用于射頻識別中的傳輸線天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于射頻識別的傳輸線天線，包括：基板和導帶，其中，所述導帶設置在所述基板上；所述基板和所述導帶構成傳輸線；所述導帶的寬度從所述導帶的中間區(qū)域向兩側逐漸減小，以減少天線輻射的電場中的讀取空洞，進而提高讀取距離。
【專利說明】用于射頻識別中的傳輸線天線
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及射頻識別(RFID, Radio Frequency Identification)【技術領域】,特別涉及射頻識別的傳輸線天線。
【背景技術】
[0002]射頻識別(RFID, Radio Frequency Identification)技術是一種非接觸式的自動識別技術，俗稱電子標簽，其通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，其包括如下基本組成部分:
[0003]1、標簽(Tag)，其由標簽天線及芯片組成，附著在被控制、檢測或跟蹤的物體上，其中，在RFID系統(tǒng)中通常包括多個標簽，每個標簽具有唯一的電子編碼，用以唯一地標識被控制、檢測或跟蹤的物體；這里，標簽也可被稱為應答器；
[0004]2、閱讀器(Reader)，其用于讀/寫標簽中存儲的信息，可為手持式或固定式，其中RFID系統(tǒng)中通常包括一個閱讀器，其讀取各個標簽中存儲的信息(有時還能向標簽寫入標簽信息)，以實現(xiàn)對于各個標簽所附著的物體的控制、檢測或跟蹤；這里，閱讀器還可被稱為詢問器；
[0005]3、天線(Antenna)，其連接閱讀器，用于在各個標簽和閱讀器間傳遞射頻信號，以在閱讀器和標簽之間的傳遞信息。
[0006]目前，RFID技術的研究熱點之一是單品(item-level)標簽識別的應用，尤其是在零售業(yè)和制藥業(yè)中的應用，比如:基于RFID的智能貨架(Smart Shelves)或傳送系統(tǒng)。用戶使用連接貨架或傳送系統(tǒng)的RFID閱讀器來獲得放置于貨架上或傳送系統(tǒng)的貨物信息。
[0007]近場(NF)超高頻(UHF) RFID技術被主要應用在諸如智能貨架或傳送系統(tǒng)等單品級標簽識別場景中。在NF UHF RFID【技術領域】，已提出了多種傳輸線天線(transmissionline antenna)結構以獲得更大的讀取區(qū)域。其中，傳輸線天線主要包括三種:微帶線(microstrip transmission line)天線、共面波導(coplanar waveguide)天線和接地共面帶線(grounded coplanar stripline)天線。在智能貨架的應用場景中,傳輸線天線被放置在貨架上，傳輸線天線長度可達到Im以上，帶有標簽的物品通常被放置在傳輸線天線上面。但是，傳輸線天線的電場在傳輸線天線上方約IOcm高處就開始出現(xiàn)幾個很深的空洞，這將嚴重影響讀取性能。以下給出了兩種現(xiàn)有的微帶線天線結構。
[0008]圖1示出了一種微帶線天線。如圖1所示，該天線包括:基板(substrate)lOl、地平面(groundplane) 102、導帶103、饋線104和匹配負載105。其中，XYZ坐標軸構成了三維的坐標系；地平面102位于基板101之下，其可以是基板101下表面的導電金屬層；導帶103設置在基板101上，沿X軸方向貫穿基板101，其可以是基板101上表面的導電金屬層；基板101、地平面102和導帶102構成微帶線；微帶線的一端連接饋線104以與閱讀器相連；微帶線的另一端連接匹配負載105，這樣電磁波在微帶線上以行波傳輸，具有很寬的帶寬和很低的遠場增益。關于微帶線與饋線104和匹配負載105的具體連接方式屬現(xiàn)有技術范疇，本文對此不做描述。該天線工作時，標簽位于天線的上方(即XZ軸平面的上方)。當此微帶線天線應用在智能貨架中時，此微帶線天線被平放在貨架上，基板101沿X軸的長度可以與貨架沿X軸的長度相同或相近，帶有標簽的物品放在此微帶線天線上，當此物品在讀取距離以內(nèi)時，此微帶線天線的電場可以覆蓋到此物品所帶的標簽，因而閱讀器能夠閱讀到此標簽的信息。
