一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线及其阻抗匹配方法

摘要

本发明涉及一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线及其阻抗匹配方法，所述读写器天线包括叠层微带天线、耦合贴片、馈电探针、双频频变复阻抗匹配电路和输入连接器；叠层微带天线由自上而下依次平行设置的上层印刷电路板、中层印刷电路板和下层印刷电路板组成，各层印刷电路板之间设有空气层间隙；耦合贴片位于中层印刷电路板的上表面，馈电探针的一端连接耦合贴片，另一端连接双频频变复阻抗匹配电路。本发明所述读写器天线可以实现单体双频工作，在840～845MHz和920～925MHz两个频段内均取得了良好的圆极化轴比带宽和阻抗带宽，读写器天线增益大于5dBi；并具有成本低、易加工等优点，完全适用于我国RFID系统的技术指标要求，对于推进我国RFID技术发展具有重要意义。

权利要求

1.一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线，其特征在于，包括叠层微带天线、耦合贴片、馈电探针、双频频变复阻抗匹配电路和输入连接器；其中：所述叠层微带天线由自上而下依次平行设置的上层印刷电路板、中层印刷电路板和下层印刷电路板组成，各层印刷电路板之间设有空气层间隙；上层印刷电路板由上下贴合的上层椭圆环形贴片和上层介质板构成，中层印刷电路板由上下贴合的中层介质板和下层椭圆环形贴片构成，下层印刷电路板由上下贴合的下层介质板和地板构成；上层椭圆环形贴片的长轴垂直于下层椭圆环形贴片的长轴；

所述耦合贴片位于中层印刷电路板的上表面，馈电探针的一端连接耦合贴片，另一端连接双频频变复阻抗匹配电路，双频频变复阻抗匹配电路位于所述下层印刷电路板的上表面；双频频变复阻抗匹配电路包括依次连接的微带传输线一、微带传输线二、微带传输线三和50欧姆馈线，微带传输线一与微带传输线二之间设微带开路枝节二，微带传输线二与微带传输线三之间设微带开路枝节一，50欧姆馈线连接输入连接器的内导体。

2.根据权利要求1所述的一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线，其特征在于，所述上层印刷电路板、中层印刷电路板和下层印刷电路板由固定螺丝固定，各层印刷电路板之间的固定螺丝外设固定套，固定套的高度为相应空气层间隙厚度。

3.根据权利要求1或2所述的一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线，其特征在于，所述空气层间隙总厚度为35～40mm。

4.根据权利要求1所述的一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线的阻抗匹配方法，其特征在于，首先通过调节所述微带开路枝节一的长度和宽度，改变读写器天线低频段和高频段的输入阻抗；通过调节所述微带开路枝节二的长度和宽度，改变读写器天线的高频段的输入阻抗，而对读写器天线低频段的输入阻抗影响很小；分别调节两段微带开路枝节的长度和宽度，可改变读写器天线低频段和高频段的输入阻抗，对读写器天线实现双频频变复阻抗匹配。

说明书

一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线及其阻抗匹

配方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于双频频变复阻抗匹配技术的双频圆极化叠层微带天线，尤其涉及一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线及其阻抗匹配方法。

背景技术

[0002] 射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)技术是一种通过射频信号识别目标并读写相关信息的无线通信技术，已广泛应用于电子收费、货物识别和门禁系统等领域。不同的国家和地区为超高频RFID系统分配的工作频段是不同的。国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC推荐的RFID频段为860～960MHz。欧洲工作频段为865～868MHz，北美工作频段为902～928MHz，日本工作频段为952～955MHz，我国的工作频段为840～845MHz和920～925MHz。

[0003] 天线作为RFID系统必不可少的信号收发装置，其性能好坏影响整个系统的性能。通常超高频RFID标签采用线极化天线，工程应用中要求读写器能够正确读写处于任何方向的标签，因此读写器应采用圆极化天线。微带天线由于成本低、体积小、重量轻、易加工、馈电结构灵活等优点，被广泛应用于RFID系统中。双频RFID系统为了降低成本、减小体积和提高质量，要求其圆极化定向读写器天线实现单体双频工作，以避免在系统中使用两个独立的天线。

[0004] 由于我国RFID技术分配使用的频段与国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC推荐的860～960MHz频段并不完全一致，因此研制适用于我国超高频RFID频段的读写器天线，对于推进我国RFID技术的发展具有重要的意义。有鉴于此，确有必要提出一种可以实现单体双频工作并且同时覆盖840～845MHz和920～925MHz两个频段的双频圆极化微带天线。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线，可以实现单体双频工作，在840～845MHz和920～925MHz两个频段内均取得了良好的圆极化轴比带宽和阻抗带宽，读写器天线增益大于5dBi；并具有成本低、易加工等优点，完全适用于我国RFID系统的技术指标要求；本发明同时提供了该读写器天线的阻抗匹配方法。

