專(zhuān)利名稱(chēng)：一種覆蓋高頻和超高頻及微波頻段的rfid讀寫(xiě)器天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及覆蓋三頻段，高頻(HF)，超高頻(UHF)和微 波(MW)頻段的RFID讀寫(xiě)器天線技術(shù)。本發(fā)明更具體地涉及用于層疊平板(stacked patch)技術(shù)的天線。
技術(shù)背景隨著現(xiàn)代社會(huì)的日益進(jìn)步和信息管理領(lǐng)域的巨大需求，RFID技術(shù)己經(jīng)逐步 應(yīng)用到眾多行業(yè)，如物流與供應(yīng)鏈管理、防偽和安全控制、交通管理和控制、 生產(chǎn)管理等。在RFID系統(tǒng)中，天線在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過(guò)程中起關(guān)鍵作用，因此天 線設(shè)計(jì)是整個(gè)RFID系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵?，F(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展得很快，對(duì)天線技 術(shù)的要求也越來(lái)越高，寬頻帶或多頻帶的微帶貼片天線由于其輕重量、低輪廓、 制造簡(jiǎn)單、低成本、易共形等優(yōu)點(diǎn)，在蜂窩電話、全球定位系統(tǒng)(GPS)、合成孔 徑雷達(dá)(SAR )、個(gè)人移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)可參見(jiàn)2008年1月1日公告的美國(guó)專(zhuān)利第7， 315， 283 號(hào)，這個(gè)現(xiàn)有技術(shù)所揭示的雙頻天線是利用附加多個(gè)寄生貼片技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)UHF 從860MHz到930MHz和微波頻段從2. 45GHZ到2. 55GHz的工作，在微波頻段只 有4%的頻帶寬度。同時(shí)RFID系統(tǒng)有多個(gè)工作頻率，如13. 56MHz,915MHz,2. 45GHz 等。傳統(tǒng)的天線只能工作在單一頻段，應(yīng)用此種天線的讀寫(xiě)器只能讀取特定頻 段的標(biāo)簽，若要讀取工作于不同頻段的標(biāo)簽則需要多個(gè)讀寫(xiě)器，給應(yīng)用造成不 便，應(yīng)用上述微帶技術(shù)的天線實(shí)現(xiàn)雙頻工作的讀寫(xiě)器天線目前為止還是不多見(jiàn) 的，而可以工作于三個(gè)頻段的讀寫(xiě)器天線就更少見(jiàn)了。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種天線工作頻帶寬，易于調(diào)節(jié)匹配的RFID三頻段讀寫(xiě)器天線。
本發(fā)明采用邊緣開(kāi)槽技術(shù)與層疊貼片和縫隙饋電展寬工作帶寬技術(shù)相結(jié)合 的技術(shù)方案。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的， 一種覆蓋高頻(HF)和超高頻(UHF)及微波(MW) 頻段的RFID讀寫(xiě)器天線，包括
一輻射單元，該輻射單元由單面金屬介質(zhì)板1上的金屬構(gòu)成，其形狀可為正方 形、長(zhǎng)方形、圓形或者其它規(guī)則形狀，其大小小于介質(zhì)板l，位置在該介質(zhì)板的 中心處。在所述輻射單元開(kāi)兩組對(duì)稱(chēng)凹槽，凹槽的位置和尺寸控制天線的超高 頻(UHF)和微波(MW)工作頻率；
