一种UHFRFID阅读器天线及切换方法与流程

本发明实施例涉及天线技术领域，具体涉及一种uhfrfid(超高频射频识别)阅读器天线及切换方法。

背景技术：

射频识别(radiofrequencyidentification，rfid)是一种通过射频信号自动识别目标对象，并快速地进行物品追踪和数据交换的自动识别技术。rfid技术无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，可同时识别多个标签，操作快捷方便，被广泛应用于仓储物流、图书管理、工业生产、交通、服装等领域。

图1为现有技术中rfid系统结构示意图，如图1所示，rfid系统主要由三部分组成：阅读器(reader)、标签(tag)和数据处理系统(processor)，阅读器包括控制模块、射频模块和阅读器天线(readerantenna)；标签包括标签天线和标签芯片。

目前，rfid有四个工作频段，分别是：低频(lf：135khz～134khz)、高频(hf：13.56mhz)、超高频(uhf：860～960mhz)和微波波段(2.4ghz和5.8ghz)。uhfrfid技术具有同时读取多个标签、可多次读写、数据容量大、标签成本低、体积小、使用方便、可靠性和寿命高等特点，得到了广泛地应用。

uhf频段的标签天线大多采用偶极子天线形式，极化方向是线极化，为了识读各个极化方向的标签，传统的uhf阅读器天线通常采用圆极化天线，如四臂螺旋圆极化天线和微带圆极化天线等，其具有增益高，识读距离远等特点，通常可达10米。但其在近场区域(30cm以内)能量分布集中或不均匀，导致识读覆盖区域小或存在识读盲区，使uhf频段在近场或近场、远场均存在的场景的rfid应用中受到限制。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种uhfrfid阅读器天线及切换方法。

第一方面，本发明实施例提供一种uhfrfid阅读器天线，包括：n条传输线、n个相同的天线振子和射频开关；

所述n条传输线分布在印制电路板正面，且每条传输线的特性阻抗与uhfrfid阅读器天线的输入阻抗相同，其中，n为大于1的整数；

所述n个天线振子中的m个天线振子均匀分布在印制电路板正面，所述m个天线振子的馈电端与所述n条传输线中的m条传输线的一端相连接，所述m个天线振子的接地端与所述印制电路板正面的参考接地端相连接以形成m个馈电网络，其中m为小于n的整数；

所述n个天线振子中的其余n-m个天线振子均匀分布在印制电路板反面，所述其余n-m个天线振子的馈电端与所述n条传输线中的其余n-m条传输线的一端相连接，所述其余n-m个天线振子的接地端与所述印制电路板正面的参考接地端相连接以形成另外n-m个馈电网络，其中，所述m个天线振子和所述其余n-m个天线振子交叉排列；

所述射频开关分别与所述n条传输线的另一端和uhfrfid阅读器的控制模块相连接，所述射频开关在所述控制模块的控制下，将所述uhfrfid阅读器天线切换至n个馈电网络的中的其中一种馈电网络模式。

如上述天线，可选地，所述射频开关包括：射频输入端口、n个射频输出端口和p个直流输入端口；

所述射频输入端口与uhfrfid阅读器的射频模块相连接；

所述n个射频输出端口分别与所述n个馈电网络相连接；

所述p个直流输入端口分别与所述阅读器的直流电源和所述uhfrfid阅读器的控制模块相连接，所述p个直流输入端口在所述控制模块的控制下，通过直流信号将所述uhfrfid阅读器天线切换至n个馈电网络的中的其中一种馈电网络模式；

其中，p＝roundup(log2n)，roundup为向上取整函数。

如上述天线，可选地，所述射频开关中的p个直流输入端口通过供电与断电切换形成n个开关模式，所述n个开关模式在所述控制模块的控制下，将所述uhfrfid阅读器天线切换至n个馈电网络的中的其中一种馈电网络模式。

