超帶寬可集成讀寫器電路模塊的uhf頻段rfid讀寫器天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，該讀寫器天線包括基板材料、平面天線、共面波導(dǎo)、串聯(lián)匹配電感、對地并聯(lián)匹配電容和UHF頻段RFID讀寫器電路模塊，其中:平面天線在基板材料的上表面，UHF讀寫器電路模塊及共面波導(dǎo)在基板材料的下表面，在上下表面印刷部件通過第一導(dǎo)電通孔實現(xiàn)電氣連接;UHF頻段RFID讀寫器電路模塊與平面天線共地，通過基板材料上的第二導(dǎo)電通孔實現(xiàn)共地連接，并且二者通過共面波導(dǎo)實現(xiàn)連接和饋電。與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供的讀寫器天線具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、工作帶寬大、制造成本低、加工一致性高等特點。
【專利說明】超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中射頻識別(Rad1 Frequency Identificat1n,簡稱RFID)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線。

【背景技術(shù)】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是繼互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后，未來信息技術(shù)發(fā)展的重要方向。射頻識別(Rad1 Frequency Identif icat1n,簡稱RFID)技術(shù)則是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一。RFID技術(shù)是利用無線信號進(jìn)行非接觸的雙向通信，可以自動識別目標(biāo)，獲取目標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)和信息的技術(shù)。它在人類日常生活有廣泛應(yīng)用，可用于金融系統(tǒng)的身份識別、大型超市和倉庫的物品管理、交通運輸系統(tǒng)車輛監(jiān)控、工業(yè)生產(chǎn)中的安全盟控和供應(yīng)鏈管理、醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)信息管理、圖書檔案管理及軍事防御等諸多領(lǐng)域，可以極大的提高人類生產(chǎn)和生活的便捷性、安全性和效率，對中國建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會亦有極大的推動作用。
[0003]依據(jù)技術(shù)類型不同，工作距離在幾十厘米到幾十米范圍內(nèi)RFID系統(tǒng)可以工作在不同的頻率，按照工作頻率可以分為低頻(LF，125?135KHz)、高頻(HF，13.56MHz)、超高頻(UHF，840?960MHz)和微波(MW，2.4?2.5GHz)等系統(tǒng)。LF和HF頻段RFID技術(shù)均采用近場工作原理，當(dāng)前已經(jīng)比較成熟，在日常生活中，各種門卡、銀行卡、公交卡等都是其具體應(yīng)用，但由于近場電磁儲能衰減很快，其讀寫區(qū)域和距離不大，通常在幾十厘米的范圍內(nèi)。
[0004]UHF頻段RFID系統(tǒng)依據(jù)各國標(biāo)準(zhǔn)不同，其工作頻率主要分布在840?960MHz范圍，對應(yīng)工作波長在33cm左右，讀寫器天線的尺寸通常在十幾到幾十厘米量級或更大，讀寫器天線的尺寸從根本上決定了整個讀寫器系統(tǒng)的尺寸。
[0005]由于各國在UHF頻段下，RFID系統(tǒng)的工作頻率不同，約在840?960MHz范圍內(nèi)。通過設(shè)計高帶寬的讀寫器天線，滿足各國的頻率標(biāo)準(zhǔn)，可以有效提高天線的通用性、便捷性，降低天線的制作和轉(zhuǎn)換成本。因而高帶寬、通用讀寫器天線設(shè)計也是國際上的研究熱點之
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一 )要解決的技術(shù)問題