一接地板，該接地板位于雙面金屬介質(zhì)板2的一面，在中心位置處開(kāi)一個(gè)縫隙； 一空氣層，該空氣層位于介質(zhì)板1和2之間，通過(guò)調(diào)整空氣層厚度和縫隙大小 來(lái)調(diào)整天線工作帶寬；
一電磁耦合及饋電單元，該電磁耦合及饋電單元位于雙面金屬介質(zhì)板2的 另一面，由一個(gè)環(huán)形回路和一段雙分支微帶線組成。該環(huán)形回路可為正方形、 長(zhǎng)方形、圓形、橢圓形或其它形狀，依靠感應(yīng)磁場(chǎng)提供天線高頻段(HF)的工作 性能。并且利用四分之一阻抗變換器原理，使其在超高頻(UHF)和微波(MW) 頻段處于開(kāi)路狀態(tài)，天線分別在超高頻(UHF)和微波(MW)頻段保持良好的匹 配性能。每條微帶線的特性阻抗都是100Q，通過(guò)改變雙分支微帶線的長(zhǎng)度可控 制超高頻(UHF)和微波(MW)頻段的匹配性能。該電磁耦合及饋電單元作為該 三頻段RFID讀寫(xiě)器天線的電波信號(hào)的饋入端；
介質(zhì)板1和2可分別用介電常數(shù)為4. 5的FR4和2. 5的Teflon材料構(gòu)成， 但不局限于這兩種介質(zhì)板，改變介質(zhì)板的參數(shù)后可通過(guò)適當(dāng)改變天線輻射單元大小，空氣層厚度，接地板縫隙大小和耦合及饋電單元尺寸獲得可用天線性能。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種工作于高頻(HF)和超高頻(UHF)及微波(麗)頻段，用于 RFID系統(tǒng)讀寫(xiě)器的新型三頻貼片天線。該天線主要靠雙邊開(kāi)槽的輻射單元，空 氣層及接地板的縫隙，耦合及饋電單元的環(huán)形回路來(lái)實(shí)現(xiàn)三頻工作。其中接地 板的縫隙是由微帶線構(gòu)成，起耦合饋電的作用。輻射單元印刷在一層介質(zhì)板上。 空氣層位于兩層介質(zhì)板之間。接地板的縫隙及以下的耦合及饋電單元印刷在另 一層介質(zhì)板上。為了獲得超高頻(UHF)和微波(MW)頻段的工作性能，在輻射單元 開(kāi)一對(duì)對(duì)稱(chēng)凹槽控制超高頻(UHF)諧振頻率，沿其邊緣另一方向開(kāi)一對(duì)對(duì)稱(chēng)的凹 槽以控制微波(MW)諧振頻率。改變開(kāi)槽的尺寸可以控制超高頻(UHF)和微波(麗) 諧振頻率的頻率比。本發(fā)明需要適當(dāng)選擇接地板的縫隙尺寸及空氣層厚度來(lái)調(diào) 整天線工作帶寬。其優(yōu)點(diǎn)是在輻射單元上適當(dāng)開(kāi)槽即可設(shè)計(jì)出工作于超高頻 (UHF)和微波(MW)頻段的貼片天線，而且利用輻射單元與加載縫隙之間的耦合效 應(yīng)可以展寬天線的工作帶寬。為了獲得高頻(HF)的工作性能，在耦合及饋電單 元引入一個(gè)環(huán)形回路，依靠感應(yīng)磁場(chǎng)提供天線高頻段(HF)的工作性能。根據(jù)傳輸線理論，當(dāng)終端接特定長(zhǎng)度的傳輸線，比如四分之一波長(zhǎng)的時(shí)候， 可以實(shí)現(xiàn)阻抗倒置，即四分之一阻抗變換器。如下述公式所述<formula>formula see original document page 6</formula>經(jīng)過(guò)這種變化，可以得到當(dāng)Z^0時(shí)，Z, =oo。即四分之一阻抗變換器的 終端短路時(shí)，輸入端阻抗看過(guò)去為無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)幵路狀態(tài)，這一點(diǎn)可以幫助實(shí)現(xiàn)高頻(HF)線圈電磁耦合的工作模式而不影響超高頻(UHF)和微波(■)頻段的 匹配性能，從而實(shí)現(xiàn)一款天線的三頻段工作情況。環(huán)形回路一端與天線饋電端相連，另一端對(duì)地短路形成一個(gè)閉合的回路。 設(shè)計(jì)超高頻(UHF)頻段的工作波長(zhǎng)為;i。微波(麗)頻段的工作波長(zhǎng)為義2，環(huán)形回路的總的電長(zhǎng)度為/，則當(dāng)"m々+ A-".冬+ 4， W，"為非負(fù)整數(shù)，成立時(shí)，
