超带宽可集成读写器电路模块的uhf频段rfid读写器天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，该读写器天线包括基板材料、平面天线、共面波导、串联匹配电感、对地并联匹配电容和UHF频段RFID读写器电路模块，其中:平面天线在基板材料的上表面，UHF读写器电路模块及共面波导在基板材料的下表面，在上下表面印刷部件通过第一导电通孔实现电气连接;UHF频段RFID读写器电路模块与平面天线共地，通过基板材料上的第二导电通孔实现共地连接，并且二者通过共面波导实现连接和馈电。与现有技术比，本发明提供的读写器天线具有体积小、结构简单、工作带宽大、制造成本低、加工一致性高等特点。
【专利说明】超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线
【技术领域】
[0001]本发明涉及物联网技术中射频识别(Rad1 Frequency Identificat1n,简称RFID)【技术领域】，特别涉及一种超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线。
【背景技术】
[0002]物联网技术是继互联网技术之后，未来信息技术发展的重要方向。射频识别(Rad1 Frequency Identif icat1n,简称RFID)技术则是物联网的核心技术之一。RFID技术是利用无线信号进行非接触的双向通信，可以自动识别目标，获取目标相关数据和信息的技术。它在人类日常生活有广泛应用，可用于金融系统的身份识别、大型超市和仓库的物品管理、交通运输系统车辆监控、工业生产中的安全盟控和供应链管理、医疗卫生系统信息管理、图书档案管理及军事防御等诸多领域，可以极大的提高人类生产和生活的便捷性、安全性和效率，对中国建设资源节约型和环境友好型社会亦有极大的推动作用。
[0003]依据技术类型不同，工作距离在几十厘米到几十米范围内RFID系统可以工作在不同的频率，按照工作频率可以分为低频(LF，125?135KHz)、高频(HF，13.56MHz)、超高频(UHF，840?960MHz)和微波(MW，2.4?2.5GHz)等系统。LF和HF频段RFID技术均采用近场工作原理，当前已经比较成熟，在日常生活中，各种门卡、银行卡、公交卡等都是其具体应用，但由于近场电磁储能衰减很快，其读写区域和距离不大，通常在几十厘米的范围内。
[0004]UHF频段RFID系统依据各国标准不同，其工作频率主要分布在840?960MHz范围，对应工作波长在33cm左右，读写器天线的尺寸通常在十几到几十厘米量级或更大，读写器天线的尺寸从根本上决定了整个读写器系统的尺寸。
[0005]由于各国在UHF频段下，RFID系统的工作频率不同，约在840?960MHz范围内。通过设计高带宽的读写器天线，满足各国的频率标准，可以有效提高天线的通用性、便捷性，降低天线的制作和转换成本。因而高带宽、通用读写器天线设计也是国际上的研究热点之
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【发明内容】
[0006](一 )要解决的技术问题
[0007]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，以实现天线小型化并覆盖目前国际上的整个UHF频段。
[0008]( 二 )技术方案
[0009]为达到上述目的，本发明提供了一种超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，该读写器天线包括基板材料1、平面天线2、共面波导3、串联匹配电感4、对地并联匹配电容5和UHF频段RFID读写器电路模块6，其中:平面天线2在基板材料I的上表面，UHF读写器电路模块6及共面波导3在基板材料I的下表面，在上下表面印刷部件通过第一导电通孑L7实现电气连接;UHF频段RFID读写器电路模块6与平面天线2共地，通过基板材料I上的第二导电通孔7’实现共地连接，并且二者通过共面波导3实现连接和馈电。
[0010]上述方案中，所述平面天线2是由倒F型天线经由多次平面构型增加天线谐振长度后演变而来。
[0011]上述方案中，通过在倒F型天线的地平面边沿添加直角折形微带线，增加天线的谐振长度。通过在倒F型天线的地平面开矩形缝隙，在天线地平面边沿形成了微带线，进一步增加了天线的谐振长度。
[0012]上述方案中，通过在倒F原型天线的末端添加微带线并与直角折形微带线构成缝隙电容耦合；亦或通过缝隙间焊接集总电容元件，进一步增加耦合强度。通过在微带线上开矩形缝隙，提高天线的极化特性。
