边界部分(如5024)不会出现反射电流。
[0044]本发明提出的传输线天线包括两种:接地共面带线天线和微带线天线。图5示出了依据本发明一实施例的接地共面带线天线的示意图。图5示出了该接地共面带线天线的XZ轴平面，其中包括:基板501和两条导带502。在此实施例中，整个传输线天线的尺寸为932mmX 120mmX 21.5mm0每条导带被分成20个片段。中间的导带片段的宽度为24.5mm,两条导带上两个中间的导带片段之间的间距为45mm。传输线的特征阻抗为200欧姆(B卩，每个导带片段的特性阻抗都是200欧姆)，匹配负载的阻抗为50欧姆。巴伦的阻抗比为1:4。图5中未示出诸如地平面、馈线、匹配负载等其它组成部分，这些部件及其连接关系都是一般的技术人员根据现有技术很容易就能得知的的，这里不做描述。本发明实施例对这两条导带502的结构做了改进，如图5所示，每条导带502由二十个顺序摆放的具有相同特性阻抗的四边形导带片段组成，即每个导带片段的特性阻抗为200欧姆，其中，中间的导带片段5021的宽度和长度均最大，从此中间的导带片段5021到任一端的导带片段5022或5023之间的各个导带片段的宽度逐渐减小。通过设计各个导带片段的尺寸可以使各个导带片段具有相同的特性阻抗，进而每两个相邻的导带片段之间的边界部分(如5024)不会出现反射电流。这里，四边形的导带片段可以为平行四边形(例如矩形、梯形)等各种形状，所述的宽度指沿Z轴方向的距离，所述长度指沿X轴方向的距离。
[0045]图6示出了经过仿真实验所得到的图5所示共面带线天线在XY轴平面上电场分布示意图。如图6所示，图5所示的共面带线天线沿Y轴方向的读取距离可以达到70cm以上，并且电场分布均匀，在基板501上方70cm处还未出现读取空洞。这里，通过设计中间的导带片段的尺寸使其宽度和长度足够大，可以使天线具有足够长的读取距离，甚至于能够减小甚至消除消除电场中的读取空洞。可为传输线天线中的各个导带片段设计一定尺寸，通过仿真实验(比如通过类似图6的仿真图)来判断具有这种尺寸的导带片段的天线是否能够减少读取空洞。
[0046]图7为图5所示共面带线天线的Sll性能的仿真结果示意图。本领域技术人员可以知道，Sll是S参数中的一个，表示回波损耗特性，一般通过网络分析仪来看其损耗的dB值和阻抗特性，此Sll参数用来评价天线的发射效率，其值越大，表示天线本身反射回来的能量越大，这样天线的效率就越差。从图7中可以看到，即使当Sll参数为最大值_20dB时(即天线效率最差时)，天线的带宽也可达到800MHz?1000MHz(高于200MHz的基本要求)。这说明，图5所示的共面带线天线的带宽完全可以满足要求。
[0047]此外，通过仿真得到图5所示接地共面带线的远场增益，其最大远场增益仅有_5dBi，显然，此种接地共面带线天线特别适合用于近场的应用场景，比如基于RFID的智能货架和传送系统。
[0048]基于图5所示接地共面带线天线的实现原理，本发明还提出了另一种接地共面带线天线的实施例，如图8所示。图8所示的接地共面带线包括基板801、两条导带802。图8中未示出的诸如地平面、馈线、匹配负载等其它组成部分，属现有技术范畴，这里不做描述。图8所示的天线结构与图5所示的天线结构的不同之处在于，这两条导带802并非由多个四边形的导带片段构成，而是宽度渐变且边缘平滑的完整的两条导带，其中，每条导带802的中间部分宽度最大，而从此中间部分到任一端8021或8022之间的部分的宽度是逐渐减小的。通过设计每条导带802中各个部分的尺寸，可以使每条导带802可以被划分为具有相同的特性阻抗若干部分，并且从中间部分到任一端8021或8022之间的这些部分所辐射的电场强度是逐渐减弱的，进而能够减少电场中的空洞，获得比较均匀的电场分布。这里，所述的宽度指沿Z轴方向的宽度，所述长度指沿X轴方向的长度。
[0049]在本发明实施例提供的传输线天线中，导带片段可以为各种形状，优选的，为诸如矩形、梯形的平行四边形等四边形。这样，导带片段的尺寸设计会相对简单。
[0050]优选的，每两个相邻导带片段的相邻边界是平行的。采用此种方案导带片段的尺寸设计会更为简单，摆放方式也更为简单，因此实现起来更为容易。
[0051]在本发明实施例提供的传输线天线中，上述导带可以由多个导带片段拼接而成(比如，由多个导电金属片拼接而成)，也可以为一条一体而不分段的导带(比如，为一条一体完整的导带金属片)。此完整的导带的边缘可以是平滑曲线，也可以是非平滑的折线。采用此种方案，导带宽度的过渡更为平滑，所以反射更小。