如上述天线，可选地，所述p个直流输入端口均断电时，第一馈电网络连通；

所述p个直流输入端口中的第一个直流输入端口供电且其余p-1个直流输入端口均断电时，第二馈电网络连通；

所述p个直流输入端口均供电时，第n馈电网络连通。

如上述天线，可选地，所述传输线为微带传输线。

如上述天线，可选地，n＝2q，q为大于1的整数，且所述m个天线振子在所述印制电路板正面呈矩形排列，所述其余n-m个天线振子在所述印制电路板反面呈矩形排列。

如上述天线，可选地，n＝8，m＝4。

第二方面，本发明实施例提供一种uhfrfid阅读器天线切换方法，应用于如上所述的uhfrfid阅读器天线中，包括：

当需要读取标签天线的数据时，按预设频率切换所述射频开关连接至所述n个馈电网络中的其中一个馈电网络以读取所述标签天线的数据。

如上述方法，可选地，还包括：

若已经读取到所述标签天线的所有数据，则停止切换。

本发明实施例提供的uhfrfid阅读器天线及切换方法，在印制电路板的正面均匀分布n条特性阻抗与天线输入阻抗相同的传输线，分别在印制电路板的正面设置m个相同的天线振子，在反面设置n-m个天线振子，设置射频开关，正面的m个天线振子和m条传输线构成m个馈电网络，反面的n-m个天线振子和n-m条传输线构成n-m个馈电网络，射频开关控制切换天线进入n个馈电网络模式中的其中一组馈电网络模式。本发明实施例在保持uhfrfid识读距离远的特点的同时，在不增加成本和系统复杂度的情况下，增大了近场区域的识读覆盖面积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中rfid系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的uhfrfid阅读器天线的pcb板正面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的uhfrfid阅读器天线的pcb板反面结构示意图；

图4为本发明实施例提供的第一馈电网络的近场电场分布示意图；

图5为本发明实施例提供的第二馈电网络的近场电场分布示意图；

图6为本发明实施例提供的第三馈电网络的近场电场分布示意图；

图7为本发明实施例提供的第四馈电网络的近场电场分布示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了提高uhfrfid阅读器天线的近场覆盖面积，本发明实施例采取在印制电路板(printedcircuitboard，pcb)的正面(top)布置n条(n即可以为单数，也可以为双数)特性阻抗与阅读器天线输入阻抗相同的传输线，将n个相同的天线振子中的m个天线振子均匀分布在pcb的正面，将其余n-m个天线振子均匀分布在pcb的反面(bot)，在pcb的正面或反面设置射频开关，正面的m个天线振子和m条传输线形成m个馈电网络，反面的n-m个天线振子和位于正面的n-m条传输线形成n-m个馈电网络，射频开关控制切换天线进入n个馈电网络中的其中一个馈电网络模式。由于n组馈电网络的近场覆盖区域各不相同，因此通过切换馈电网络模式，提高了uhfrfid天线的近场覆盖区域。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图2为本发明实施例提供的uhfrfid阅读器天线的pcb板正面结构示意图，图3为本发明实施例提供的uhfrfid阅读器天线的pcb板反面结构示意图，如图2图3所示，uhfrfid阅读器天线包括：

n条传输线、n个相同的天线振子和射频开关；

所述n条传输线分布在印制电路板正面，且每条传输线的特性阻抗与uhfrfid阅读器天线的输入阻抗相同，其中，n为大于1的整数；

所述n个天线振子中的m个天线振子均匀分布在印制电路板正面，所述m个天线振子的馈电端与所述n条传输线中的m条传输线的一端相连接，所述m个天线振子的接地端与所述印制电路板正面的参考接地端相连接以形成m个馈电网络，其中m为小于n的整数；

所述n个天线振子中的其余n-m个天线振子均匀分布在印制电路板反面，所述其余n-m个天线振子的馈电端与所述n条传输线中的其余n-m条传输线的一端相连接，所述其余n-m个天线振子的接地端与所述印制电路板正面的参考接地端相连接以形成另外n-m个馈电网络，其中，所述m个天线振子和所述其余n-m个天线振子交叉排列；

所述射频开关分别与所述n条传输线的另一端和uhfrfid阅读器的控制模块相连接，所述射频开关在所述控制模块的控制下，将所述uhfrfid阅读器天线切换至n个馈电网络的中的其中一种馈电网络模式。