[0009]圖1示出的導帶103為矩形，其沿直線貫穿基板101。圖2示出了另一種微帶線天線，該微帶線天線包括:基板201、地平面202、導帶203、饋線204和匹配負載205，其與圖1所示的微帶線天線相似，不同之處在于導帶203的形狀。如圖2所示，導帶203寬度不變且呈迂回曲折形，沿X軸迂回曲折的貫穿基板201。
[0010]然而，圖1和圖2示出的這兩種微帶線天線的電場分布都存在問題。這兩種微帶線天線的電場中都存在較多的讀取空洞，導致其讀取距離不夠大(即天線在Y軸方向所能輻射的無空洞區(qū)域的最大高度)。
[0011 ] 綜上所述，RFID系統(tǒng)目前需要一種傳輸線天線，其有足夠長的有效讀取距離(即在該讀取距離內(nèi)不存在空洞)以保證天線的讀取性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種射頻識別系統(tǒng)中的傳輸線天線，其能減少讀取空洞以獲得足夠長的讀取距離。
[0013]本發(fā)明提出的射頻識別系統(tǒng)中的傳輸線天線，其包括基板和導帶，其中所述導帶設置在所述基板上，所述基板和所述導帶構成傳輸線；所述導帶的寬度從導帶的中間區(qū)域向兩側逐漸減小，以減少天線輻射的電場中的讀取空洞，進而提高讀取距離。
[0014]優(yōu)選，所述天線相對于中間區(qū)域是對稱的，這樣可以進一步減少空洞，同時天線的尺寸設計也更簡單。
[0015]在依據(jù)本發(fā)明一實施例的傳輸線天線中，進一步包括:饋線和匹配負載；所述傳輸線的一端連接所述饋線，另一端連接所述匹配負載。該種天線適用于獨立使用，可減少讀取空洞、提高讀取距離。
[0016]在依據(jù)本發(fā)明一實施例的傳輸線天線中，上述天線的兩端包括用于與其它天線級聯(lián)的兩個端口。該種天線適用于多個天線級聯(lián)的應用場景，可減少讀取空洞、提高讀取距離。
[0017]在依據(jù)本發(fā)明一實施例的傳輸線天線中，進一步包括:地平面；所述地平面位于所述基板之下且覆蓋整個基板。采用地平面，可完全防止天線電磁波的向下輻射，從而使向上的輻射信號更強。
[0018]在依據(jù)本發(fā)明一實施例的傳輸線天線中，所述導帶由多個導帶片段拼接而成。采用此種方案，通過設計各個導帶片段的尺寸可以減少讀取空洞以使讀取距離足夠大，并且加工工藝簡單，更易于設計導帶的尺寸。
[0019]在依據(jù)本發(fā)明一實施例的傳輸線天線中，所述導帶由多個導帶片段拼接而成，中間位置的導帶片段的長度和寬度最大。采用此種方案，加工工藝簡單，更易于設計導帶的尺寸。
[0020]在依據(jù)本發(fā)明一實施例的傳輸線天線中，每兩個相鄰導帶片段的相鄰邊界是平行的。采用此種方案，導帶片段的尺寸設計會更為簡單，擺放方式也更為簡單，因此實現(xiàn)起來更為容易。優(yōu)選，所述導帶片段為平行四邊形。此種導帶片段的尺寸設計會相對簡單。
[0021]在依據(jù)本發(fā)明一實施例的傳輸線天線中，所述導帶為一體的帶體。采用此種方案，導帶寬度的過渡更為平滑，所以反射更小。
