一种应用于RFID的低剖面宽波束圆极化阅读器天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是一种应用于RFID的低剖面宽波束圆极化阅读器天线。

背景技术

近年来，射频识别(RFID)在物流、供应链管理、资产跟踪和车辆定位等许多应用领域变得非常流行。在各种各样超高频无源射频识别系统使用不同的射频频率和技术，由于其成本、尺寸和长读取范围等诸多优势而受到广泛关注。圆极化天线被广泛应用于各种无线通信系统，如射频识别，全球导航卫星系统等，因为它们能有效地对抗极化失配和多径干扰。众所周知，通过激发两个振幅相等、相位差为90度的正交电场分量，可以得到圆极化辐射，目前常用的方法主要有多馈法和单馈法。对于RFID阅读器天线而言，波束宽度越宽，天线能有效识别电子标签的范围越广。因此，在设计阅读器天线时，需要重点关注天线的波束宽度，或者通过波束扫描来扩展覆盖电子标签的范围。RFID天线除了追求性能和品质的提升外，将朝着宽频及多频的应用方面发展，在具体制作技术上将朝着小型化、平面化及易于制作的方向发展。因此对于小型化环形天线的研究在RFID系统中有广阔的应用前景。

发明内容

本发明提出一种应用于RFID的低剖面宽波束圆极化阅读器天线，可覆盖RFID频段，低剖面、定向辐射，在最大辐射方向上的轴比小于3dB，具有圆极化且3dB轴比波束宽度宽，适合应用在移动终端设备中。

本发明采用以下技术方案。

一种应用于RFID的低剖面宽波束圆极化阅读器天线，所述阅读器天线包括内置有辐射器件腔的接地板（2）；所述辐射器件腔为内设有介质基板（1）的矩形腔；所述介质基板的上表面处设有辐射贴片（3）；所述辐射贴片的俯视向形状为多边形环；所述多边形环与矩形腔四个侧壁平行的四个边的中部具有内凹结构；所述矩形腔四个侧壁处与耦合寄生贴片（4）的始端相连；所述耦合寄生贴片的末端为指向辐射贴片的箭头形结构；所述箭头形结构与辐射贴边边缘紧邻，且探入辐射贴片多边形环边的内凹结构中。

所述接地板为全金属结构；接地板周沿处为可折叠的折叠结构（21）；当接地板的折叠结构处于向上折叠的形态时，所述折叠结构形成辐射器件腔的侧壁。

所述辐射器件腔的侧壁上部设有用于连接耦合寄生贴片始端的矩形金属条（22）。

所述辐射贴片为印制在介质基板上的贴片结构；所述阅读器天线还包括印刷在介质基板下表面处的馈电结构（5）。

所述馈电结构的俯视向形状包括两个大小不同且在顶点处垂直相交的等腰三角形。

所述馈电结构与辐射贴片形成馈电耦合结构；所述辐射贴片的多边形环周长接近或等于天线波束的波长；当多边形环的长度改变时，辐射贴片的谐振频率点也随之改变；所述馈电结构以同轴线缆（6）与辐射贴片相连；所述馈电耦合结构以馈电结构与辐射贴片之间的耦合面积差形成相位差；所述相位差可在天线内形成水平向电流和垂直向电流以使天线辐射波束圆极化。

所述耦合寄生贴片以四个箭头形结构与辐射贴片的四个内凹结构形成具有电容的小型耦合结构，所述具有电容的小型耦合结构可扩大天线的波束宽度。

所述介质基板与接地板辐射器件腔腔底之间设有空气层（7）。

所述阅读器天线的波束频段覆盖RFID频段，其波束在最大辐射方向上的轴比小于3dB，具有圆极化特征且3dB轴比波束宽度宽。

所述阅读器天线用于移动终端设备。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：天线结构简单，易于加工，实现定向辐射使得天线在最大辐射方向上的增益较高并且在在该方向上具有圆极化。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明所述天线的立体示意图；

