具有电大尺寸识别区域的近场射频识别天线转让专利
申请号 : CN201810617989.9
文献号 : CN108808247B
文献日 : 2020-03-20
发明人 : 刘学观 , 吕洪辉
申请人 : 苏州大学
摘要 :
本发明公开了一种具有电大尺寸识别区域的近场射频识别天线，天线结构包括设置在外围的第一环形天线以及设置于第一环形天线内部的耦合环形天线，所述第一环形天线和耦合环形天线包括多个交指结构，所述交指结构间通过传输线连接；所述第一环形天线的底端中部向耦合环形天线侧弯折，所述第一环形天线的底端设有馈电端口。一方面保证电大尺寸的识别区域，增加识别距离，另一方面在保证近场磁场强度和均匀性的情况下，降低识别区域外的磁场，避免标签的误读。
权利要求 :
1.一种具有电大尺寸识别区域的近场射频识别天线，其特征在于，天线结构包括设置在外围的第一环形天线以及设置于第一环形天线内部的耦合环形天线，所述第一环形天线和耦合环形天线包括多个交指结构，所述交指结构间通过传输线连接；所述第一环形天线的底端中部向耦合环形天线侧弯折，所述第一环形天线的底端设有馈电端口。
2.根据权利要求1所述的具有电大尺寸识别区域的近场射频识别天线，其特征在于，所述交指结构包括一上块和与之配合的下块，所述上块向下设置有至少一个凸部，所述凸部延伸至下块的凹部内，所述凸部与凹部有间隙。
3.根据权利要求2所述的具有电大尺寸识别区域的近场射频识别天线，其特征在于，所述交指结构形成的电容与连接的传输线的电感在中心频率处谐振。
4.根据权利要求2或3所述的具有电大尺寸识别区域的近场射频识别天线，其特征在于，所述耦合环形天线每条边上设置4个交指结构。
5.根据权利要求2或3所述的具有电大尺寸识别区域的近场射频识别天线，其特征在于，所述第一环形天线的上端设有7个交指结构，所述第一环形天线的底端设有10个交指结构，第一环形天线的两侧端分别设有8个交指结构。
6.根据权利要求1所述的具有电大尺寸识别区域的近场射频识别天线，其特征在于，所述第一环形天线的底端的弯折部的长度接近耦合环形天线的底端长度。
7.根据权利要求6所述的具有电大尺寸识别区域的近场射频识别天线，其特征在于，所述第一环形天线的底端的弯折部的每条边上设置有2个交指结构。
说明书 :
具有电大尺寸识别区域的近场射频识别天线
技术领域
[0001] 本发明涉及超高频近场射频识别天线技术领域，具体地涉及一种具有电大尺寸识别区域的近场射频识别天线。
背景技术
[0002] 射频识别 (Radio Frequency Identification，RFID)是一种非接触式自动识别技术，主要由阅读器、标签与阅读器天线构成。阅读器发出射频信号，利用空间耦合的方式，标签感应所产生的电流会激发标签内的芯片工作，最后阅读器会识别标签内发出射频信号，从而实现了对标签内信息的读写。在近场RFID 系统中，阅读器天线与标签的耦合方式可以分为磁场耦合和电场耦合。如果采用电场耦合的方式，感应出的能量以电场的方式传递，电场的分布会受到天线周围较大介电常数和较大损耗的物体所影响。而在磁场耦合方式下，感应出的能量以磁场的方式传递，磁场仅会被具有较高磁导率的物体所影响。但是在自然界中，具有较高介电常数的物体非常常见，但是具有较高磁导率的物体却非常少，为使得天线可靠工作于复杂环境中，大多数专家和学者研究基于磁场耦合技术的近场RFID阅读器天线。对于传统的LF/HF RFID阅读器天线，一般采用电小尺寸（线圈的周长小于，λ是对应频率下自由空间中的波长）的线圈天线，线圈上的电流方向可以保持同向，这样可以在线圈中心产生强而均匀的磁场，然而对于超高频近场RFID阅读器天线的设计却有一个新的技术难题，那就是超高频段的电磁波波长较短，在设计电大尺寸（线圈的周长大于，λ是对应频率下自由空间中的波长）的近场射频识别阅读器天线时，电流在四分之一波长位置时会衰减为零并改变方向，这种现象会削弱天线区域内所产生的磁场强度，使得标签读取能力下降。因此如何克服电流反向问题，使得天线在电大尺寸的区域内产生强而均匀的磁场是近场UHF-RFID天线设计的关键。
[0003] 为了解决上述问题，近年来有很多学者提出了多款基于磁场耦合技术的近场UHF-RFID天线。文献[2]（Qing X, Goh C K, and Chen Z N. A Broadband Near-field UHF RFID antenna[J], IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2010, 58(12): 3829-3838.）采用分段耦合金属线之间引入电容的方式来改变线圈上电流的相位，从而实现线圈上的电流同向分布，识别区域为154×154mm2(0.47λ×0.47λ，λ是915MHz频率时自由空间中的波长)，100%标签识别率的最大距离可以达到24mm。文献[4]（Shi J, Qing X, and Chen Z N. Electrically Large Zero-Phase-shift Line Grid-Array UHF near-field RFID Reader Antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2014,
2
62(4):2201-2208.）利用阵列形式扩大识别区域，识别区域可以达到308×150mm (0.94λ×