具体地，如图2所示，在pcb的top面均匀分布了n个相同的天线振子中的m个天线振子，这些天线振子均包括馈电端和接地端，天线振子的接地端与top面的参考接地端相连接，参考接地端可以采取在pcb的top面覆铜实现。在pcb的top面还设置有n条传输线，每条传输线的特性阻抗与阅读器天线的输入阻抗相同，以此实现能量最大化传输，例如，若天线的输入阻抗为50欧姆，则设置每条传输线的特性阻抗为50欧姆。m个天线振子的馈电端分别与m条传输线的一端相连接，传输线的另一端与位于pcb正面或pcb反面的射频开关相连接，m个天线振子和m条均匀分布的传输线在pcb正面形成m个馈电网络。

相似的，如图3所示，在pcb的top面均匀分布了n个特性阻抗与天线输入阻抗相同的传输线(在bot面以虚线表示)，在pcb的bot面均匀分布了n-m个天线振子，这些天线振子均包括馈电端和接地端，天线振子的接地端bop面的参考接地端相连接，参考接地端可以采取在pcb的bot面覆铜实现。天线振子的馈电端穿过pcb与top面的剩余n-m条传输线的一端相连接，传输线的另一端与位于pcb正面或pcb反面的射频开关相连接，n-m个天线振子和n-m条均匀分布的传输线在pcb正面形成n-m个馈电网络。值得注意的是，n组馈电网络中的天线振子交叉排列。

本发明实施例中通过射频开关控制n组馈电网络的切换，射频开关既可以布置在pcb正面也可以布置在pcb反面，本发明实施例对此不做限定。射频开关分别与n条传输线的另一端和uhfrfid阅读器的控制模块(图1中已示出)相连接，当控制模块控制射频开关连通某一条传输线时，该传输线所在的馈电网络连通，阅读器天线处于该馈电网络模式，由于阅读器天线具有n个馈电网络，且这n个馈电网络均匀分布在pcb的正面和反面，每个馈电网络的近场强区域各不相同，因此通过n组馈电模式的切换，能够提高阅读器天线的近场区域识读覆盖面积。本发明实施例提供的uhfrfid阅读器天线在保持uhfrfid识读距离远的特点的同时，在不增加成本和系统复杂度的情况下，增大了近场区域的识读覆盖面积及近场场强分布强度。

在上述实施例的基础上，进一步地，所述射频开关包括：射频输入端口、n个射频输出端口和p个直流输入端口；

所述射频输入端口与uhfrfid阅读器的射频模块相连接；

所述n个射频输出端口分别与所述n个馈电网络相连接；

所述p个直流输入端口分别与所述阅读器的直流电源和所述uhfrfid阅读器的控制模块相连接，所述p个直流输入端口在所述控制模块的控制下，通过直流信号将所述uhfrfid阅读器天线切换至n个馈电网络的中的其中一种馈电网络模式；

其中，p＝roundup(log2n)，roundup为向上取整函数。

所述射频开关中的p个直流输入端口通过供电与断电切换形成n个开关模式，所述n个开关模式在所述控制模块的控制下，将所述uhfrfid阅读器天线切换至n个馈电网络的中的其中一种馈电网络模式。

所述p个直流输入端口均断电时，第一馈电网络连通；

所述p个直流输入端口中的第一个直流输入端口供电且其余p-1个直流输入端口均断电时，第二馈电网络连通；

所述p个直流输入端口均供电时，第n馈电网络连通。

具体地，射频开关包括1个射频输入端口，n个射频输出端口和p个直流输入端口，其中p＝roundup(log2n)，roundup为向上取整函数。例如，8个天线振子，则设置射频开关包括3个直流输入端口，9个天线振子，则设置射频开关包括4个直流输入端口。射频开关的1个射频输入端口通过同轴馈线与阅读器的射频模块(图1中已示出)相连，射频开关的n个射频输出端口rf1至rfn分别与8条传输线连接，射频开关的p个直流输入端口v1至vp分别与阅读器的直流电源和阅读器的控制模块相连接，控制模块可以控制直流输入端口有无直流信号，p个直流输入端口通过供电与断电可形成2^p个开关模式从而可以通过直流信号控制n个馈电网络的切换。当p个直流输入端口均断电时，第一馈电网络连通；当p个直流输入端口中的第一个直流输入端口供电且其余p-1个直流输入端口均断电时，第二馈电网络连通，以此类推，当p个直流输入端口均供电时，第n馈电网络连通。