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對(duì)于超高頻(UHF)和微波(MW)頻段的中心工作頻點(diǎn)，從輸入端看過(guò)去環(huán)形回路處
于開(kāi)路狀態(tài)，從而不影響天線在這兩個(gè)頻段的匹配性能。對(duì)于m，"，取使上式
成立的最小非負(fù)整數(shù)。這里，環(huán)形回路的實(shí)際的物理尺寸不是一個(gè)定值，隨著
基板的介電常數(shù)不同會(huì)有變化。高頻(HF)的環(huán)形回路靠近接地板，為了使得天
線在高頻(HF)頻段諧振效果良好，要適當(dāng)縮小接地板的尺寸。
(HF)環(huán)形回路的一個(gè)重要的指標(biāo)就是品質(zhì)因數(shù)Q，品質(zhì)因數(shù)表達(dá)了諧振時(shí)的
電流是沒(méi)有諧振時(shí)的電流的倍數(shù)，因此希望Q越大越好，但是同時(shí)諧振電路具 有選頻特點(diǎn)，也就是一個(gè)濾波器，Q越大，意味著帶寬BW越小，而傳輸數(shù)據(jù)一 般又是調(diào)制的數(shù)據(jù)，具有一定的帶寬，因此又要求Q值不能太大，綜合上面兩 點(diǎn)， 一般Q值為小于或等于20，在射頻識(shí)別應(yīng)用中一般采用的是10左右的Q值。
對(duì)于串聯(lián)諧振，Q值計(jì)算公式為 2 =卩
對(duì)于并聯(lián)諧振，Q值計(jì)算公式為 2 =;
帶寬與Q的關(guān)系<formula>formula see original document page 7</formula>在一般縫隙加載的微帶天線中，控制微帶饋電線耦合的常用方法是改變縫 隙的尺寸。然而，在該縫隙加載天線中，縫隙是作為耦合輻射體用的，它的尺 寸不能單獨(dú)改變，因此必須使用其它方法來(lái)控制饋電線的耦合。 一種替代的方 法是使用雙分支微帶線饋電，每條微帶線的阻抗相同，通過(guò)改變雙分支微帶線 的長(zhǎng)度即可控制饋電線的耦合。
對(duì)與窄的分支微帶饋線，其特性阻抗可以由下面的經(jīng)驗(yàn)公式得出
其中Z,是自由空間的波阻抗，^J為介質(zhì)板(介電常數(shù)t)的厚度，w'為微帶線 寬，Q是有效介電常數(shù)由下式給出-2 2 Mi自20世紀(jì)80年代以來(lái)，出現(xiàn)了多種電磁耦合型饋電方式，其結(jié)構(gòu)的共同 點(diǎn)是無(wú)接觸饋電，可以通過(guò)一個(gè)縫隙來(lái)形成饋線與天線間的電磁耦合。對(duì)于基 片上的輻射單元，其輸入導(dǎo)納是Yp，接地板的縫隙的輸入導(dǎo)納為i;。天線通過(guò) 縫隙耦合饋電，其耦合變換比為A，雙分支微帶線與接地板的縫隙之間的耦合變 換比為"2，計(jì)入開(kāi)路雙分支微帶線Ls(等效特性阻抗為ZO波速為A)的電抗，于 是可以得到總的輸入阻抗如下式其中諧振頻率主要由"A + ^來(lái)決定，即當(dāng)"、Z^" (^和A分別為^和 K的虛數(shù)部分)時(shí)發(fā)生諧振。 