[0007]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，以實現(xiàn)天線小型化并覆蓋目前國際上的整個UHF頻段。
[0008]( 二 )技術(shù)方案
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，該讀寫器天線包括基板材料1、平面天線2、共面波導(dǎo)3、串聯(lián)匹配電感4、對地并聯(lián)匹配電容5和UHF頻段RFID讀寫器電路模塊6，其中:平面天線2在基板材料I的上表面，UHF讀寫器電路模塊6及共面波導(dǎo)3在基板材料I的下表面，在上下表面印刷部件通過第一導(dǎo)電通孑L7實現(xiàn)電氣連接;UHF頻段RFID讀寫器電路模塊6與平面天線2共地，通過基板材料I上的第二導(dǎo)電通孔7’實現(xiàn)共地連接，并且二者通過共面波導(dǎo)3實現(xiàn)連接和饋電。
[0010]上述方案中，所述平面天線2是由倒F型天線經(jīng)由多次平面構(gòu)型增加天線諧振長度后演變而來。
[0011]上述方案中，通過在倒F型天線的地平面邊沿添加直角折形微帶線，增加天線的諧振長度。通過在倒F型天線的地平面開矩形縫隙，在天線地平面邊沿形成了微帶線，進(jìn)一步增加了天線的諧振長度。
[0012]上述方案中，通過在倒F原型天線的末端添加微帶線并與直角折形微帶線構(gòu)成縫隙電容耦合；亦或通過縫隙間焊接集總電容元件，進(jìn)一步增加耦合強度。通過在微帶線上開矩形縫隙，提高天線的極化特性。
[0013]上述方案中，通過在天線上加載并聯(lián)對地的叉指電容和串聯(lián)折線電感，實現(xiàn)天線的精確阻抗匹配。
[0014]上述方案中，所述共面波導(dǎo)3由中心信號線301和兩側(cè)地平面302、303構(gòu)成；所述UHF頻段RFID讀寫器電路模塊6經(jīng)由共面波導(dǎo)3的中心信號線301及第一導(dǎo)電通孔7與平面天線2連接，對平面天線2實現(xiàn)饋電；所述共面波導(dǎo)3兩側(cè)的地平面302、303則通過第二導(dǎo)電通孔V與平面天線2的地平面8連接。
[0015]上述方案中，所述串聯(lián)匹配電感4為折線型，所述對地并聯(lián)匹配電容5為叉指型，二者均通過印刷電路制作，用來實現(xiàn)對電感值、電容值的精確控制。對于串聯(lián)匹配電感4，是通過改變線長、線寬及折線單元數(shù)目來改變電感值的大??；對于對地匹配電容5，是通過改變叉指電容的間隙、長度、叉指單元數(shù)目來改變電容值的大小。
[0016](三)有益效果
[0017]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]1、針對目前UHF頻段RFID讀寫器天線尺寸較大的特點，本發(fā)明在倒F型天線的基礎(chǔ)上，通過平面構(gòu)型，在有限的面積內(nèi)增加整個天線的諧振長度，實現(xiàn)天線的小型化。
[0019]2、本發(fā)明提供的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，將UHF頻段RFID讀寫器電路模塊與天線集成在同一塊基板上，進(jìn)一步縮減了整個UHF頻段RFID讀寫器系統(tǒng)的體積；同時，該天線具有超帶寬特性，并覆蓋目前國際的整個UHF頻段840MHz ?960MHz。
[0020]3、本發(fā)明提供的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，通過加載并聯(lián)對地的叉指電容和串聯(lián)折線電感，實現(xiàn)天線的阻抗匹配，提高帶寬性能；此外，該超寬帶天線結(jié)構(gòu)，也可用于其它頻段的天線或陣列天線設(shè)計。
[0021]4、本發(fā)明提供的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，通過并聯(lián)叉指對地電容、串聯(lián)折線型電感進(jìn)行阻抗的精確匹配，拓展了天線的工作帶寬。