[0022]依據(jù)本發(fā)明實施例的傳輸線天線可以為包括一條上述任一種導帶的微帶線天線，或者為包括兩條上述任一種導帶的接地共面帶線天線。
[0023]優(yōu)選上述導帶片段的特性阻抗相同。采用此種方案，各個特性阻抗相同的導帶片段之間不會產(chǎn)生反射電流，可以獲得更寬的帶寬。
[0024]采用本發(fā)明所提供的傳輸線天線，在諸如智能貨架或傳送系統(tǒng)等射頻識別系統(tǒng)的應用場景中，可以減少傳輸線天線所輻射出的電場的讀取空洞，以保證足夠長度的讀取距離。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]下面將通過參照附圖詳細描述本發(fā)明的示例性實施例，使本領域的普通技術人員更清楚本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點，附圖中:
[0026]圖1為現(xiàn)有技術中的一種微帶線天線的結構示意圖；
[0027]圖2為現(xiàn)有技術中的另一種微帶線天線的結構示意圖；
[0028]圖3為本發(fā)明人提出的一種共面帶線天線的結構示意圖；
[0029]圖4為圖3所示共面帶線天線的電場分布示意圖；
[0030]圖5為依據(jù)本發(fā)明一實施例的共面帶線天線的結構示意圖；
[0031]圖6為圖5所示共面帶線天線的電場分布示意圖；
[0032]圖7為圖5所示共面帶線天線的Sll性能的仿真結果示意圖；
[0033]圖8為依據(jù)本發(fā)明另一實施例的共面帶線天線的結構示意圖；
[0034]圖9為依據(jù)本發(fā)明另一實施例的微帶線天線的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下文將以明確易懂的方式通過對優(yōu)選實施例的說明并結合附圖來對本發(fā)明上述特性、技術特征、優(yōu)點及其實現(xiàn)方式予以進一步說明。
[0036]針對前述現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明人做了進一步實驗研究，提出了一種接地共面帶線天線，如圖3所示。圖3示出了一種80cm長的接地共面帶線天線，其至少包括:基板301、地平面302和兩條導帶303，其中，XYZ坐標軸構成了三維的坐標系，基板301、地平面302和兩條導帶302構成接地共面帶線；接地共面帶線的一端連接饋線以與閱讀器相連；接地共面帶線的另一端連接匹配負載；圖3中未能示出的諸如饋線、匹配負載等其它組成部分，屬現(xiàn)有技術范疇，這里不做描述。從圖3中可以看出這兩條導帶303主體部分的寬度保持不變。
[0037]采用圖3所示的天線結構，可以顯著增強讀取距離，但是其電場中還是存在若干讀取空洞。圖4示出了經(jīng)過仿真實驗所得到的圖3所示共面帶線天線在XY軸平面上電場分布示意圖。如圖4所示，圖3所示的共面帶線天線沿Y軸方向輻射的范圍可以達到1.3m,但是其電場分布不夠均勻，在基板301上方0.1m處就出現(xiàn)了幾個很深的讀取空洞，其讀取距離只能達到0.lm。[0038]基于以上實驗研究，本發(fā)明設計出了一種傳輸線天線，其能夠輻射出均勻的電場，從而減少圖4中示出的讀取空洞，保證足夠長的讀取距離。其中，導帶的寬度是從中間區(qū)域向兩側逐漸減小的，這樣能夠減少天線輻射的電場中的讀取空洞，進而提高讀取距離。