附图2为本发明所述天线的侧视向示意图；

附图3为本发明所述天线的正视向示意图；

附图4为本发明所述天线的接地板立体示意图；

附图5为本发明所述天线的正视图辐射贴片所在区域的示意图；

附图6为本发明所述天线的正视图箭头形耦合寄生贴片所在区域的示意图；

附图7为本发明所述天线的正视图等腰三角形馈电结构所在区域的示意图；

附图8为本发明所述天线3dB轴比波束宽度仿真示意图；

附图9为本发明所述天线S11仿真示意图；

附图10为本发明所述天线轴比仿真示意图；

附图11为本发明所述天线922 MHz频率下Phi=0°平面实测和仿真的辐射方向示意图；

附图12为本发明所述天线922 MHz频率下Phi=90°平面实测和仿真的辐射方向示意图；

图中：1-介质基板；2-接地板；3-辐射贴片；4-耦合寄生贴片；5-馈电结构；6-同轴线缆；7-空气层；

21-折叠结构；22-矩形金属条；23-辐射器件腔。

具体实施方式

如图所示，一种应用于RFID的低剖面宽波束圆极化阅读器天线，所述阅读器天线包括内置有辐射器件腔的接地板2；所述辐射器件腔为内设有介质基板1的矩形腔；所述介质基板的上表面处设有辐射贴片3；所述辐射贴片的俯视向形状为多边形环；所述多边形环与矩形腔四个侧壁平行的四个边的中部具有内凹结构；所述矩形腔四个侧壁处与耦合寄生贴片4的始端相连；所述耦合寄生贴片的末端为指向辐射贴片的箭头形结构；所述箭头形结构与辐射贴边边缘紧邻，且探入辐射贴片多边形环边的内凹结构中。

所述接地板为全金属结构；接地板周沿处为可折叠的折叠结构21；当接地板的折叠结构处于向上折叠的形态时，所述折叠结构形成辐射器件腔的侧壁。

所述辐射器件腔的侧壁上部设有用于连接耦合寄生贴片始端的矩形金属条22。

所述辐射贴片为印制在介质基板上的贴片结构；所述阅读器天线还包括印刷在介质基板下表面处的馈电结构5。

所述馈电结构的俯视向形状包括两个大小不同且在顶点处垂直相交的等腰三角形。

所述馈电结构与辐射贴片形成馈电耦合结构；所述辐射贴片的多边形环周长接近或等于天线波束的波长；当多边形环的长度改变时，辐射贴片的谐振频率点也随之改变；所述馈电结构以同轴线缆6与辐射贴片相连；所述馈电耦合结构以馈电结构与辐射贴片之间的耦合面积差形成相位差；所述相位差可在天线内形成水平向电流和垂直向电流以使天线辐射波束圆极化。

所述耦合寄生贴片以四个箭头形结构与辐射贴片的四个内凹结构形成具有电容的小型耦合结构，所述具有电容的小型耦合结构可扩大天线的波束宽度。

所述介质基板与接地板辐射器件腔腔底之间设有空气层7。

所述阅读器天线的波束频段覆盖RFID频段，其波束在最大辐射方向上的轴比小于3dB，具有圆极化特征且3dB轴比波束宽度宽。

所述阅读器天线用于移动终端设备。

本实施例中，该天线总体尺寸为130mm×130mm×8.1mm，介质基板的尺寸为100mm×100mm×0.8mm。

介质基板1采用相对介电常数为4.4，tanθ=0.02的FR4作为基板，接地板采用0.3mm的铜片。

接地板是通过向上折起折叠结构21构成金属腔体结构，以减小接地面的尺寸，再折叠矩形条与耦合寄生贴片相连。

如图5所示，本发明所设计的辐射贴片3为向内凹进的环形结构，其周长大约为一个波长，通过调整其长度来产生合适的谐振频率点。

如图6所示，四个耦合寄生贴片4与环形辐射贴片3的四个边相耦合来产生电容以达到减小尺寸的效果，并且可以扩大波束宽度。

如图7所示，设计馈电结构为两个垂直放置的等腰三角形结构与环形辐射贴片的耦合程度不一样目的是产生水平方向和垂直方向的电流实现天线的圆极化。

图8为低剖面宽轴比波束宽度圆极化阅读器天线3dB轴比波束宽度仿真图，从图中可以看出，在Phi = 0°、Phi = 45°、Phi = 90°和Phi = 135°四个主要平面的3dB轴比波束宽度最低为190°。其电场Eθ和Eφ的相位差也是保持在90°左右。

图9所示为低剖面宽轴比波束宽度圆极化阅读器天线的反射系数S11的仿真结果图，从图中可以看出，仿真的-10 dB |S11|带宽为881-937 MHz，可以完全覆盖超高频射频识别的整个工作带宽。

图10所示为低剖面宽轴比波束宽度圆极化阅读器天线的轴比（Axial RatioValue）带宽，可以观察到仿真的AR带宽为907-923 MHz。

图11和图12分别给出了在922 MHz频率下Phi=0°和Phi=90°两个主要平面实测和仿真辐射方向图，仿真增益最大为4.6dBi。