[0006] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

[0007] 一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线，包括叠层微带天线、耦合贴片、馈电探针、双频频变复阻抗匹配电路和输入连接器；其中：

[0008] 所述叠层微带天线由自上而下依次平行设置的上层印刷电路板、中层印刷电路板和下层印刷电路板组成，各层印刷电路板之间设有空气层间隙；上层印刷电路板由上下贴合的上层椭圆环形贴片和上层介质板构成，中层印刷电路板由上下贴合的中层介质板和下层椭圆环形贴片构成，下层印刷电路板由上下贴合的下层介质板和地板构成；上层椭圆环形贴片的长轴垂直于下层椭圆环形贴片的长轴；

[0009] 所述耦合贴片位于中层印刷电路板的上表面，馈电探针的一端连接耦合贴片，另一端连接双频频变复阻抗匹配电路，双频频变复阻抗匹配电路位于所述下层印刷电路板的上表面；双频频变复阻抗匹配电路包括依次连接的微带传输线一、微带传输线二、微带传输线三和50欧姆馈线，微带传输线一与微带传输线二之间设微带开路枝节二，微带传输线二与微带传输线三之间设微带开路枝节一，50欧姆馈线连接输入连接器的内导体。

[0010] 所述上层印刷电路板、中层印刷电路板和下层印刷电路板由固定螺丝固定，各层印刷电路板之间的固定螺丝外设固定套，固定套的高度为相应空气层间隙厚度。

[0011] 所述空气层间隙总厚度为35～40mm。

[0012] 一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线的阻抗匹配方法，首先通过调节所述微带开路枝节一的长度和宽度，改变读写器天线低频段和高频段的输入阻抗；通过调节所述微带开路枝节二的长度和宽度，改变读写器天线的高频段的输入阻抗，而对读写器天线低频段的输入阻抗影响很小；分别调节两段微带开路枝节的长度和宽度，可改变读写器天线低频段和高频段的输入阻抗，对读写器天线实现双频频变复阻抗匹配。

[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0014] 本发明所述读写器天线可以实现单体双频工作，在840～845MHz和920～925MHz两个频段内均取得了良好的圆极化轴比带宽和阻抗带宽，读写器天线增益大于5dBi；并具有成本低、易加工等优点，完全适用于我国RFID系统的技术指标要求，对于推进我国RFID技术的发展具有重要的意义。

附图说明

[0015] 图1是本发明所述读写器天线的侧视图。

[0016] 图2是本发明所述读写器天线的俯视图。

[0017] 图3是本发明实施例所述读写器天线的低频段驻波比图。

[0018] 图4是本发明实施例所述读写器天线的高频段驻波比图。

[0019] 图5是本发明实施例所述读写器天线的低频段圆极化轴比和增益图。

[0020] 图6是本发明实施例所述读写器天线的高频段圆极化轴比和增益图。

[0021] 图7是本发明实施例所述读写器天线的在低频段中心频率842.5MHz的辐射方向性图。

[0022] 图8是本发明实施例所述读写器天线的在高频段中心频率922.5MHz的辐射方向性图。

[0023] 图中：1.叠层微带天线 11.上层印刷电路板 111.上层椭圆环形贴片 112.上层介质板 12.中层印刷电路板 121.中层介质板 122.下层椭圆环形贴片 13.下层印刷电路板 131.下层介质板 132.地板 2.耦合贴片 3.馈电探针 4.双频频变复阻抗匹配电路 41.微带传输线一 42.微带传输线二 43.微带传输线三 44.微带开路枝节一 45.微带开路枝节二 46.50欧姆馈线 5.输入连接器 6.固定螺丝

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

[0025] 见图1-图2，是本发明所述读写器天线的结构示意图。本发明所述一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线，包括叠层微带天线1、耦合贴片2、馈电探针3、双频频变复阻抗匹配电路4和输入连接器5；其中：

[0026] 所述叠层微带天线1由自上而下依次平行设置的上层印刷电路板11、中层印刷电路板12和下层印刷电路板13组成，各层印刷电路板11、12、13之间设有空气层间隙；上层印刷电路板11由上下贴合的上层椭圆环形贴片111和上层介质板112构成，中层印刷电路板12由上下贴合的中层介质板121和下层椭圆环形贴片122构成，下层印刷电路板13由上下贴合的下层介质板131和地板132构成；上层椭圆环形贴片111的长轴垂直于下层椭圆环形贴片122的长轴；