[0022]5、本發(fā)明提供的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，與現(xiàn)有技術(shù)比，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、工作帶寬大、制造成本低、加工一致性高等特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為依照本發(fā)明實施例的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為圖1所示讀寫器天線由倒F型天線結(jié)構(gòu)演變而來的說明圖；
[0025]圖3為圖1所示讀寫器天線在不同直角折線長度下的回波損耗圖；
[0026]圖4為圖1所示讀寫器天線在不同串聯(lián)匹配電感下的仿真回波損耗及工作帶寬；
[0027]圖5為圖1所示讀寫器天線的仿真三維增益圖；
[0028]圖6為圖1所示讀寫器天線的仿真結(jié)果與測量結(jié)果的比較示意圖。

【具體實施方式】
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0030]本發(fā)明提供的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，是由傳統(tǒng)的倒F型天線經(jīng)多次變形而來，其核心設(shè)計思路是通過天線的平面構(gòu)型，在有限的面積內(nèi)增加天線的諧振長度，從而降低工作頻率，其中，在所述天線的地平面的邊沿添加直角折形微帶線，增加整個天線的諧振長度；通過在倒F原型天線的末端，添加微帶線并與直角折形微帶線構(gòu)成縫隙電容耦合；亦或通過縫隙間焊接集總電容元件，進(jìn)一步增加耦合強度。在倒F原型天線的地平面上開鑿矩形縫隙，從而在天線地平面邊沿形成了微帶線，進(jìn)一步增加了天線的諧振長度。
[0031]在本發(fā)明提供的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線中，表面電流有相互垂直的兩個流向，通過在所述天線開槽所形成的微帶線上再次開鑿矩形縫隙，形成兩條微帶線，提高具有較弱表面電流的一個方向的表面電流強度，進(jìn)而提高天線的極化特性。
[0032]如圖1所示，圖1為依照本發(fā)明實施例的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線的結(jié)構(gòu)示意圖，該讀寫器天線包括基板材料1、平面天線2、共面波導(dǎo)3、串聯(lián)匹配電感4、對地并聯(lián)匹配電容5和UHF頻段RFID讀寫器電路模塊6，其中:平面天線2在基板材料I的上表面，UHF讀寫器電路模塊6及共面波導(dǎo)3在基板材料I的下表面，在上下表面印刷部件通過第一導(dǎo)電通孔7實現(xiàn)電氣連接;UHF頻段RFID讀寫器電路模塊6與平面天線2共地，通過基板材料I上的第二導(dǎo)電通孔V實現(xiàn)共地連接，并且二者通過共面波導(dǎo)3實現(xiàn)連接和饋電。
[0033]其中，平面天線2是由倒F型天線經(jīng)由多次平面構(gòu)型增加天線諧振長度后演變而來。通過在倒F型天線的地平面邊沿添加直角折形微帶線，增加天線的諧振長度。通過在倒F型天線的地平面開矩形縫隙，在天線地平面邊沿形成了微帶線，進(jìn)一步增加了天線的諧振長度。通過在倒F原型天線的末端添加微帶線并與直角折形微帶線構(gòu)成縫隙電容耦合；亦或通過縫隙間焊接集總電容元件，進(jìn)一步增加耦合強度。通過在微帶線上開矩形縫隙，提高天線的極化特性。通過在天線上加載并聯(lián)對地的叉指電容和串聯(lián)折線電感，實現(xiàn)天線的精確阻抗匹配。
[0034]共面波導(dǎo)3由中心信號線301和兩側(cè)地平面302、303構(gòu)成；所述UHF頻段RFID讀寫器電路模塊6經(jīng)由共面波導(dǎo)3的中心信號線301及第一導(dǎo)電通孔7與平面天線2連接，對平面天線2實現(xiàn)饋電；所述共面波導(dǎo)3兩側(cè)的地平面302、303則通過第二導(dǎo)電通孔7’與平面天線2的地平面8連接。
[0035]串聯(lián)匹配電感4為折線型，所述對地并聯(lián)匹配電容5為叉指型，二者均通過印刷電路制作，用來實現(xiàn)對電感值、電容值的精確控制。對于串聯(lián)匹配電感4，是通過改變線長、線寬及折線單元數(shù)目來改變電感值的大??；對于對地匹配電容5，是通過改變叉指電容的間隙、長度、叉指單元數(shù)目來改變電容值的大小。
