一种基于深度亚波长开放式谐振器的近场通信天线装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于深度亚波长开放式谐振器的近场通信天线装置。包括上下排布的金属层、第一基板层、微带线、第二基板层与深度亚波长开放式谐振器，金属层覆盖在第一基板层底面，深度亚波长开放式谐振器覆盖在微带线正上方的第二基板层上，微带线的一端作为近场通信天线的输入端口，微带线的另一端通过金属化的过孔穿过第一基板层与金属层相连接，通过调整微带线的长度调节天线阻抗，实现阻抗匹配。本发明基于深度亚波长开放式谐振器，采用近场磁场耦合方式进行无线通信，可有效限制通信距离并减少周围环境对电磁场的扰动，从而提高射频识别通信的安全性和可靠性。
【专利说明】一种基于深度亚波长开放式谐振器的近场通信天线装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通信天线装置，尤其是涉及一种基于深度亚波长开放式谐振器的近场通信天线装置。
【背景技术】
[0002]传统的UHF RFID射频识别通信系统主要强调具有较远的标签识别读取距离，以满足高速公路ETC收费、货物集装箱盘点等应用场合远距离识读标签的需要，但在对安全性有较高要求的场合如门禁系统、移动支付等却需要将阅读器与标签的通信限制在较小的范围以防止对信息的截获或意外读取。目前已有的技术方法主要采用调节阅读器发射功率的方式来控制调节阅读器与标签的通信距离和采用定向天线控制电磁波束的宽度来限制通信范围，但是由于阅读器和标签的通信天线采用电磁波远场耦合的通信方式，加上电磁波传输环境的复杂性，通信所能覆盖的空间区域仍然难以得到有效限制，此外也不具备对标签可识别读取性的直接控制，因而射频识别信息的传输仍然容易被截获或意外读取，并且天线也容易受到周围环境对远场电磁波传播反射散射的扰动，因而影响到射频识别通信的安全与可靠。
【发明内容】
[0003]为克服目前UHF RFID天线不能有效的限定通信距离及易与外界环境耦合受到扰动因而影响通信安全性及可靠性的缺点，本发明的目的在于提供一种基于深度亚波长开放式谐振器的近场通信天线装置，可实现对通信距离的有效限制，并能减少周围环境对电磁场的扰动，从而提高UHF RFID通信的安全性和可靠性。
[0004]本发明采用的技术方案如下:
[0005]本发明包括上、下依次排布的金属层、第一基板层、微带线、第二基板层与深度亚波长开放式谐振器，金属层覆盖在第一基板层底面，深度亚波长开放式谐振器覆盖在微带线正上方的第二基板层上，微带线的一端作为近场通信天线的输入端口，微带线的另一端通过金属化的过孔穿过第一基板层与金属层相连接，通过调整微带线的长度调节天线阻抗，实现阻抗匹配。
[0006]所述的深度亚波长开放式谐振器包含有内环和外环。
[0007]所述的第一基板层或者第二基板层采用PCB板。
[0008]所述的微带线由金属在第一基板层上刻蚀形成。
[0009]所述的微带线的一端作为输入端口与RF连接器连接。
[0010]所述的深度亚波长开放式谐振器为金属开口谐振环(SRR)。
[0011]所述装置适用于UHF RFID近场通信。
[0012]本发明具有的有益效果是:
[0013]本发明基于深度亚波长开放式谐振器，采用近场磁场耦合方式进行无线通信，可有效限制通信距离并减少周围环境对电磁场的扰动，从而提高射频识别通信的安全性和可靠性。
[0014]本发明通过采用高Q值深度亚波长开放式谐振器实现近场磁场耦合通信以减少远场电磁波与周围环境散射反射相互作用所产生的扰动，采用微带线宽边耦合激励以实现强磁场耦合，并采用微带线短路分支以较小的尺寸实现天线的输入阻抗匹配从而提高通信信号强度，近场通信天线采用深度亚波长开放式谐振器设计，从而在受控距离范围内实现安全可靠的UHF RFID射频近场通信。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明天线装置的接收示意图。