[0027] 所述耦合贴片2位于中层印刷电路板12的上表面，馈电探针3的一端连接耦合贴片2，另一端连接双频频变复阻抗匹配电路4，双频频变复阻抗匹配电路4位于所述下层印刷电路板13的上表面；双频频变复阻抗匹配电路4包括依次连接的微带传输线一41、微带传输线二42、微带传输线三43和50欧姆馈线46，微带传输线一41与微带传输线二42之间设微带开路枝节二45，微带传输线二42与微带传输线三43之间设微带开路枝节一44，50欧姆馈线46连接输入连接器5的内导体。

[0028] 所述上层印刷电路板11、中层印刷电路板12和下层印刷电路板13由固定螺丝6固定，各层印刷电路板11、12、13之间的固定螺丝6外设固定套，固定套的高度为相应空气层间隙厚度。

[0029] 所述空气层间隙总厚度为35～40mm。

[0030] 本发明所述一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线的阻抗匹配方法，首先通过调节所述微带开路枝节一44的长度和宽度，改变读写器天线低频段和高频段的输入阻抗；通过调节所述微带开路枝节二45的长度和宽度，改变读写器天线的高频段的输入阻抗，而对读写器天线低频段的输入阻抗影响很小；分别调节两段微带开路枝节44.45的长度和宽度，可改变读写器天线低频段和高频段的输入阻抗，对读写器天线实现双频频变复阻抗匹配。

[0031] 为了实现双频工作，本发明采用了两个辐射贴片(上层椭圆环形贴片111和下层椭圆形贴片122)，上层辐射贴片工作于低频段，覆盖840～845MHz，下层辐射贴片工作于高频段，覆盖920～925MHz；为了实现圆极化波的辐射和接收，叠层微带天线1的两个辐射单元均采用椭圆环形贴片。为了展宽每个频段的圆极化轴比带宽，在叠层微带天线结构中设置了两层空气层间隙。空气层间隙越大，所能得到的圆极化轴比带宽越宽，但是读写器天线的剖面将越高，不利于读写器天线的小型化。本发明所提出的读写器天线其空气层间隙总厚度为35～40mm，这样在一定程度上既展宽了读写器天线的带宽，也使读写器天线的剖面不至于太高。

[0032] 为了减少高低工作频段的互相干扰，本发明上层椭圆环形贴片111的长轴垂直于下层椭圆环形贴片122的长轴，实现低频段与高频段不同的极化方式；上层椭圆环形贴片111辐射右旋圆极化波，下层椭圆环形贴片122辐射左旋圆极化波。此种结构减少了两个椭圆环形贴片的阴影重合部分，进而降低了两个椭圆环形贴片之间的互耦。

[0033] 本发明所述读写器天线的两个椭圆环形贴片111、122采用同一个电容性耦合贴片2进行激励。由于两个椭圆环形贴片的工作频率比很小，且工作于不同的极化方式，使得仅通过调节耦合贴片2的大小，无法实现双频段的输入阻抗匹配，因此在读写器天线的输入端引入了一个双频频变复阻抗匹配电路4。此外，为了减小耦合贴片2对两个椭圆环形贴片
111、122圆极化工作的影响，采用了尺寸较小的耦合贴片2。

[0034] 三段微带传输线(微带传输线一41、微带传输线二42和微带传输线三43)的电长度和特性阻抗各不相同，构成基于三段传输线的双频复阻抗匹配器，但其仅能对恒定复数阻抗进行双频匹配，其应用具有局限性。通过在三段微带传输线之间添加微带开路枝节一44和微带开路枝节二45，构成双频频变复阻抗匹配电路4，针对频变复数阻抗进行双频匹配，实现了双频频变复数阻抗匹配功能。

[0035] 通过调节所述微带开路枝节一44的长度和宽度，可以改变所述读写器天线低频段和高频段的输入阻抗；通过调节所述微带开路枝节二45的长度和宽度，可以改变所述读写器天线高频段的输入阻抗，而对所述读写器天线低频段的输入阻抗影响很小。分别调节两段微带开路枝节44、45的长度和宽度，可改变所述读写器天线低频段和高频段的输入阻抗，对读写器天线实现双频频变复阻抗匹配。