[0052]在本发明实施例所提供的各种传输线天线中，导带可以为对称形状，也可以为非对称形状，所谓导带为对称形状是指，导带为轴对称形状。比如，在导带沿X轴方向的长度的中点处做一条沿Z轴方向的直线，导带是以该直线为对称轴的对称形状；或者，在导带沿Z轴方向的长度的中点处做一条沿X轴方向的直线，导带是以该直线为对称轴的对称形状。
[0053]基于以上实施例，本发明还提出了一种微带线天线的实施例。如图9所示，该微带线天线包括:基板901和一条导带902。图9中未示出诸如地平面、馈线、匹配负载等其它组成部分，这些部件及其连接关系都是一般的技术人员根据现有技术很容易就能得知的的，这里不做描述。图9所示的微带线天线与图1所示的微带线天线的区别在于导带的结构。如图9所示，导带902由若干矩形的导带片段组成，其中，中间的导带片段9021的宽度和长度均最大，从此中间的导带片段9021到任一端9022或9023之间的各个导带片段的宽度逐渐减小。通过设计各个导带片段的尺寸可以获得均匀分布的辐射电场。这里，通过设计中间的导带片段9021的尺寸使其宽度和长度足够大，可以使天线具有足够长的有效读取距离。导带片段的形状不限于矩形，还可以为梯形、平行四边形等各种四边形，所述的宽度指沿Z轴方向的宽度，所述长度指沿X轴方向的长度。
[0054]基于图9所示微带线天线的实现原理，本发明还提出了另一种微带线天线的实施例，该实施例的天线结构与图9所示的天线结构的不同之处在于，导带并非由多个导带片段构成，而是宽度渐变且边缘平滑的完整的一条导带，其中，导带的中间部分宽度最大(即宽部分)，而从此中间部分到导带任一端之间的部分的宽度是逐渐减小的。通过设计导带中各个部分的尺寸，使得导带可以被划分为具有相同的特性阻抗若干部分，并且从中间部分到任一端之间的这些部分所辐射的电场强度是逐渐减弱的，进而能够减少读取空洞。
[0055]上文通过附图和优选实施例对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施例，本领域技术人员从中推导出来的其它方案也在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.用于射频识别的传输线天线，其包括基板(101，201，301，501，801，901)和导带(502，802，902)，其中所述导带(502，802，902)设置在所述基板(101，201，301，501，801，901)上，所述基板(101，201，301，501，801，901)和所述导带(502,802,902)构成传输线；所述导带(502，802，902)的宽度从导带(502，802，902)的中间区域向两侧逐渐减小，以减少天线辐射的电场中的读取空洞。
2.根据权利要求1所述的天线，进一步包括馈线(104，204)和匹配负载(105，205)，所述传输线的一端连接所述馈线(104，204)，另一端连接所述匹配负载(105，205)。
3.根据权利要求1所述的天线，该天线的两端包括用于与其它天线级联的端口。
4.根据权利要求1所述的天线，进一步包括地平面(102，202，302);所述地平面(102，202,302)位于所述基板(101，201，301，501，801，901)之下，且覆盖整个基板(101，201，301,501,801,901)。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的传输线天线，其中，所述传输线为包括一条所述导带(902)的微带线，或者为包括两条所述导带(502，802)的接地共面带线。
6.根据权利要求1至4任一项所述的传输线天线，其中，所述导带(802)为一体的带体。
7.根据权利要求1至4任一项所述的传输线天线，其中，所述导带(502，902)由多个导带片段拼接而成。
8.根据权利要求7所述的传输线天线，其中，中间位置的导带片段的长度和宽度均最大。
9.根据权利要求7所述的传输线天线，其中，每两个相邻导带片段的相邻边界(5024)是平行的。
10.根据权利要求9所述的传输线天线，其中，所述导带片段为平行四边形。
11.根据权利要求7所述的传输线天线，其中所述多个导带片段的特性阻抗相同。
【文档编号】H01Q13/08GK103715496SQ201210371297
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年9月28日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】吴昌英, 袁勇, 喻丹 申请人:西门子公司