[0013]上述方案中，通过在天线上加载并联对地的叉指电容和串联折线电感，实现天线的精确阻抗匹配。
[0014]上述方案中，所述共面波导3由中心信号线301和两侧地平面302、303构成；所述UHF频段RFID读写器电路模块6经由共面波导3的中心信号线301及第一导电通孔7与平面天线2连接，对平面天线2实现馈电；所述共面波导3两侧的地平面302、303则通过第二导电通孔V与平面天线2的地平面8连接。
[0015]上述方案中，所述串联匹配电感4为折线型，所述对地并联匹配电容5为叉指型，二者均通过印刷电路制作，用来实现对电感值、电容值的精确控制。对于串联匹配电感4，是通过改变线长、线宽及折线单元数目来改变电感值的大小；对于对地匹配电容5，是通过改变叉指电容的间隙、长度、叉指单元数目来改变电容值的大小。
[0016](三)有益效果
[0017]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0018]1、针对目前UHF频段RFID读写器天线尺寸较大的特点，本发明在倒F型天线的基础上，通过平面构型，在有限的面积内增加整个天线的谐振长度，实现天线的小型化。
[0019]2、本发明提供的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，将UHF频段RFID读写器电路模块与天线集成在同一块基板上，进一步缩减了整个UHF频段RFID读写器系统的体积；同时，该天线具有超带宽特性，并覆盖目前国际的整个UHF频段840MHz ?960MHz。
[0020]3、本发明提供的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，通过加载并联对地的叉指电容和串联折线电感，实现天线的阻抗匹配，提高带宽性能；此外，该超宽带天线结构，也可用于其它频段的天线或阵列天线设计。
[0021]4、本发明提供的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，通过并联叉指对地电容、串联折线型电感进行阻抗的精确匹配，拓展了天线的工作带宽。
[0022]5、本发明提供的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，与现有技术比，具有体积小、结构简单、工作带宽大、制造成本低、加工一致性高等特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为依照本发明实施例的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线的结构示意图；
[0024]图2为图1所示读写器天线由倒F型天线结构演变而来的说明图；
[0025]图3为图1所示读写器天线在不同直角折线长度下的回波损耗图；
[0026]图4为图1所示读写器天线在不同串联匹配电感下的仿真回波损耗及工作带宽；
[0027]图5为图1所示读写器天线的仿真三维增益图；
[0028]图6为图1所示读写器天线的仿真结果与测量结果的比较示意图。
【具体实施方式】
[0029]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0030]本发明提供的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，是由传统的倒F型天线经多次变形而来，其核心设计思路是通过天线的平面构型，在有限的面积内增加天线的谐振长度，从而降低工作频率，其中，在所述天线的地平面的边沿添加直角折形微带线，增加整个天线的谐振长度；通过在倒F原型天线的末端，添加微带线并与直角折形微带线构成缝隙电容耦合；亦或通过缝隙间焊接集总电容元件，进一步增加耦合强度。在倒F原型天线的地平面上开凿矩形缝隙，从而在天线地平面边沿形成了微带线，进一步增加了天线的谐振长度。
[0031]在本发明提供的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线中，表面电流有相互垂直的两个流向，通过在所述天线开槽所形成的微带线上再次开凿矩形缝隙，形成两条微带线，提高具有较弱表面电流的一个方向的表面电流强度，进而提高天线的极化特性。
[0032]如图1所示，图1为依照本发明实施例的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线的结构示意图，该读写器天线包括基板材料1、平面天线2、共面波导3、串联匹配电感4、对地并联匹配电容5和UHF频段RFID读写器电路模块6，其中:平面天线2在基板材料I的上表面，UHF读写器电路模块6及共面波导3在基板材料I的下表面，在上下表面印刷部件通过第一导电通孔7实现电气连接;UHF频段RFID读写器电路模块6与平面天线2共地，通过基板材料I上的第二导电通孔V实现共地连接，并且二者通过共面波导3实现连接和馈电。