實(shí)施例下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)俯視示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例耦合等效電路圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例對(duì)應(yīng)的回波損耗仿真結(jié)果圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例對(duì)應(yīng)的仿真增益示意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例對(duì)應(yīng)的高頻段天線的Q值曲線圖。圖中1——輻射單元2 ——接地板3——耦合及饋電單元4——介質(zhì)板1 5——雙面金屬介質(zhì)板2 6——空氣層參見(jiàn)圖1和圖2，圖1是本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)俯視示意圖，圖2是本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖。本發(fā)明是由輻射單元l，接地板2，耦合及饋電單元3，介 質(zhì)板1 4，雙面金屬介質(zhì)板2 5和空氣層6組成。
輻射單元1采用蝕刻等工藝方式設(shè)置在介質(zhì)板1 4的上表面，包括寬度分 別為111、 121和深度分別為112、 122的兩組凹槽。輻射單元的長(zhǎng)度和寬度分 別為la和lb，其中一組凹槽的寬度和深度分別為111和112，該對(duì)稱(chēng)凹槽控制 天線的微波(MW)諧振頻率；其中另一組凹槽的寬度和深度分別為121和122,該 對(duì)稱(chēng)的凹槽控制天線的超高頻(UHF)諧振頻率。
作為一優(yōu)選實(shí)施例，如圖1所示la和lb的尺寸分別為95mm和140咖；其 中一組凹槽的寬度111和深度112分別為35mm和13mm，控制諧振頻率為2. 4GHz, 工作在微波(磨)波段；其中另一組凹槽的寬度121和深度122分別為80mm和 20ram，控制諧振頻率為915MHz,工作在超高頻(UHF)頻段。
作為一優(yōu)選實(shí)施例，介質(zhì)板1 4采用厚度為1.6mm，介電常數(shù)為^=4.4的 聚四氟乙烯玻璃纖維FR4介質(zhì)板，F(xiàn)R4介質(zhì)板的損耗角正切為tar^二0.02，為了 使天線的尺寸不至于太大，并保證足夠的諧振頻率，優(yōu)選實(shí)施例的介質(zhì)板1 4 的長(zhǎng)度a寬度b分別為230mm和155mm，比輻射單元1的尺寸要大。
空氣層6位于介質(zhì)板1 4和雙面金屬介質(zhì)板2 5之間，其特征在于選用厚 的空氣層可以增加天線的工作帶寬，作為一優(yōu)選實(shí)施例，如圖2所示厚的空氣 層6的厚度為26mm。
接地板2的尺寸等同介質(zhì)板1 4以及雙面金屬介質(zhì)板2 5的長(zhǎng)度a和寬度b。 接地板2中心開(kāi)一個(gè)縫隙，主要起著對(duì)輻射單元l耦合饋電的作用，適當(dāng)調(diào)整， 可以使耦合諧振效果達(dá)到最佳，大大展寬工作帶寬，其特征為一個(gè)大的中心縫 隙。作為一優(yōu)選實(shí)施例，參見(jiàn)圖1，在接地板2的中心位置開(kāi)一縫隙，其長(zhǎng)度 21和寬度22分別為86mm和12ram。作為一優(yōu)選實(shí)施例，雙面金屬介質(zhì)板2 5采用厚度為1.6mm，介電常數(shù)為 ^=2. 5的特富龍Teflon介質(zhì)板。雙面金屬介質(zhì)板2 5的尺寸等同于介質(zhì)板1 4的尺寸，長(zhǎng)度a和寬度b。