專利名稱：應(yīng)用在超高頻rfid頻帶的高增益、小軸比圓極化天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種寬帶高增益小軸比超高頻RFID圓極化天線，屬于電磁場與天線領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，圓極化天線已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到各個部門，如衛(wèi)星通信，全球定位系統(tǒng)，射頻識別等方面。近幾年來，產(chǎn)生了許多圓極化技術(shù)(如采用圓環(huán)微帶天線和增加圓極化反饋網(wǎng)絡(luò)等)。由于超高頻帶能提供高速數(shù)據(jù)傳輸和長的閱讀距離，因此被廣泛用在RFID系統(tǒng)中。然而，可靠的閱讀器是發(fā)展RFID系統(tǒng)的一個關(guān)鍵因素之一，探測范圍和精確度都依賴于閱讀器天線的性能。目前，每個國家都有它自己的UHF RFID操作頻帶，例如，中國的操作頻帶為840. 5-844. 5MHz和920. 5-924. 5MHz ;歐洲為866_869MHz，南美和北美為902-928MHz，新加坡為 866_869MHz 和 920_925MHz，日本為 952_955MHz 等，即 UHF RFID 的頻帶需要覆蓋840. 5-955MHZ的范圍。因此一個通用的閱讀器天線需要滿足覆蓋整個操作頻帶(840MHz-960MHz )、理想的操作性能以及較低的成本。RFID閱讀器天線在RFID系統(tǒng)中處于非常重要的位置，它的性能好壞，直接決定著RFID系統(tǒng)的工作情況。為了使得RFID系統(tǒng)達到實際應(yīng)用，需要把閱讀器天線設(shè)計成圓極化的形式，這是因為圓極化天線能減少在閱讀器和標簽之間傳輸?shù)哪芰縼G失。為了產(chǎn)生圓極化場的一個典型的方法就是激勵起兩個相互垂直的、相位相差90度的諧振場。根據(jù)目前所見的文章，采用一個反饋點的圓極化天線主要為圓環(huán)天線、切角平方貼片以及圓貼片，然而這些天線提供了小的阻抗帶寬、窄的軸比帶寬。為了提高這兩個參數(shù)的指標，采用了許多技術(shù)，如微帶線耦合縫、不等臂長的十字縫以及探針反饋等。但是這些技術(shù)雖然比較好地提高了天線的阻抗和軸比帶寬，但是與需要的工作頻帶相差較大，所以高增益、大的阻抗帶寬，大的軸比帶寬以及大的軸比束寬是目前閱讀器天線設(shè)計的主要目標。當兩個幅度相等且相位相差90度的垂直模式被激勵時，在遠場空間中就產(chǎn)生了圓極化場。圓極化天線的反饋結(jié)果一般分為單點反饋和多點反饋。單點反饋的圓極化天線有結(jié)構(gòu)簡單、容易加工、尺寸小等優(yōu)點，但是單反饋單貼片圓極化天線有著本身的窄的軸比帶寬和阻抗帶寬(通常為1% -2%).為了提高圓極化天線帶寬，各種圓極化天線技術(shù)被研究，如修改輻射貼片的結(jié)構(gòu)，設(shè)計反饋網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化天線的陣列形式等等。目前，采用比較多的形式就是設(shè)計較好的反饋網(wǎng)絡(luò)，采用多點反饋，這樣的圓極化天線有很寬的軸比帶寬和阻抗帶寬，但是也帶來了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，昂貴的加工費用以及增大了天線尺寸。由此可以看出，我們在設(shè)計圓極化天線的時候，需要綜合考慮天線的軸比帶寬、阻抗帶寬、天線尺寸以及加工復(fù)雜度等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服目前RFID閱讀器天線軸比帶寬窄、3dB軸比夾角小以及圓極化特性低等缺點，綜合RFID的需求，提出一款RFID閱讀器天線，具有工作頻帶寬、增益高、尺寸小、軸比值小以及3dB軸比夾角大等優(yōu)點；其設(shè)計方法簡單，易于加工。為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種應(yīng)用在超高頻RFID頻帶的高增益、小軸比圓極化天線，包括輻射貼片、PCB介質(zhì)板和反饋網(wǎng)絡(luò)，所述輻射貼片用四根介質(zhì)圓環(huán)柱體一支撐于PCB介質(zhì)板上，四根金屬圓柱體探針穿過所述介質(zhì)圓環(huán)柱體一，每根金屬圓柱體探針的一端連接輻射貼片，另外一端穿過PCB介質(zhì)板，連接位于所述PCB介質(zhì)板上反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端口。