[0033]其中，平面天线2是由倒F型天线经由多次平面构型增加天线谐振长度后演变而来。通过在倒F型天线的地平面边沿添加直角折形微带线，增加天线的谐振长度。通过在倒F型天线的地平面开矩形缝隙，在天线地平面边沿形成了微带线，进一步增加了天线的谐振长度。通过在倒F原型天线的末端添加微带线并与直角折形微带线构成缝隙电容耦合；亦或通过缝隙间焊接集总电容元件，进一步增加耦合强度。通过在微带线上开矩形缝隙，提高天线的极化特性。通过在天线上加载并联对地的叉指电容和串联折线电感，实现天线的精确阻抗匹配。
[0034]共面波导3由中心信号线301和两侧地平面302、303构成；所述UHF频段RFID读写器电路模块6经由共面波导3的中心信号线301及第一导电通孔7与平面天线2连接，对平面天线2实现馈电；所述共面波导3两侧的地平面302、303则通过第二导电通孔7’与平面天线2的地平面8连接。
[0035]串联匹配电感4为折线型，所述对地并联匹配电容5为叉指型，二者均通过印刷电路制作，用来实现对电感值、电容值的精确控制。对于串联匹配电感4，是通过改变线长、线宽及折线单元数目来改变电感值的大小；对于对地匹配电容5，是通过改变叉指电容的间隙、长度、叉指单元数目来改变电容值的大小。
[0036]再次参照图1，图1中实线表示基板材料I上表面印刷的部件，虚线则表示基板材料I下表面印刷的部件；在上下表面印刷部件需要电气连接时，通过导电通孔实现；平面天线2在基板材料I的上表面，UHF读写器电路模块6及共面波导3在基板材料I的下表面。
[0037]读写器电路模块6通过共面波导3对平面天线2进行馈电；共面波导3由中心信号线301和两侧地平面302和303组成；读写器电路模块6经由共面波导3的中心信号线301及通孔7与平面天线2连接，对平面天线2实现馈电；共面波导3两侧的地平面302和303则通过通孔V与平面天线2的地平面8连接。
[0038]串联匹配电感4为折线型，对地并联匹配电容5为叉指型，它们均通过印刷电路制作，可实现电感值、电容值的精确控制；对于串联匹配电感4可通过改变线长、线宽及折线单元数目来改变电感值的大小；对于对地匹配电容5可通过改变叉指电容的间隙、长度、叉指单元数目来改变电容值的大小。
[0039]请结合图2，本发明提供的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，可看成由传统倒F型天线演变而来；图2 (a)是传统的倒F型天线，9是F型辐射单元，10是倒F型天线的地平面；在图2(b)中，在地平面10’的右上边缘添加直角折线型微带线11，其在水平方向的长度为11’，微带线11可增加天线的谐振长度；为了有效的实现对微带线11部分的激励，在原倒F型天线的末端9’添加微带线12，使得微带线12与微带线11间形成缝隙电容耦合，微带线13与微带线11之间的间隙13可以改变耦合强度；必要情况下，也可在间隙13间添加集总电容13’，以增强电容耦合强度；图2(c)是在图2(b)的基础上:通过在地平面10’上开凿矩形框14，形成微带线15，进一步增加天线的谐振长度；图2(d)是在图2(c)的微带线15上，开凿矩形框16，形成另外一条微带线17，以增强竖直方向的表面电流大小，从而达到增强天线极化特性的目的。在图2(d)中，叉指电容18为叉指形，折线电感19为折线形，均通过印刷电路板制作，可优化天线的阻抗匹配，满足高带宽要求。
[0040]图3所示，是直角折线11的在不同长度11’情况下(对应图2(d)中天线结构，但未添加用于阻抗匹配的叉指电容18、折线电感19)，天线回波损耗的仿真结果；图3中曲线21、曲线22、曲线23分别对应直角折线11的水平方向长度11’为40mm、30mm、20mm的仿真结果；可以发现，随着长度11’的增加，天线的谐振频率会降低，说明直角折线11的长度可以有效改变天线的工作频率，该直角折线的平面构型对于缩减天线尺寸是有效的。
[0041]图4所示，是在对地并联叉指匹配电容18固定、改变串联匹配电感19情况下，天线的回波损耗；匹配电感19的电感值通过图2(d)电感单元的长度20来调节；图4中曲线24、曲线25、曲线26分别对应电感长度20为3.5mm、4.0mm、4.5mm时的仿真结果；可发现，调节匹配元器件对天线的工作频率、工作带宽都有比较显著的影响。因此，通过印刷电路技术，制作精确的匹配电容、匹配电感对天线的阻抗匹配很重要。