耦合及饋電單元3包括長(zhǎng)度為311、深度為312和線寬為313的雙分支微帶 線，長(zhǎng)度為321和寬度為322的連接微帶線，以及長(zhǎng)度和寬度等同于介質(zhì)板的 外圍邊沿的長(zhǎng)度a和寬度b，末尾一段的長(zhǎng)度為331，線寬為332的環(huán)形回路。 在該發(fā)明所述縫隙加載天線中，接地板2的縫隙作為耦合輻射體用，調(diào)整好了 后就不能單獨(dú)改變，因此在耦合和饋電單元3采用此雙分支微帶線，每條微帶 線的阻抗都是100 Q ，通過(guò)改變分支微帶線的長(zhǎng)度311即可控制天線饋電耦合及 匹配性能。高頻(HF)頻段工作環(huán)形回路的總長(zhǎng)度要適當(dāng)調(diào)整以滿足使在超高頻 (UHF)和微波(麗)頻段的天線匹配狀況良好。同時(shí)為了使得接地板不影響高頻 (HF)頻段的工作性能，要適當(dāng)縮小其尺寸，以使接地板的邊沿和環(huán)形回路的邊 緣保持一定的距離。作為一優(yōu)選實(shí)施例，雙分支微帶線的長(zhǎng)度311，深度312和線寬313分別為 34mm， 25. 5咖和1. 2ram，連接微帶線的長(zhǎng)度321為58mm，寬度322為4. 5咖。在超高頻(UHF)和微波(MW)頻段，其中心工作頻率為900MHz和2.45GHz，對(duì) 應(yīng)四分之一波長(zhǎng)分別為83ram和31mm，選定一個(gè)環(huán)形回路的一個(gè)合適尺寸750咖， 大約為83mm的九倍，是31iran的25倍，符合理論設(shè)計(jì)。環(huán)形回路提供了 13. 56MHz 的讀寫(xiě)器天線的功能，依靠環(huán)形回路提供感應(yīng)磁場(chǎng)使讀寫(xiě)器工作在高頻(HF)頻 段。其長(zhǎng)度為230mm，寬度為155mm，線段311長(zhǎng)度為104. 5mm。圖3所示為天線的耦合等效電路圖。作為一優(yōu)選實(shí)施例，天線的輸入阻抗^ 設(shè)計(jì)為50 Q 。圖4所示為本發(fā)明所述實(shí)施例的仿真結(jié)果示意圖，由圖可知，天線的超高頻(UHF)部分的中心工作頻率是900MHz，回波損耗&二-19. 95dB，駐波比小于2. 0 時(shí)天線的工作帶寬約為100MHz (840 940MHz)，有11. 1%的帶寬。天線的微波
(MW)頻段的中心工作頻率是2.45GHz，回波損耗 =-27. 65dB,駐波比小于2.0 時(shí)天線的工作帶寬約為300MHz (2. 12 2. 79GHz),達(dá)到了 27. 3%的帶寬。
圖5所示在中心頻率點(diǎn)900MHz和2. 4GHz處，天線的增益分別達(dá)到6. 57dBi 和4. 74dBi的高增益值。
圖6所示在高頻(HF)頻段天線的Q值，在13. 56MHZ處天線的Q值大約為7. 5， 天線的工作帶寬大約為1.8MHz。
以上的參考實(shí)例描述了本發(fā)明，但是僅僅是為了理解清楚，給出上述詳細(xì) 描述和例子。不應(yīng)由此理解不必要的限制。在此所述的所有專(zhuān)利和專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)?此引入以供參考，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不背離本發(fā)明的范圍的情況 下，可以在所述的實(shí)施例中做許多的改變。因此本發(fā)明的范圍不應(yīng)當(dāng)限制到在 此所述的具體細(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)，而是由權(quán)利要求的語(yǔ)言所述的結(jié)構(gòu)以及這些結(jié)構(gòu)的 等效來(lái)限定。
權(quán)利要求