進一步的,該天線容納于天線罩和金屬地平面構(gòu)成的空腔內(nèi)，其PCB介質(zhì)板通過介質(zhì)圓環(huán)柱體二支撐于金屬地平面上。特別的，所述每根探針直接連接50歐姆的微帶線，緊接著連接100歐姆的微帶線，最后，通過一個阻抗變換器連接到50歐姆的同軸電纜，所述同軸電纜穿過天線罩，其內(nèi)芯連接反饋網(wǎng)絡(luò)，外導(dǎo)體連接金屬地平面。特別的，所述探針的長度為25mm 35mm,直徑為O. 5mm 3mm。特別的，介質(zhì)圓環(huán)柱體一的直徑為2mm 3mm,介質(zhì)圓柱環(huán)一的介電常數(shù)為2 3。特別的，介質(zhì)圓環(huán)柱體二的直徑為3mm 12mm。特別的，所述輻射貼片為正方形鋁板，其維度為128mmX 128mm( O. 3904 λ Χ0. 3904 λ )，厚度為 O. 5 毫米。特別的，反饋網(wǎng)絡(luò)被刻蝕在介電常數(shù)為3. 2的PCB介質(zhì)板的底面，與金屬地平面隔離O. 5mm 3mm的空氣介質(zhì)，所述PCB介質(zhì)板的寬度60mm 120mm,長度IOOmm 150mm。本發(fā)明的實質(zhì)在于控制每個端口處之間的相位差(最佳值為90度)，從而導(dǎo)致空間中的電場矢量在與傳播方向垂直的平面上按照右手或左手螺旋旋轉(zhuǎn)，從而形成圓極化特性，又由于引入反射面結(jié)構(gòu)和取消100歐姆的隔離電阻，天線的增益將很大地提高，進而得到本發(fā)明所述的寬帶高增益小軸比的RFID圓極化天線。本發(fā)明的有益效果I、本發(fā)明所述的天線，其工作的阻抗帶寬和軸比帶寬更寬，并且增益高、軸比值小以及軸比夾角值大等優(yōu)點；2、本發(fā)明所述的天線，其諧振頻率可以簡單地調(diào)整輻射貼片的尺寸，快速地達到需要的頻率范圍。3、本發(fā)明所述的天線，其結(jié)構(gòu)簡單、加工容易，具有更廣的應(yīng)用前景。4、本發(fā)明所述的天線，其所用到的各項技術(shù)均為現(xiàn)存的成熟技術(shù)，為其批量加工提供了技術(shù)支持。


下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明所述天線作進一步詳細說明。圖I (a)本發(fā)明提供的寬帶高增益小軸比RFID閱讀器天線的正面結(jié)構(gòu)圖；圖I (b)本發(fā)明提供的寬帶高增益小軸比RFID閱讀器天線的俯視結(jié)構(gòu)圖；圖2本發(fā)明所述天線電磁波電場由四個線極化電場組成的示意圖；圖3本發(fā)明提供的反饋網(wǎng)絡(luò)的原理圖。圖4本發(fā)明提供增益的測試值(在+Z方向)隨頻率的變化情況。圖5本發(fā)明提供的Smi th原圖。
圖6本發(fā)明提供的輻射貼片電流圖，進而證明圓極化原理。圖7本發(fā)明提供的在寬邊方向上軸比值隨頻率的變化情況。圖8本發(fā)明提供的在870MHz、915MHz和950MHz頻點處輻射方向圖。圖中1、輻射貼片；2、PCB介質(zhì)板；3、探針；4、反饋網(wǎng)絡(luò)；5、介質(zhì)圓環(huán)柱體一 ；6、介質(zhì)圓環(huán)柱體二 ；7、天線罩；8、金屬地平面；9、同軸電纜；
具體實施例方式圖I給出了本發(fā)明所述天線的一種具體實施結(jié)構(gòu)。在此天線設(shè)計中，設(shè)計的中心頻率為f0=915MHzU=327.9mm)。此天線的整個構(gòu)成包括O. 5毫米厚的輻射貼片1，一個PCB介質(zhì)板2，一個反饋網(wǎng)絡(luò)4，一個同軸電纜9，和四個金屬圓柱體探針3，四個介質(zhì)圓環(huán)柱體一 5和四個介質(zhì)圓環(huán)柱體二 6，一個天線罩7和一個2毫米厚的金屬地平面8。輻射貼片I為一個正方形貼片，其維度為128mmX 128mm( O. 3904 λ Χ0. 3904 λ ) 0輻射貼片I用四根長度為25毫米的介質(zhì)圓環(huán)柱體一 5支撐，四根金屬圓柱體探針3穿過介質(zhì)圓環(huán)柱體一 5，每根金屬圓柱體探針3的一端連接輻射貼片1，另外一端穿過PCB介質(zhì)板2，連接反饋網(wǎng)絡(luò)4的輸出端口。在此設(shè)計中，每個探針反饋貼片的原理與普通同軸線反饋貼片天線的原理相同，因此，所有的反饋探針3需要直接連接50歐姆的微帶線，緊接著連接100歐姆的微帶線，最后，通過一個阻抗變換連接到50歐姆的同軸電纜9。同軸電纜9穿過天線罩7，其內(nèi)芯連接反饋網(wǎng)絡(luò)4，外導(dǎo)體連接金屬地平面8，如圖1(a)及圖1(b)所示。反饋網(wǎng)絡(luò)是由一個阻抗變換器，90度的相位延遲和180度的相位延遲組成，其等價的電路模型如圖3所示。為了避免低的輻射效率，100歐姆的隔離電阻被取消。通過仔細選擇四個反饋點的位置和仔細優(yōu)化阻抗變換器參數(shù)，天線的輸入阻抗能被調(diào)節(jié)去獲得寬的阻抗帶寬。圓極化天線的實現(xiàn)原理通常圓極化天線需要輻射兩個相位差90度且相互垂直的線極化電場。天線結(jié)構(gòu)如圖1(a)及圖1(b)所示，設(shè)向+ζ軸傳播的電磁波電場由四個線極化電場組成，如圖2所示。隨著時間和位置的改變，這四個線極化電場可以用公式表示為