[0042]图5所示，是本发明实施的测量结果与仿真结果，测量结果27与仿真结果28的带宽范围基本一致。在测量结果27中，在853MHz?874MHz的一段频率范围内，回波损耗稍微超出-10dB，在859MHz处最高为_9.65dB。若不考虑在此小频段范围内回波损耗超出_10dB，此天线在-1OdB回波损耗下的工作频率范围为:717MHz?1204MHz，带宽为487MHz，以中心频率计算相对工作带宽约为:
[0043]2X (1024-717) / (1024+717)=55.9%
[0044]以25%以上的相对带宽为超带宽的定义，此天线完全满足超带宽要求。
[0045]图6所示，是本发明实施例的天线仿真增益图，图中XYZ直角坐标轴与图1中直角坐标轴对应。主要辐射方向在X轴正半轴、Y轴负半轴所在区域，沿XY平面呈对称结构；最大辐射方向为XY平面内315度方向(即与X轴正半轴、Y轴负半轴夹角均45度方向)，最大增益为2.8dBi。
[0046]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，其特征在于，该读写器天线包括基板材料(1)、平面天线(2)、共面波导(3)、串联匹配电感(4)、对地并联匹配电容(5)和UHF频段RFID读写器电路模块(6)，其中: 平面天线(2)在基板材料(1)的上表面，UHF读写器电路模块(6)及共面波导(3)在基板材料(1)的下表面，在上下表面印刷部件通过第一导电通孔(7)实现电气连接； UHF频段RFID读写器电路模块(6)与平面天线(2)共地，通过基板材料(1)上的第二导电通孔(7’ )实现共地连接，并且二者通过共面波导(3)实现连接和馈电。
2.根据权利要求1所述的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，其特征在于，所述平面天线(2)是由倒F型天线经由多次平面构型增加天线谐振长度后演变而来。
3.根据权利要求2所述的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，其特征在于，通过在倒F型天线的地平面边沿添加直角折形微带线，增加天线的谐振长度。
4.根据权利要求3所述的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，其特征在于，通过在倒F型天线的地平面开矩形缝隙，在天线地平面边沿形成了微带线，进一步增加了天线的谐振长度。
5.根据权利要求2所述的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，其特征在于，通过在倒F原型天线的末端添加微带线并与直角折形微带线构成缝隙电容耦合；或者通过缝隙间焊接集总电容元件，进一步增加耦合强度。
6.根据权利要求5所述的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，其特征在于，通过在微带线上开矩形缝隙，提高天线的极化特性。
7.根据权利要求2所述的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，其特征在于，通过在天线上加载并联对地的叉指电容和串联折线电感，实现天线的精确阻抗匹配。
8.根据权利要求1所述的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，其特征在于，所述共面波导(3)由中心信号线(301)和两侧地平面(302、303)构成； 所述UHF频段RFID读写器电路模块(6)经由共面波导(3)的中心信号线(301)及第一导电通孔(7)与平面天线(2)连接，对平面天线(2)实现馈电； 所述共面波导(3)两侧的地平面(302、303)则通过第二导电通孔(7’)与平面天线(2)的地平面8连接。
9.根据权利要求1所述的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，其特征在于，所述串联匹配电感(4)为折线型，所述对地并联匹配电容(5)为叉指型，二者均通过印刷电路制作，用来实现对电感值、电容值的精确控制。
10.根据权利要求9所述的超带宽可集成读写器电路模块的UHF频段RFID读写器天线，其特征在于， 对于串联匹配电感(4)，是通过改变线长、线宽及折线单元数目来改变电感值的大小； 对于对地匹配电容(5)，是通过改变叉指电容的间隙、长度、叉指单元数目来改变电容值的大小。
【文档编号】G06K17/00GK104466353SQ201310424436
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】杨勇, 张海英, 杨浩, 尹军舰, 张俊 申请人:中国科学院微电子研究所