[0036]再次參照圖1，圖1中實線表示基板材料I上表面印刷的部件，虛線則表示基板材料I下表面印刷的部件；在上下表面印刷部件需要電氣連接時，通過導(dǎo)電通孔實現(xiàn)；平面天線2在基板材料I的上表面，UHF讀寫器電路模塊6及共面波導(dǎo)3在基板材料I的下表面。
[0037]讀寫器電路模塊6通過共面波導(dǎo)3對平面天線2進(jìn)行饋電；共面波導(dǎo)3由中心信號線301和兩側(cè)地平面302和303組成；讀寫器電路模塊6經(jīng)由共面波導(dǎo)3的中心信號線301及通孔7與平面天線2連接，對平面天線2實現(xiàn)饋電；共面波導(dǎo)3兩側(cè)的地平面302和303則通過通孔V與平面天線2的地平面8連接。
[0038]串聯(lián)匹配電感4為折線型，對地并聯(lián)匹配電容5為叉指型，它們均通過印刷電路制作，可實現(xiàn)電感值、電容值的精確控制；對于串聯(lián)匹配電感4可通過改變線長、線寬及折線單元數(shù)目來改變電感值的大小；對于對地匹配電容5可通過改變叉指電容的間隙、長度、叉指單元數(shù)目來改變電容值的大小。
[0039]請結(jié)合圖2，本發(fā)明提供的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，可看成由傳統(tǒng)倒F型天線演變而來；圖2 (a)是傳統(tǒng)的倒F型天線，9是F型輻射單元，10是倒F型天線的地平面；在圖2(b)中，在地平面10’的右上邊緣添加直角折線型微帶線11，其在水平方向的長度為11’，微帶線11可增加天線的諧振長度；為了有效的實現(xiàn)對微帶線11部分的激勵，在原倒F型天線的末端9’添加微帶線12，使得微帶線12與微帶線11間形成縫隙電容耦合，微帶線13與微帶線11之間的間隙13可以改變耦合強度；必要情況下，也可在間隙13間添加集總電容13’，以增強電容耦合強度；圖2(c)是在圖2(b)的基礎(chǔ)上:通過在地平面10’上開鑿矩形框14，形成微帶線15，進(jìn)一步增加天線的諧振長度；圖2(d)是在圖2(c)的微帶線15上，開鑿矩形框16，形成另外一條微帶線17，以增強豎直方向的表面電流大小，從而達(dá)到增強天線極化特性的目的。在圖2(d)中，叉指電容18為叉指形，折線電感19為折線形，均通過印刷電路板制作，可優(yōu)化天線的阻抗匹配，滿足高帶寬要求。
[0040]圖3所示，是直角折線11的在不同長度11’情況下(對應(yīng)圖2(d)中天線結(jié)構(gòu)，但未添加用于阻抗匹配的叉指電容18、折線電感19)，天線回波損耗的仿真結(jié)果；圖3中曲線21、曲線22、曲線23分別對應(yīng)直角折線11的水平方向長度11’為40mm、30mm、20mm的仿真結(jié)果；可以發(fā)現(xiàn)，隨著長度11’的增加，天線的諧振頻率會降低，說明直角折線11的長度可以有效改變天線的工作頻率，該直角折線的平面構(gòu)型對于縮減天線尺寸是有效的。
[0041]圖4所示，是在對地并聯(lián)叉指匹配電容18固定、改變串聯(lián)匹配電感19情況下，天線的回波損耗；匹配電感19的電感值通過圖2(d)電感單元的長度20來調(diào)節(jié)；圖4中曲線24、曲線25、曲線26分別對應(yīng)電感長度20為3.5mm、4.0mm、4.5mm時的仿真結(jié)果；可發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)匹配元器件對天線的工作頻率、工作帶寬都有比較顯著的影響。因此，通過印刷電路技術(shù)，制作精確的匹配電容、匹配電感對天線的阻抗匹配很重要。
[0042]圖5所示，是本發(fā)明實施的測量結(jié)果與仿真結(jié)果，測量結(jié)果27與仿真結(jié)果28的帶寬范圍基本一致。在測量結(jié)果27中，在853MHz?874MHz的一段頻率范圍內(nèi)，回波損耗稍微超出-10dB，在859MHz處最高為_9.65dB。若不考慮在此小頻段范圍內(nèi)回波損耗超出_10dB，此天線在-1OdB回波損耗下的工作頻率范圍為:717MHz?1204MHz，帶寬為487MHz，以中心頻率計算相對工作帶寬約為:
[0043]2X (1024-717) / (1024+717)=55.9%
[0044]以25%以上的相對帶寬為超帶寬的定義，此天線完全滿足超帶寬要求。