[0039]在本發(fā)明提出的傳輸線天線中，導帶的寬度從中間區(qū)域向兩側是逐漸變小的，可以把導帶視為若干片段，中間區(qū)域的導帶片段寬度最大。本領域技術人員可以理解，在保持一定特性阻抗的情況下，隨著導帶的寬度和長度的增加，更多的電能將向外泄露，使得導帶輻射的電場增強。這樣，具有最大寬度的導帶片段向外輻射的電場強度最強(即所輻射的電磁波幅值最大)，而分布在這個寬度最大的導帶片段兩側的各個導帶片段所輻射的電場強度隨其寬度的減小而減弱(即所輻射的電磁波的幅值減小)。也就是說，本發(fā)明提出的這種傳輸線天線結構中，具有最大寬度的導帶片段所輻射的電場最強，而該導帶片段兩側的導帶片段所輻射的電場逐漸減弱。由于本發(fā)明提供的傳輸線天線中，不同寬度的導帶片段產(chǎn)生的電磁波振幅差別較大，這樣在電磁波疊加的時候電磁波不會完全抵消，這樣就會減少電場中的讀取空洞。
[0040]本發(fā)明提出的傳輸線天線可進一步包括:饋線和匹配負載；傳輸線的一端連接饋線而另一端連接匹配負載。該種天線適用于獨立使用，可減少讀取空洞、提高讀取距離。
[0041]本發(fā)明提出的傳輸線天線進一步包括用于與其它天線級聯(lián)的兩個端口。該種天線適用于多個天線級聯(lián)的應用場景，可減少讀取空洞、提高讀取距離。
[0042]本發(fā)明提出的傳輸線天線可進一步包括:地平面，其位于基板之下且覆蓋整個基板。采用地平面，可完全防止天線電磁波的向下輻射，從而使向上的輻射信號更強。
[0043]在本發(fā)明實施例提供的一種傳輸線天線中，所述導帶包括多個導帶片段，其中，位于中間區(qū)域的導帶片段的寬度最大，從所述中間區(qū)域的導帶片段到所述導帶的兩端之間的各個導帶片段的寬度逐漸變小。采用此種方案，可以減少電場中的讀取空洞，甚至于消除讀取空洞，以獲得足夠的讀取距離，并且加工工藝簡單，更易于設計導帶的尺寸。這些導帶片段的特性阻抗可以相同也可以不同，優(yōu)選的，通過設計各個導帶片段的尺寸(包括寬度和間距)可以使各個導帶片段具有相同的特性阻抗，進而每兩個相鄰的導帶片段之間的邊界部分(如5024)不會出現(xiàn)反射電流。
[0044]本發(fā)明提出的傳輸線天線包括兩種:接地共面帶線天線和微帶線天線。圖5示出了依據(jù)本發(fā)明一實施例的接地共面帶線天線的示意圖。圖5示出了該接地共面帶線天線的XZ軸平面，其中包括:基板501和兩條導帶502。在此實施例中，整個傳輸線天線的尺寸為932mmX 120mmX 21.5mm0每條導帶被分成20個片段。中間的導帶片段的寬度為24.5mm,兩條導帶上兩個中間的導帶片段之間的間距為45mm。傳輸線的特征阻抗為200歐姆(B卩，每個導帶片段的特性阻抗都是200歐姆)，匹配負載的阻抗為50歐姆。巴倫的阻抗比為1:4。圖5中未示出諸如地平面、饋線、匹配負載等其它組成部分，這些部件及其連接關系都是一般的技術人員根據(jù)現(xiàn)有技術很容易就能得知的的，這里不做描述。本發(fā)明實施例對這兩條導帶502的結構做了改進，如圖5所示，每條導帶502由二十個順序擺放的具有相同特性阻抗的四邊形導帶片段組成，即每個導帶片段的特性阻抗為200歐姆，其中，中間的導帶片段5021的寬度和長度均最大，從此中間的導帶片段5021到任一端的導帶片段5022或5023之間的各個導帶片段的寬度逐漸減小。通過設計各個導帶片段的尺寸可以使各個導帶片段具有相同的特性阻抗，進而每兩個相鄰的導帶片段之間的邊界部分(如5024)不會出現(xiàn)反射電流。這里，四邊形的導帶片段可以為平行四邊形(例如矩形、梯形)等各種形狀，所述的寬度指沿Z軸方向的距離，所述長度指沿X軸方向的距離。
[0045]圖6示出了經(jīng)過仿真實驗所得到的圖5所示共面帶線天線在XY軸平面上電場分布示意圖。如圖6所示，圖5所示的共面帶線天線沿Y軸方向的讀取距離可以達到70cm以上，并且電場分布均勻，在基板501上方70cm處還未出現(xiàn)讀取空洞。這里，通過設計中間的導帶片段的尺寸使其寬度和長度足夠大，可以使天線具有足夠長的讀取距離，甚至于能夠減小甚至消除消除電場中的讀取空洞。可為傳輸線天線中的各個導帶片段設計一定尺寸，通過仿真實驗(比如通過類似圖6的仿真圖)來判斷具有這種尺寸的導帶片段的天線是否能夠減少讀取空洞。