[0036] 本发明所述一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线的技术指标如下：

[0037] 频率范围：低频段836～848MHz、高频段915～932MHz；

[0038] 驻波比：2:1；

[0039] 轴比：≤3dB；

[0040] 极化方式：低频段RHCP、高频段LHCP；

[0041] 天线增益：≥5dBi；

[0042] 半功率波束宽度：低频段77°、高频段70°。

[0043] 以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

[0044] 【实施例】

[0045] 如图1所示，本实施例中一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线，包括叠层微带天线1、耦合贴片2、馈电探针3、双频频变复阻抗匹配电路4、输入连接器5和和固定螺丝6。叠层微带天线1自上而下依次为上层印刷电路板11、中层印刷电路板12和下层印刷电路板13；上层印刷电路板11、中层印刷电路板12和下层印刷电路板13依次通过固定螺丝6进行固定，并通过在固定螺丝6外设置的轴套，保持上层印刷电路板11、中层印刷电路板12和下层印刷电路板13之间的空气层间隙。

[0046] 上层印刷电路板11自上而下依次为上层椭圆环形贴片111和上层介质板112；中层印刷电路板12自上而下依次为中层介质板121和下层椭圆环形贴片122；下层印刷电路板13自上而下依次为下层介质板131和地板132。

[0047] 上层椭圆环形贴片111工作于低频段，覆盖840～845MHz，下层椭圆环形贴片122工作于高频段，覆盖920～925MHz；上层椭圆环形贴片111的长轴垂直于下层椭圆环形贴片122的长轴，实现低频段与高频段不同的极化方式。

[0048] 耦合贴片2位于中层印刷电路板12的上表面。馈电探针3的一端连接耦合贴片2，另一端连接双频频变复阻抗匹配电路4。双频频变复阻抗匹配电路4位于下层印刷电路板13的上表面。

[0049] 如图2所示，双频频变复阻抗匹配电路4包括：微带传输线一41、微带传输线二42、微带传输线三43、微带开路枝节一44、微带开路枝节二45和50欧姆馈线46，50欧姆馈线46连接输入连接器5的内导体。

[0050] 双频频变复阻抗匹配电路4通过在微带传输线一41和微带传输线二42之间添加微带开路枝节二45，在微带传输线二42和微带传输线三43之间添加微带开路枝节一44，实现了双频频变复数阻抗匹配功能。

[0051] 通过调节微带开路枝节一44的长度和宽度，可以改变本发明所述840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线低频段和高频段的输入阻抗；通过调节微带开路枝节二45的长度和宽度，可以改变读写器天线高频段的输入阻抗，而对读写器天线低频段的输入阻抗影响很小。

[0052] 首先通过调节微带开路枝节一44的长度和宽度，对本实施例读写器天线的低频段实现阻抗匹配；然后通过调节微带开路枝节二45的长度和宽度，对本实施例读写器天线的高频段实现阻抗匹配。

[0053] 见图3，是本实施例所述读写器天线的低频段驻波比图。见图4，是本发明所述读写器天线的高频段驻波比图。本实施例的840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线在830～855MHz和905～935MHz两个频段内驻波比均小于2，完全覆盖840～845MHz和920～925MHz两个频段，说明本发明提出的双频频变复阻抗匹配电路4具有良好的双频复阻抗匹配功能。

[0054] 见图5，是本实施例所述读写器天线的低频段圆极化轴比和增益图。见图6，是本发明所述读写器天线的高频段圆极化轴比和增益图。其中竖轴方向表示增益，其单位为dB，GainLHCP表示左圆极化，GainRHCP表示右圆极化。本实施例中一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线在836～848MHz和915～932MHz两个频段内圆极化轴比均小于3dB，完全覆盖840～845MHz和920～925MHz两个频段，说明本发明提出的读写器天线的圆极化性能良好。

[0055] 见图7，是本实施例所述读写器天线的在低频段中心频率842.5MHz的辐射方向性图。见图8，是本实施例所述读写器天线的在高频段中心频率922.5MHz的辐射方向性图。本实施例中，一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线在低频段内实现了右旋圆极化，在高频段内实现了左旋圆极化，说明本发明将上层椭圆环形贴片111的长轴垂直于下层椭圆环形贴片122的长轴，实现了低频段与高频段不同的极化方式。

[0056] 本实施例一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线，由于采用了所提出的双频频变复阻抗匹配电路4，使读写器天线取得了良好的双频复阻抗匹配效果，另外读写器天线介质板采用廉价的FR4板材，加工简单、成本低，非常适合于我国超高频RFID读写器天线的应用。

[0057] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。