[0016]图2是本发明各层结构示意图。
[0017]图3是图2的侧视图。
[0018]图4是图2的俯视图。
[0019]图5是本发明天线装置的等效电路图。
[0020]图中:1、天线装置，2、接收器，1.1、金属层，1.2、第一基板层，1.3、微带线，1.4、第二基板层，1.5、深度亚波长开放式谐振器。
【具体实施方式】
[0021 ] 下面结合附图对本发明实施方式进一步说明。
[0022]如图2和图3所示，本发明包括上、下依次排布的金属层1.1、第一基板层1.2、微带线1.3、第二基板层1.4与深度亚波长开放式谐振器1.5，金属层1.1覆盖在第一基板层
1.2底面，如图4所示，深度亚波长开放式谐振器1.5覆盖在微带线1.3正上方的第二基板层1.4中心，微带线1.3的一端作为近场通信天线的输入端口，微带线1.3的另一端通过金属化的过孔穿过第一基板层1.2与金属层1.1相连接，通过调整微带线1.3的长度调节天线阻抗，实现阻抗匹配，可适用于UHF RFID近场通信。
[0023]如图1所示，本发明在天线装置I与接收器2同轴，采用近场磁场耦合方式通信时，磁场谐振获得强耦合以有效传输通信信号。当接收器2与近场通信天线的天线拉开距离时，电磁场无法有效谐振耦合，所传输通信信号快速衰减，从而限定射频识别的识读距离范围以防止信息被截获或意外读取，从而提高了射频识别通信的安全性，另外由于天线能量主要以近场形式存在，远场辐射能量较弱，因而通信电磁场与周围环境为弱耦合关系，因而也不容易受到外界反射散射电磁波的扰动，提高了射频识别通信的可靠性。
[0024]如图4所示，优选地，深度亚波长开放式谐振器1.5采用金属开口谐振环SRR，包含有内环和外环。
[0025]第一基板层1.2或者第二基板层1.4采用PCB板。
[0026]微带线1.3由金属在第一基板层1.2上刻蚀形成。
[0027]微带线1.3的一端作为输入端口与RF连接器连接。
[0028]本发明总共有五层:
[0029]第一层为位于底层的金属层1.1用作天线的参考地平面。
[0030]第二层为采用介质材料的第一基板层1.2，其厚度会影响微带线1.3和深度亚波长开放式谐振器1.5的阻抗谐振特性，可通过电磁场仿真进行优化选择。
[0031]第三层为刻蚀金属后所形成的微带线1.3，微带线1.3的一端作为输入端口与RF连接器连接，微带线1.3的另一端通过金属化的过孔与金属层1.1相连接以实现接地。通过调整微带线1.3的长度，即微带线短路分支的长度，以调节天线的输入阻抗实现阻抗匹配。
[0032]第四层为采用介质材料的第二基板层1.4，其厚度会影响微带线1.3和深度亚波长开放式谐振器1.5的阻抗谐振特性，可通过电磁场仿真进行优化选择；
[0033]第五层为刻蚀金属后所形成的深度亚波长开放式谐振器1.5，可采用金属开口谐振环SRR，包含有内环和外环，其谐振频率及阻抗特性与内环外环的间隙、边长、宽度等参数有关，可通过电磁场仿真进行参数优化选择，使得天线阻抗在谐振频率处与近场通信天线的天线端口阻抗匹配。
[0034]本发明通过采用深度亚波长开放式谐振器实现近场磁场耦合通信，以减少远场电磁波与周围环境散射反射相互作用所产生的扰动，采用微带线耦合激励以实现强磁场耦合，并采用微带线短路分支以较小的尺寸实现天线的输入阻抗匹配从而提高通信信号强度，采用深度亚波长开放式谐振器的设计，从而在受控距离范围内实现安全可靠的UHFRFID射频近场通信。
[0035]如图5所示，本发明天线的等效电路，以SRR为例，天线的输入阻抗Zin可表示为:
[0036]Zin= l/[l/(l/j^Cg+ZSEE)+l/XL]
[0037]式中，Cg为微带线与SRR的耦合电容，Zsee为SRR的等效阻抗，可以表示为Zskk =Rsee+J ω LSEE+l/j ω Csee, Xl是微带线短路分支的等效阻抗,j表示虚数，ω表示谐振频率,Csee表示SRR的等效电容，Lsee表示SRR的等效电感，Rsee表示SRR的等效电阻。通过调节微带线与SRR的距离可以改变Cg大小，通过调节微带线短路分支长度可以调节的大小，从而调节天线的输入阻抗等于微带线的特征阻抗Ζ。以实现阻抗匹配，天线输入阻抗在不包含微带线短路分支时在SRR谐振频率处呈现容性，因此采用微带线短路分支从而以较小的尺寸对天线输入阻抗进行感抗补偿调谐，并通过选择合适的SRR尺寸参数，可以将SRR的谐振频率调整为天线的工作频率以实现最大的天线通信磁场激励。
[0038]本发明的实施例:
[0039]如图1和图4所示，实施例中的深度亚波长开放式谐振器采用开口谐振环(SRR)，第一基板层和第二基板层采用罗杰斯4350Β的基板，长度和宽度均为60mm，厚度为0.762mm，基板的介电常数为3.48，损耗为0.0037 ;金属层、微带线和SRR的厚度为0.0018mm,微带线的长度为48.5mm,宽度为1.74mm,特征阻抗为50欧姆，SRR的边长为14mm,内环和外环的宽度为1mm，内环与外环的间距为1mm。上述近场通信天线的谐振频率为1.773GHz，Q值为395，由此，本发明能够满足在受控距离范围内实现安全可靠的UHFRFID射频近场通信的要求，实现UHF RFID射频近场通信。
[0040]上述【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于深度亚波长开放式谐振器的近场通信天线装置，其特征在于:包括上、下依次排布的金属层(1.1)、第一基板层(1.2)、微带线(1.3)、第二基板层(1.4)与深度亚波长开放式谐振器(1.5)，金属层(1.1)覆盖在第一基板层(1.2)底面，深度亚波长开放式谐振器(1.5)覆盖在微带线(1.3)正上方的第二基板层(1.4)上，微带线(1.3)的一端作为近场通信天线的输入端口，微带线(1.3)的另一端通过金属化的过孔穿过第一基板层(1.2)与金属层(1.1)相连接，通过调整微带线(1.3)的长度调节天线阻抗，实现阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的一种基于深度亚波长开放式谐振器的近场通信天线装置，其特征在于:所述的深度亚波长开放式谐振器(1.5)包含有内环和外环。
3.根据权利要求1所述的一种基于深度亚波长开放式谐振器的近场通信天线装置，其特征在于:所述的第一基板层(1.2)或者第二基板层(1.4)采用PCB板。
4.根据权利要求1所述的一种基于深度亚波长开放式谐振器的近场通信天线装置，其特征在于:所述的微带线(1.3)由金属在第一基板层(1.2)上刻蚀形成。
5.根据权利要求1所述的一种基于深度亚波长开放式谐振器的近场通信天线装置，其特征在于:所述的微带线(1.3)的一端作为输入端口与RF连接器连接。
6.根据权利要求1或者2所述的一种基于深度亚波长开放式谐振器的近场通信天线装置，其特征在于:所述的深度亚波长开放式谐振器(1.5)为金属开口谐振环。
7.根据权利要求广5任一所述的一种基于深度亚波长开放式谐振器的近场通信天线装置，其特征在于:所述装置适用于UHF RFID近场通信。
【文档编号】H01Q1/50GK104409844SQ201410739942
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】董晶, 范志广, 冉立新 申请人:浙江大学