1、一種覆蓋高頻(HF)和超高頻(UHF)及微波(MW)頻段的RFID讀寫(xiě)器天線，其特征在于包含一位于單面金屬介質(zhì)板1上的輻射單元，一空氣層，一位于雙面金屬介質(zhì)板2一面上的接地板，以及位于雙面金屬介質(zhì)板2另一面上的電磁耦合及饋電單元。
2、 如權(quán)利要求1所述的輻射單元，其特征在于該輻射單元由介質(zhì)板1上 的金屬構(gòu)成，其形狀可為正方形、長(zhǎng)方形、圓形或者其它規(guī)則形狀。在所述輻 射單元開(kāi)兩組對(duì)稱(chēng)凹槽，凹槽的位置和尺寸控制天線的超高頻(UHF)和微波(廳)工作頻率。
3、 如權(quán)利要求1所述的接地板，其特征在于該接地板位于介質(zhì)板2的一 面，在中心位置處開(kāi)一個(gè)縫隙。
4、 如權(quán)利要求1所述的空氣層，其特征在于該空氣層位于介質(zhì)板1和2 之間，通過(guò)調(diào)整空氣層厚度和縫隙大小來(lái)調(diào)整天線工作帶寬。
5、 如權(quán)利要求1所述的電磁耦合及饋電單元，其特征在于位于介質(zhì)板2的另一面，由一個(gè)一頭接地環(huán)形回路和一段雙分支微帶線組成。
6、 如權(quán)利要求5所述的環(huán)形回路，其特征在于該環(huán)形回路可為正方形、 長(zhǎng)方形、圓形、橢圓形或其它形狀，依靠感應(yīng)磁場(chǎng)提供天線高頻段(HF)的工 作性能。
7、 如權(quán)利要求5所述的環(huán)形回路，其特征在于該環(huán)形回路利用四分之一阻抗變換器原理，使其在超高頻(UHF)和微波(麗)頻段處于開(kāi)路狀態(tài)，天線 分別在超高頻(UHF)和微波(MW)頻段保持良好的匹配性能。
8、 如權(quán)利要求5所述的雙分支微帶線，其特征在于每條微帶線的特性阻 抗都是100Q，通過(guò)改變雙分支微帶線的長(zhǎng)度可控制超高頻(UHF)和微波(MW)頻段的匹配性能。
9、如權(quán)利要求1所述的一種覆蓋高頻(HF)和超高頻(UHF)及微波(MW) 頻段的RFID讀寫(xiě)器天線，其特征在于介質(zhì)板1和2可分別用介電常數(shù)為4.5 的FR4和2.5的Teflon材料構(gòu)成，但不局限于這兩種介質(zhì)板，改變介質(zhì)板的參 數(shù)后可通過(guò)適當(dāng)改變天線輻射單元大小，空氣層厚度，接地板縫隙大小和耦合 及饋電單元尺寸獲得可用天線性能。
全文摘要
用于高頻(HF)和超高頻(UHF)及微波(MW)頻段的三頻段RFID讀寫(xiě)器天線。具體涉及用于層疊平板技術(shù)的天線，由介質(zhì)板1和2，輻射單元，空氣層，接地板，耦合及饋電單元組成。輻射單元位于介質(zhì)板1上，沿邊緣開(kāi)槽。接地板位于介質(zhì)板2的一面，在中心開(kāi)一縫隙，通過(guò)該縫隙對(duì)輻射單元進(jìn)行饋電?？諝鈱釉诮橘|(zhì)板1和2之間，通過(guò)調(diào)整空氣層厚度和縫隙大小來(lái)調(diào)整天線工作帶寬。電磁耦合及饋電單元位于介質(zhì)板2的另一面，由環(huán)形回路和雙分支微帶線組成，環(huán)形回路為天線提供高頻(HF)工作性能，雙分支微帶線控制超高頻(UHF)和微波(MW)頻段的匹配性能。本發(fā)明具有較寬工作帶寬和高增益的特性，適合三頻段RFID讀寫(xiě)器天線應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK101299486SQ20081011511
公開(kāi)日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月18日
發(fā)明者李秀萍, 挺 杜 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)