[0045]圖6所示，是本發(fā)明實施例的天線仿真增益圖，圖中XYZ直角坐標(biāo)軸與圖1中直角坐標(biāo)軸對應(yīng)。主要輻射方向在X軸正半軸、Y軸負(fù)半軸所在區(qū)域，沿XY平面呈對稱結(jié)構(gòu)；最大輻射方向為XY平面內(nèi)315度方向(即與X軸正半軸、Y軸負(fù)半軸夾角均45度方向)，最大增益為2.8dBi。
[0046]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，其特征在于，該讀寫器天線包括基板材料(1)、平面天線(2)、共面波導(dǎo)(3)、串聯(lián)匹配電感(4)、對地并聯(lián)匹配電容(5)和UHF頻段RFID讀寫器電路模塊(6)，其中: 平面天線(2)在基板材料(1)的上表面，UHF讀寫器電路模塊(6)及共面波導(dǎo)(3)在基板材料(1)的下表面，在上下表面印刷部件通過第一導(dǎo)電通孔(7)實現(xiàn)電氣連接； UHF頻段RFID讀寫器電路模塊(6)與平面天線(2)共地，通過基板材料(1)上的第二導(dǎo)電通孔(7’ )實現(xiàn)共地連接，并且二者通過共面波導(dǎo)(3)實現(xiàn)連接和饋電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，其特征在于，所述平面天線(2)是由倒F型天線經(jīng)由多次平面構(gòu)型增加天線諧振長度后演變而來。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，其特征在于，通過在倒F型天線的地平面邊沿添加直角折形微帶線，增加天線的諧振長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，其特征在于，通過在倒F型天線的地平面開矩形縫隙，在天線地平面邊沿形成了微帶線，進(jìn)一步增加了天線的諧振長度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，其特征在于，通過在倒F原型天線的末端添加微帶線并與直角折形微帶線構(gòu)成縫隙電容耦合；或者通過縫隙間焊接集總電容元件，進(jìn)一步增加耦合強度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，其特征在于，通過在微帶線上開矩形縫隙，提高天線的極化特性。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，其特征在于，通過在天線上加載并聯(lián)對地的叉指電容和串聯(lián)折線電感，實現(xiàn)天線的精確阻抗匹配。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，其特征在于，所述共面波導(dǎo)(3)由中心信號線(301)和兩側(cè)地平面(302、303)構(gòu)成； 所述UHF頻段RFID讀寫器電路模塊(6)經(jīng)由共面波導(dǎo)(3)的中心信號線(301)及第一導(dǎo)電通孔(7)與平面天線(2)連接，對平面天線(2)實現(xiàn)饋電； 所述共面波導(dǎo)(3)兩側(cè)的地平面(302、303)則通過第二導(dǎo)電通孔(7’)與平面天線(2)的地平面8連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，其特征在于，所述串聯(lián)匹配電感(4)為折線型，所述對地并聯(lián)匹配電容(5)為叉指型，二者均通過印刷電路制作，用來實現(xiàn)對電感值、電容值的精確控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超帶寬可集成讀寫器電路模塊的UHF頻段RFID讀寫器天線，其特征在于， 對于串聯(lián)匹配電感(4)，是通過改變線長、線寬及折線單元數(shù)目來改變電感值的大??； 對于對地匹配電容(5)，是通過改變叉指電容的間隙、長度、叉指單元數(shù)目來改變電容值的大小。
【文檔編號】G06K17/00GK104466353SQ201310424436
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】楊勇, 張海英, 楊浩, 尹軍艦, 張俊 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所