本发明涉及近场天线，特别是涉及一种具有群读性能的螺旋近场天线。
背景技术：
uhf频段的rfid应用场景已经非常丰富多样，其基本组成部分为：读写器，读写天线，标签，其基本工作流程为：读写器发出命令使读写天线发射电磁波，标签接受电磁波后反射包含标签信息的电磁波，读写天线接受包含标签信息的电磁波，读写器获取标签信息。由此实现非接触式的身份信息识别。
但是，传统的uhf频段rfid应用一般都用于远距离，低数量目标的识别；例如在1到10米范围内识别10个左右的目标；而当目标标签位于天线的近距离空间，例如天线表面时，往往会存在部分区域完全无法读取标签，这种区域被称为“近场盲点”；同时，即使对单一标签不存在近场盲点的传统天线，在目标数量较多时，也无法将目标完全读取，例如放置100个目标标签，传统天线可能只能读取其中的50个；这两种问题都导致一个共同的缺陷：对标签的群读能力差；除此之外，传统天线还存在可读区域边界控制不精准的问题，例如我们在传统天线表面放置了10个待测目标标签，但在天线周围1米范围内若还存在其他的2个非目标标签，则此时传统天线可能会读取到12个目标，这种缺陷被成为“误读控制不理想”。
以上两种传统天线的缺陷：群读能力差、误读控制不理想，都严重制约了uhf频段的rfid在多种场景下的应用；例如：珠宝数量盘点对群读性能要求极高，传统天线无法满足要求；无人超市结账台对误读控制要求极高，一位顾客结账时不能读取到后面顾客手里的商品，传统天线无法满足该要求；档案管理对群读和误读控制要求都极高，不能漏读档案，也不能误读到旁边的档案，传统天线无法满足该要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有群读性能的螺旋近场天线，使得近场天线群读标签的能力大幅增强，误读非读写区域标签的概率大幅减小。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有群读性能的螺旋近场天线，包括馈电层和螺旋天线层；所述馈电层包括馈电层介质基板、设置于馈电层介质基板上方的馈电电路和设置于馈电层介质基板下方的金属地板；所述螺旋天线层包括天线层介质基板和设置于天线层介质基板上方的螺旋金属电路；所述馈电电路包括至少一个馈电单元，所述螺旋金属电路包含至少一个四臂螺旋单元；每一个所述的馈电单元包括四个馈电端口，四个馈电端口分别输出相对相位为0度，90度，180度，270度的信号；所述馈电单元的馈电端口通过馈电铜柱与四臂螺旋单元进行连接。
优选地，所述馈电单元包括第一功分器、第二功分器和第三功分器；所述第一功分器的输入端接收输入信号，第一功分器的输出端通过两段等长的微带线分别连接第二功分器和第三功分器的输入端；第二功分器的输出端分别连接第一微带线、第二微带线；第三功分器的输出端分别连接第三微带线和第四微带线；所述第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线分别输出相对相位为0度，90度，180度，270度的信号，且该四条微带线的末端作为馈电单元的四个馈电端口。
所述第一功分器、第二功分器和第三功分器均为威尔金森功分器。
优选地，馈电电路包括一个以上的馈电单元时，输入信号经功分器组将功率进行平均分配后，通过等长的微带线连接各个馈电单元。所述功分器组包括一个或多个威尔金森功分器。
所述第一微带线、第二微带线、第三微带线和第四微带线之间的长度呈等差递变规律。
其中，所述四臂螺旋单元包括四条依次呈90度旋转对称关系的旋臂，四条旋臂的末端作为馈电点，分别通过馈电铜柱连接所述馈电单元的馈电端口。
优选地，所述四臂螺旋单元中的各条旋臂互不接触。
优选地，每一条所述旋臂由几条依次互相垂直且首尾相连的金属条带组合而成；各条金属条带长度不等，宽度相等。
优选地，当螺旋金属电路包括一个以上的四臂螺旋单元时，相邻四臂螺旋单元的旋向相反，且不同四臂螺旋单元中相邻的旋臂末端通过金属带线相连，且所述金属带线作为馈电点，通过馈电铜柱连接馈电单元的馈电端口。
本发明的有益效果是：相对于传统天线，本发明使得以电场和磁场的形式被束缚在天线周围的能量比例更大，以电磁波为载体辐射到远处空间的能量比例更小；使得天线近场的群读标签能力大幅增强，误读非读写区域标签的概率大幅减小。