[0046]圖7為圖5所示共面帶線天線的Sll性能的仿真結果示意圖。本領域技術人員可以知道，Sll是S參數(shù)中的一個，表示回波損耗特性，一般通過網(wǎng)絡分析儀來看其損耗的dB值和阻抗特性，此Sll參數(shù)用來評價天線的發(fā)射效率，其值越大，表示天線本身反射回來的能量越大，這樣天線的效率就越差。從圖7中可以看到，即使當Sll參數(shù)為最大值_20dB時(即天線效率最差時)，天線的帶寬也可達到800MHz?1000MHz(高于200MHz的基本要求)。這說明，圖5所示的共面帶線天線的帶寬完全可以滿足要求。
[0047]此外，通過仿真得到圖5所示接地共面帶線的遠場增益，其最大遠場增益僅有_5dBi，顯然，此種接地共面帶線天線特別適合用于近場的應用場景，比如基于RFID的智能貨架和傳送系統(tǒng)。
[0048]基于圖5所示接地共面帶線天線的實現(xiàn)原理，本發(fā)明還提出了另一種接地共面帶線天線的實施例，如圖8所示。圖8所示的接地共面帶線包括基板801、兩條導帶802。圖8中未示出的諸如地平面、饋線、匹配負載等其它組成部分，屬現(xiàn)有技術范疇，這里不做描述。圖8所示的天線結構與圖5所示的天線結構的不同之處在于，這兩條導帶802并非由多個四邊形的導帶片段構成，而是寬度漸變且邊緣平滑的完整的兩條導帶，其中，每條導帶802的中間部分寬度最大，而從此中間部分到任一端8021或8022之間的部分的寬度是逐漸減小的。通過設計每條導帶802中各個部分的尺寸，可以使每條導帶802可以被劃分為具有相同的特性阻抗若干部分，并且從中間部分到任一端8021或8022之間的這些部分所輻射的電場強度是逐漸減弱的，進而能夠減少電場中的空洞，獲得比較均勻的電場分布。這里，所述的寬度指沿Z軸方向的寬度，所述長度指沿X軸方向的長度。
[0049]在本發(fā)明實施例提供的傳輸線天線中，導帶片段可以為各種形狀，優(yōu)選的，為諸如矩形、梯形的平行四邊形等四邊形。這樣，導帶片段的尺寸設計會相對簡單。
[0050]優(yōu)選的，每兩個相鄰導帶片段的相鄰邊界是平行的。采用此種方案導帶片段的尺寸設計會更為簡單，擺放方式也更為簡單，因此實現(xiàn)起來更為容易。
[0051]在本發(fā)明實施例提供的傳輸線天線中，上述導帶可以由多個導帶片段拼接而成(比如，由多個導電金屬片拼接而成)，也可以為一條一體而不分段的導帶(比如，為一條一體完整的導帶金屬片)。此完整的導帶的邊緣可以是平滑曲線，也可以是非平滑的折線。采用此種方案，導帶寬度的過渡更為平滑，所以反射更小。
[0052]在本發(fā)明實施例所提供的各種傳輸線天線中，導帶可以為對稱形狀，也可以為非對稱形狀，所謂導帶為對稱形狀是指，導帶為軸對稱形狀。比如，在導帶沿X軸方向的長度的中點處做一條沿Z軸方向的直線，導帶是以該直線為對稱軸的對稱形狀；或者，在導帶沿Z軸方向的長度的中點處做一條沿X軸方向的直線，導帶是以該直線為對稱軸的對稱形狀。
[0053]基于以上實施例，本發(fā)明還提出了一種微帶線天線的實施例。如圖9所示，該微帶線天線包括:基板901和一條導帶902。圖9中未示出諸如地平面、饋線、匹配負載等其它組成部分，這些部件及其連接關系都是一般的技術人員根據(jù)現(xiàn)有技術很容易就能得知的的，這里不做描述。圖9所示的微帶線天線與圖1所示的微帶線天線的區(qū)別在于導帶的結構。如圖9所示，導帶902由若干矩形的導帶片段組成，其中，中間的導帶片段9021的寬度和長度均最大，從此中間的導帶片段9021到任一端9022或9023之間的各個導帶片段的寬度逐漸減小。通過設計各個導帶片段的尺寸可以獲得均勻分布的輻射電場。這里，通過設計中間的導帶片段9021的尺寸使其寬度和長度足夠大，可以使天線具有足夠長的有效讀取距離。導帶片段的形狀不限于矩形，還可以為梯形、平行四邊形等各種四邊形，所述的寬度指沿Z軸方向的寬度，所述長度指沿X軸方向的長度。