0.46λ)，100%标签识别率的最大距离是13.5mm。文献[6] （Shen L W, Zhuang W, Tang W C, and Ma J. Achieving Uniform Perpendicular Magnetic Field Distribution for Near-field UHF RFID[J]. IET Microwaves Antennas and Propagation, 2016, 10(2):
215-222.）基于反向电流（ODCS，Opposite Directed Currents）的原理，利用“交指型”的两个反相电流单元和一个相位相差900的馈电网络，实现了在电大尺寸的识别区域（460×
160mm2）内磁场均匀分布。文献[7] （Pakkathillam J K, Kanagasabai M, Varadhan C, et al. A Novel Fractal Antenna for UHF Near-Field RFID Readers[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letter, 2013, 12(5):1141-1144.）是利用分形结构设计了一款V形UHF近场 RFID 阅读器天线，该天线在 V 形金属板的边缘产生了两条方向相反的电流，因此在 V 形开口方向产生了较强的磁场，天线的标签读取面积较大，但由于该天线的电流无法形成闭合的环形，因此磁场的边界不明显。综上，以上文献都未提到关于识别区域外标签误读的问题，这也是近场UHF-RFID天线设计中不可忽视的问题。
2
62(4):2201-2208.）利用阵列形式扩大识别区域，识别区域可以达到308×150mm (0.94λ×
0.46λ)，100%标签识别率的最大距离是13.5mm。文献[6] （Shen L W, Zhuang W, Tang W C, and Ma J. Achieving Uniform Perpendicular Magnetic Field Distribution for Near-field UHF RFID[J]. IET Microwaves Antennas and Propagation, 2016, 10(2):
215-222.）基于反向电流（ODCS，Opposite Directed Currents）的原理，利用“交指型”的两个反相电流单元和一个相位相差900的馈电网络，实现了在电大尺寸的识别区域（460×
160mm2）内磁场均匀分布。文献[7] （Pakkathillam J K, Kanagasabai M, Varadhan C, et al. A Novel Fractal Antenna for UHF Near-Field RFID Readers[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letter, 2013, 12(5):1141-1144.）是利用分形结构设计了一款V形UHF近场 RFID 阅读器天线，该天线在 V 形金属板的边缘产生了两条方向相反的电流，因此在 V 形开口方向产生了较强的磁场，天线的标签读取面积较大，但由于该天线的电流无法形成闭合的环形，因此磁场的边界不明显。综上，以上文献都未提到关于识别区域外标签误读的问题，这也是近场UHF-RFID天线设计中不可忽视的问题。
[0004] 可见，现有的基于磁场耦合技术的近场天线UHF-RFID天线可以实现电大尺寸的识别区域，但是都存在识别区域外标签误读的问题。
发明内容
[0005] 为了解决现有技术存在的问题，本发明目的是：提供一种具有电大尺寸识别区域的近场射频识别天线，一方面保证电大尺寸的识别区域，增加识别距离，另一方面在保证近场磁场强度和均匀性的情况下，降低识别区域外的磁场，避免标签的误读。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] 一种具有电大尺寸识别区域的近场射频识别天线，天线结构包括设置在外围的第一环形天线以及设置于第一环形天线内部的耦合环形天线，所述第一环形天线和耦合环形天线包括多个交指结构，所述交指结构间通过传输线连接；所述第一环形天线的底端中部向耦合环形天线侧弯折，所述第一环形天线的底端设有馈电端口。
[0008] 优选的技术方案中，所述交指结构包括一上块和与之配合的下块，所述上块向下设置有至少一个凸部，所述凸部延伸至下块的凹部内，所述凸部与凹部有间隙。
[0009] 优选的技术方案中，所述交指结构形成的电容与连接的传输线的电感在中心频率处谐振。
[0010] 优选的技术方案中，所述耦合环形天线每条边上设置4个交指结构。
[0011] 优选的技术方案中，所述第一环形天线的上端设有7个交指结构，所述第一环形天线的底端设有10个交指结构，第一环形天线的两侧端分别设有8个交指结构。
[0012] 优选的技术方案中，所述第一环形天线的底端的弯折部的长度接近耦合环形天线的底端长度。
[0013] 优选的技术方案中，所述第一环形天线的底端的弯折部的每条边上设置于2个交指结构。
[0014] 与现有技术相比，本发明的优点是：
[0015] 一方面保证电大尺寸的识别区域，增加识别距离，另一方面在保证近场磁场强度和均匀性的情况下，降低识别区域外的磁场，避免标签的误读。
附图说明
[0016] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