附图说明
图1为本发明的螺旋近场天线整体结构示意图；
图2为馈电单元的结构示意图；
图3为多个馈电单元形成的相对相位的的馈电格子示意图；
图4为四臂螺旋单元的结构示意图；
图5为实施例二中螺旋金属电路的结构示意图；
图6为实施例二中馈电电路的结构示意图；
图7为实施例三中螺旋金属电路的结构示意图；
图8为实施例三中馈电电路的结构示意图。
图中，1-馈电层介质基板，2-馈电电路，3-天线层介质基板，4-螺旋金属电路，5-金属地板，6-馈电铜柱，7-馈电单元，8-四臂螺旋单元，7.1-第一功分器，7.2-第二功分器，7.3-第三功分器，7.4-第一微带线，7.5-第二微带线，7.6-第三微带线,7.7-第四微带线，8.1-旋臂，9-功分器组。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种具有群读性能的螺旋近场天线，包括馈电层和螺旋天线层；所述馈电层包括馈电层介质基板1、设置于馈电层介质基板1上方的馈电电路2和设置于馈电层介质基板1下方的金属地板5；所述螺旋天线层包括天线层介质基板3和设置于天线层介质基板3上方的螺旋金属电路4；所述馈电电路2包括至少一个馈电单元7，所述螺旋金属电路4包含至少一个四臂螺旋单元8；每一个所述的馈电单元7包括四个馈电端口，四个馈电端口分别输出相对相位为0度，90度，180度，270度的信号；所述馈电单元7的馈电端口通过馈电铜柱6与四臂螺旋单元8进行连接。
如图2所示，所述馈电单元7包括第一功分器7.1、第二功分器7.2和第三功分器7.3；所述第一功分器7.1的输入端接收输入信号，第一功分器7.1的输出端通过两段等长的微带线分别连接第二功分器7.2和第三功分器7.3的输入端；第二功分器7.2的输出端分别连接第一微带线7.4、第二微带线7.5；第三功分器7.3的输出端分别连接第三微带线7.6和第四微带线7.7；所述第一微带线7.4、第二微带线7.5、第三微带线7.6和第四微带线7.7分别输出相对相位为0度，90度，180度，270度的信号，且该四条微带线的末端作为馈电单元7的四个馈电端口。其中所述第一功分器7.1、第二功分器7.2和第三功分器7.3均为威尔金森功分器。
馈电电路2包括一个以上的馈电单元7时，输入信号经功分器组9将功率进行平均分配后，通过等长的微带线连接各个馈电单元7。所述功分器组9包括一个或多个威尔金森功分器。
如图3所示，所述四臂螺旋单元8包括四条依次呈90度旋转对称关系的旋臂8.1，四条旋臂8.1的末端作为馈电点，分别连接所述馈电单元7的馈电端口。所述四臂螺旋单元8中的各条旋臂8.1互不接触。每一条所述旋臂8.1由几条依次互相垂直且首尾相连的金属条带组合而成；且各条金属条带长度不等，宽度相等。
当螺旋金属电路4包括一个以上的四臂螺旋单元8时，相邻四臂螺旋单元8的旋向相反，且不同四臂螺旋单元8中相邻的旋臂8.1末端通过金属带线相连，且所述金属带线作为共同的馈电点连接馈电单元7的馈电端口。
在具体加工过程中，所述馈电层可由pcb制板工艺形成，馈电层介质基板1的两面均附有金属，上层金属通过pcb工艺进行蚀刻，形成相应微带线，并在相应位置焊接功分器以形成馈电电路2，馈电层介质基板1下层金属作为金属地板5。
所述的螺旋天线层，可由pcb制板工艺形成，天线层介质基板3上方附有金属；通过pcb工艺对天线层介质基板3上方的金属层进行蚀刻，以得到螺旋金属电路4；又或者，直接用钣金工艺加工螺旋金属电路4，无需天线层介质基板，直接将金属螺旋电路4以一定的固定方式固定在相同位置。
在本申请中，所述第一微带线7.4、第二微带线7.5、第三微带线7.6和第四微带线7.7之间的长度呈等差递变规律，（图2中，若按照由小至大的顺序进行排布，第一微带线7.4,第四微带线7.7,第三微带线7.6，第二微带线7.5依次呈等差排布），因此，在同一个馈电单元7中，各条微带线相位依次顺时针递增90度或逆时针递增90度，（图2中这种方式为逆时针递增90度）；即使改变四条微带线的绕线路径（只要保持两两线长递变相差90度相位）或者改变功分器组9的排布使得形状看起来完全不同，但实际上依然能够达到相应效果；当馈电电路2包括一个以上的馈电单元7时，相邻馈电单元的馈电旋向相反；最终形成如图3所示相对相位的馈电格子，并可根据实际需要只使用其中一部分或者扩充得更大。