[0054]基于圖9所示微帶線天線的實現(xiàn)原理，本發(fā)明還提出了另一種微帶線天線的實施例，該實施例的天線結構與圖9所示的天線結構的不同之處在于，導帶并非由多個導帶片段構成，而是寬度漸變且邊緣平滑的完整的一條導帶，其中，導帶的中間部分寬度最大(即寬部分)，而從此中間部分到導帶任一端之間的部分的寬度是逐漸減小的。通過設計導帶中各個部分的尺寸，使得導帶可以被劃分為具有相同的特性阻抗若干部分，并且從中間部分到任一端之間的這些部分所輻射的電場強度是逐漸減弱的，進而能夠減少讀取空洞。
[0055]上文通過附圖和優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了詳細展示和說明，然而本發(fā)明不限于這些已揭示的實施例，本領域技術人員從中推導出來的其它方案也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.用于射頻識別的傳輸線天線，其包括基板(101，201，301，501，801，901)和導帶(502，802，902)，其中所述導帶(502，802，902)設置在所述基板(101，201，301，501，801，901)上，所述基板(101，201，301，501，801，901)和所述導帶(502,802,902)構成傳輸線； 所述導帶(502，802，902)的寬度從導帶(502，802，902)的中間區(qū)域向兩側逐漸減小，以減少天線輻射的電場中的讀取空洞。
2.根據(jù)權利要求1所述的天線，進一步包括饋線(104，204)和匹配負載(105，205)，所述傳輸線的一端連接所述饋線(104，204)，另一端連接所述匹配負載(105，205)。
3.根據(jù)權利要求1所述的天線，該天線的兩端包括用于與其它天線級聯(lián)的端口。
4.根據(jù)權利要求1所述的天線，進一步包括地平面(102，202，302);所述地平面(102，202,302)位于所述基板(101，201，301，501，801，901)之下，且覆蓋整個基板(101，201，301,501,801,901)。
5.根據(jù)權利要求1-4中任一項所述的傳輸線天線，其中，所述傳輸線為包括一條所述導帶(902)的微帶線，或者為包括兩條所述導帶(502，802)的接地共面帶線。
6.根據(jù)權利要求1至4任一項所述的傳輸線天線，其中，所述導帶(802)為一體的帶體。
7.根據(jù)權利要求1至4任一項所述的傳輸線天線，其中，所述導帶(502，902)由多個導帶片段拼接而成。
8.根據(jù)權利要求7所述的傳輸線天線，其中，中間位置的導帶片段的長度和寬度均最大。
9.根據(jù)權利要求7所述的傳輸線天線，其中，每兩個相鄰導帶片段的相鄰邊界(5024)是平行的。
10.根據(jù)權利要求9所述的傳輸線天線，其中，所述導帶片段為平行四邊形。
11.根據(jù)權利要求7所述的傳輸線天線，其中所述多個導帶片段的特性阻抗相同。
【文檔編號】H01Q13/08GK103715496SQ201210371297
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年9月28日 優(yōu)先權日:2012年9月28日
【發(fā)明者】吳昌英, 袁勇, 喻丹 申請人:西門子公司