[0017] 图1为本发明天线结构示意图；
[0018] 图2为本发明交指结构示意图；
[0019] 图3为本发明天线表面电流分布示意图；
[0020] 图4为本发明天线仿真与实测回波损耗示意图；
[0021] 图5天线不同观察高度平面仿真磁场分布示意图；
[0022] 图6天线标签识别率随观察高度变化曲线。
具体实施方式
[0023] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0024] 实施例：
[0025] 如图1所示，一种具有电大尺寸识别区域的近场射频识别天线，该天线采用介电常数是4.4，损耗角正切是0.02，厚度是0.8mm的FR4板材。天线整体由两个环型结构组成：外环结构以及内部的寄生耦合环结构。两个环形结构都是由传输线和多个“交指结构”构成。外环底端是馈电部分，并向中心区域弯折。采用双面曲折微带线馈电结构。经过仿真优化，该天线的具体结构和尺寸如图1所示。外环结构为环形天线10设置在外围，耦合环结构为耦合环形天线20设置于外环天线内部，环形天线10和耦合环形天线20包括多个交指结构30，交指结构30间通过传输线13连接；环形天线10的底端中部向耦合环形天线20侧弯折，环形天线10的底端设有馈电端口40。
[0026] 如图2所示，交指结构30包括一上块31和与之配合的下块32，上块31向下设置有至少一个凸部311，凸部311延伸至下块32的凹部321内，凸部311与凹部321有一定间隙。
[0027] 交指结构30形成的电容与连接的传输线13的电感在中心频率处谐振。
[0028] 耦合环形天线20每条边上设置4个交指结构30。
[0029] 环形天线10的上端设有7个交指结构30，环形天线10的底端设有10个交指结构，环形天线10的两侧端分别设有8个交指结构。
[0030] 环形天线10的底端的弯折部11的长度接近耦合环形天线20的底端长度。弯折部11的每条边上设置于2个交指结构30。
[0031] 该天线的工作原理如下：为了实现天线在电大尺寸区域(320×320mm2,0.98λ×0.98λ)内产生强而均匀的磁场分布，另外区域外的磁场迅速衰减到标签识别阈值的目的，本发明采用了多种技术手段。首先，通过在外环与内环上采用多个“交指结构”，相当于电容加载，调整“交指结构”的数目以及间距来获得合适大小的电容值，使得每段传输线与连接它的电容在中心频率处谐振，此时该电容可以与传输线上的电感相抵消。原先电流在每段传输线上产生的滞后相位，就会因为谐振而得到补偿，从而实现了外环和内环上的电流反向流动。根据右手螺旋定则，外环和内环之间的磁场会相互叠加，外环之外和内环以内区域的磁场会相互抵消；另一方面，采用“交指结构”的电容加载后，环上电流保持同向流动的长度增大，从而扩大了识别区域。然后，本发明将馈电部分往中心区域（y方向）弯折，并靠近内环，从而增大了与内环耦合的强度，内环产生的磁场更强，天线实现了在整个电大区域内磁场均匀分布的目的，而区域外磁场衰减至识别阈值。
[0032] 图3为天线在915MHz频率处的表面电流分布示意图，从图中可以看出，天线两个环行结构上电流是同向分布的。
[0033] 图4为本发明天线仿真与实测回波损耗示意图，从图中可以看出，-10dB阻抗带宽为255MHz，从720MHz到975MGHz，包含了整个UHF频段。另外，对于使用Gen2芯片的标签，天线识别区域的磁场达-20dBA/m时，可以保证能够使芯片获得足够的驱动能量，系统可以有效的工作，因此通过观察天线上方磁场分布情况可以判定天线的识别区域和识别距离。
[0034] 图5为天线在不同观察高度平面时仿真磁场分布图。从左到右的观察高度分别是0.5mm、20mm、40mm。从观察高度是0.5mm和20mm时的磁场幅值分布的示意图，从图中可以看出，在320×320mm2的区域内磁场强度大于识别阈值，且磁场分布均匀，满足近场UHF-RFID系统的磁场要求。观察高度是40mm时的磁场幅值分布示意图，从图中可以看出，天线在此高度时存在识别盲区。最后，为了验证天线的性能，将天线正上方识别区域400×400mm2分成
20×20个方格，采用Thin-tag1700系列标签，每隔20mm的高度测试一次，高度为20-40mm时每隔5mm测一次。
20×20个方格，采用Thin-tag1700系列标签，每隔20mm的高度测试一次，高度为20-40mm时每隔5mm测一次。
[0035] 图6给出了标签识别率测试结果图，测试结果显示该天线实现了在320×320mm2电大尺寸区域内，标签100%识别率的最大距离为35mm，最大可识别距离为180mm，而识别区域外标签不会误读，具备良好的近场特性，达到设计目的。
[0036] 使用HFSS进行建模仿真，仿真结果达标后，将该天线的仿真模型导出使用印刷电路板工艺进行加工制作，板材选用FR4，介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为0.8mm。使用的FR-4介质板的成本较低，结构简单，易于加工。本发明的天线在满足带宽要求的前提下(覆盖中国UHF-RFID频段使用范围)，更注重的是天线识别区域内磁场分布的强度和均匀性，保证了对近场标签的可靠读取，识别区域外磁场强度小于识别阈值，保证了标签在识别区域外不会被误读。
[0037] 应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。