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用在超高頻RFID頻帶的高增益、小軸比圓極化天線，包括輻射貼片、PCB介質(zhì)板和反饋網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述輻射貼片用四根介質(zhì)圓環(huán)柱體一支撐于PCB介質(zhì)板上，四根金屬圓柱體探針穿過所述介質(zhì)圓環(huán)柱體一，每根金屬圓柱體探針的一端連接輻射貼片，另外一端穿過PCB介質(zhì)板，連接位于所述PCB介質(zhì)板上反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端口。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的圓極化天線，其特征在于，該天線容納于天線罩和金屬地平面構(gòu)成的空腔內(nèi)，其PCB介質(zhì)板通過介質(zhì)圓環(huán)柱體二支撐于金屬地平面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓極化天線，其特征在于，所述每根探針直接連接50歐姆的微帶線，緊接著連接100歐姆的微帶線，最后，通過一個阻抗變換器連接到50歐姆的同軸電纜，所述同軸電纜穿過天線罩，其內(nèi)芯連接反饋網(wǎng)絡(luò)，外導(dǎo)體連接金屬地平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓極化天線，其特征在于，所述探針的長度為25mm 35mm，直徑為O. 5mm 3mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓極化天線，其特征在于，介質(zhì)圓環(huán)柱體一的直徑為2mm 3mm,介質(zhì)圓柱環(huán)一的介電常數(shù)為2 3。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓極化天線，其特征在于，介質(zhì)圓環(huán)柱體二的直徑為3mm 12mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓極化天線，其特征在于，所述輻射貼片為正方形鋁板，其維度為 128_X128mm( O. 3904 λ Χ0. 3904 λ )，厚度為 O. 5 毫米。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7所述的任一種圓極化天線，其特征在于，反饋網(wǎng)絡(luò)被刻蝕在介電常數(shù)為3. 2的PCB介質(zhì)板的底面，與金屬地平面隔離O. 5mm 3mm的空氣介質(zhì)，所述PCB介質(zhì)板的寬度60mm 120mm,長度IOOmm 150mm。
全文摘要
本發(fā)明公開一種應(yīng)用在超高頻RFID頻帶的高增益、小軸比圓極化天線，包括輻射貼片、PCB介質(zhì)板和反饋網(wǎng)絡(luò)，所述輻射貼片用四根介質(zhì)圓環(huán)柱體一支撐于PCB介質(zhì)板上，四根金屬圓柱體探針穿過所述介質(zhì)圓環(huán)柱體一，每根金屬圓柱體探針的一端連接輻射貼片，另外一端穿過PCB介質(zhì)板，連接位于所述PCB介質(zhì)板上反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端口。為了提高天線的增益，取消了反饋網(wǎng)絡(luò)的隔離電阻以及引入反射金屬平面，本發(fā)明克服了目前RFID閱讀器天線軸比帶寬窄、中心頻率處3dB的軸比夾角小以及圓極化特性低等缺點，所述RFID閱讀器天線具有工作頻帶寬、增益高，尺寸小，軸比值小以及3dB軸比夾角大等優(yōu)點，并且天線設(shè)計方法簡單，加工易行。
文檔編號H01Q1/22GK102916243SQ20121043524
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者文光俊, 王平 申請人:電子科技大學(xué), 無錫成電科大科技發(fā)展有限公司