例如，当n＝8时，射频开关的射频输入端口通过同轴馈线与阅读器的射频端口相连；射频开关的八个射频输出端口rf1至rf8分别与8条传输线连接，射频开关的三个直流端口v1、v2和v3与直流电源和控制模块相连，控制模块控制v1、v2和v3都不供电时，rf1连通，rf2至rf8断开，形成模式1(0,0,0)，天线振子1工作，第一组馈电网络处于工作状态；v1供电，v2和v3不供电时，rf2连通，rf1，rf3至rf8断开，形成模式2(0,0,1)，天线振子2工作，第二组馈电网络处于工作状态；以此类推，v1、v2和v3都供电时，rf8连通，rf1至rf7断开，形成模式8(1,1,1)，天线振子8工作，第八组馈电网络处于工作状态。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述传输线为微带传输线。

进一步地，n＝2q，q为大于1的整数，且所述m个天线振子在所述印制电路板正面呈矩形排列，所述其余n-m个天线振子在所述印制电路板反面呈矩形排列。优选地，n＝8，m＝4。

具体地，可以通过微带传输线形成n条传输线，微带传输线是由支在介质基片上的单一导体带构成的微波传输线，调整微带传输线的长度即可实现微带传输线的特性阻抗与天线输入阻抗相同。进一步地，为了提高近场区域覆盖面积，可以设置双数个天线振子，例如，设置8个天线振子，pcb正面和pcb反面均匀布置4个天线振子，这4个天线振子在pcb的4个角成矩形排列。4个天线振子处于pcb正面，馈电端直接与top面的特性阻抗为50欧姆的传输线相连，接地端与top面参考接地端相连；另4个振子处于pcb反面，馈电端穿过pcb与top面的特性阻抗为50欧姆的传输线相连，接地端与bot面相连。当射频开关处于模式1(0，0，0)时，天线振子1处于工作状态；当射频开关处于模式2(0，0，1)时，天线振子2处于工作状态；当射频开关处于模式3(0，1，0)时，天线振子3处于工作状态；当射频开关处于模式4(0，1，1)时，天线振子4处于工作状态；当射频开关处于模式5(1，0，0)时，天线振子5处于工作状态；当射频开关处于模式6(1，0，1)时，天线振子6处于工作状态；当射频开关处于模式7(1，1，0)时，天线振7处于工作状态；当射频开关处于模式8(1，1，1)时，天线振子8处于工作状态。

图4-图7为本发明实施例提供的第一馈电网络至第四馈电网络的近场电场分布示意图，如图4-图7所示，灰度越深，表示电场越强，可以直观地看出，第一馈电网络至第四馈电网络的近场强区域各不相同，从而增大了uhfrfid阅读器天线的近场覆盖区域。

本发明实施例提供的uhfrfid阅读器天线，在保持uhfrfid识读距离远的特点的同时，在不增加成本和系统复杂度的情况下，增大了近场区域的识读覆盖面积及近场场强分布强度。

基于上述uhfrfid阅读器天线，本发明实施例还提供一种uhfrfid阅读器天线切换方法，包括：

当需要读取标签天线的数据时，按预设频率切换所述射频开关连接至所述n个馈电网络中的其中一个馈电网络以读取所述标签天线的数据。

若已经读取到所述标签天线的所有数据，则停止切换。

具体地，由于uhfrfid阅读器天线具有n组馈电网络，因此，当需要读取标签天线的数据时，可以通过控制模块控制射频开关切换不同的馈电网络进入工作状态，例如，可以按预设频率切换射频开关以使得第一馈电网络至第n馈电网络按预设频率切换，当已经读取到标签天线的所有数据时，则停止切换。其中，馈电网络的切换方法在上述装置实施例中已经阐述，此处不再赘述。本发明实施例提供的uhfrfid阅读器天线切换方法，通过切换n组馈电网络，在保持uhfrfid识读距离远的特点的同时，在不增加成本和系统复杂度的情况下，增大了近场区域的识读覆盖面积。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的各实施例技术方案的范围。