在本申请的第一个实施例中，螺旋金属电路只包含一个图4所示的四臂螺旋单元8；此时馈电电路只包含一个图2所示的馈电单元7；螺旋金属电路8的四个旋臂8.1分别通过一个馈电铜柱6连接一个馈电单元7的馈电端口；此时，天线的馈电焊盘连接在馈电单元7中第一功分器7.1的输入端；能量通过第一功分器7.1输入后，第一功分器7.1将功率一分为二，再由第二功分器7.2和第三功分器7.3再对信号进行功率平分，得到4个功率相同的信号，经第一微带线7.4、第二微带线7.5、第三微带线7.6和第四微带线7.7，形成相对相位为0度，90度，180度，270度的信号，各条微带线末端作为馈电端口，通过馈电铜柱6将信号传输给四臂螺旋单元8，由四臂螺旋单元8进行信号传输。
如图5所示，在本申请的第二个实施例中，螺旋金属电路4包含三个四臂螺旋单元8，相邻的四臂螺旋单元8旋向相反（需要说明的是，四臂螺旋的旋向是指其几何形状，包括由外向内顺时针旋入和逆时针旋入两种）；并且，各四臂螺旋单元8中旋臂8.1的相邻末端连接在一起，作为共同的馈电点(如图4中的bceh四个馈电点)，故该实施例中，虽然包含三个四臂螺旋单元8，但实际只有八个馈电点；该实施例中，馈电电路2如图6所示，包括两个馈电单元7，且该实施例中功分器组9只包含一个威尔金森功分器，天线的馈电焊盘连接在该威尔金森功分器的输入端，通过威尔金森功分器对输入信号功率一分为二后，再送入两个馈电单元7中，由两个馈电单元7对信号进行处理，得到两组相对相位为0度，90度，180度，270度的信号；再通过馈电铜柱6传输给螺旋金属电路4的八个馈电点，由螺旋金属电路4中的四臂螺旋单元8进行信号传输；例如，abcd馈电点连接一个馈电单元中7的四个馈电端口，依次输入信号的相对相位为0度，90度，180度，270度；efgh馈电点连接另一个馈电单元7的四个馈电端口，依次输入信号的相对相位为0度，90度，180度，270度；就可以保证每一个四臂螺旋单元8中，各个旋臂8.1传输信号的相对相位依次为0度，90度，180度，270度。
如图7所示，在本申请的第三个实施例中，螺旋金属电路4包含九个四臂螺旋单元8，呈3*3排布，由于各四臂螺旋单元8中旋臂8.1的相邻末端连接在一起，作为共同的馈电点，故该实施例实际只有16个馈电点（如图中a~p）；该实施例中，馈电电路2如图8所示，包括四个馈电单元7，功分器组9包含三个威尔金森功分器，天线的馈电焊盘连接在其中一个威尔金森功分器的输入端，该威尔金森功分器的输出端连接功分器组9中的另外两个威尔金森功分器的输入端；使得功分器组可以获得四个相同功率的信号，分别送入四个馈电单元7的第一功分器7.1中，得到四组（每组四个）相对相位为0度，90度，180度，270度的信号，通过馈电铜柱6传输给螺旋金属电路4的馈电点，由螺旋金属电路4向外传输信号。
在本申请中，对于四臂螺旋单元8中任一条旋臂8.1而言，都是一端馈电，另一端悬空的状态；旋臂上的驻波分布呈波腹和波节交替状态，波腹点的电流强度以周期性规律变化，在一个周期内，由“正向最大”减小至“零”再增强至“负向最大”再减小至“零”；由于四臂螺旋单元8的旋臂8.1设计和物理空间位置排布，使得相邻的两条旋臂在相同位置一个为波腹，一个为波节；也就是说，在同一个四臂螺旋单元8中，通过几何结构实现了两臂相邻处电流相差为90度；同时我们又通过馈电结构的设计，各馈电单元7中微带线（第一微带线7.4、第二微带线7.5、第三微带线7.6和第四微带线7.7）之间的长度呈等差递变，使得两臂的电流相差再增加90度。最终使得两臂相邻处的电流相差为180度，即电流反向；由于这种良好的电流相位关系，使得电场和磁场被大量束缚在旋臂周围，只有少量辐射。因此，相比与传统天线，本发明使得以电场和磁场的形式被束缚在天线周围的能量比例更大，以电磁波为载体辐射到远处空间的能量比例更小；使得天线近场的群读标签能力大幅增强，误读非读写区域标签的概率大幅减小。经实验表明，本发明在天线口面范围内同时读取200个标签时，漏读率低于1%，且距天线口面5cm之外的标签不会被读取；由于螺旋单元数量可变，本发明可根据实际场景需要变更尺寸，选用不同个数的螺旋单元，调节整个天线的口面面积。