一种射频识别阅读器天线

1.本技术涉及天线技术领域，尤其涉及一种应用在资产管理场景的超高频射频识别阅读器天线。


背景技术：

2.随着射频识别(rfid)技术出现并成功运用到物品管理上，公司资产管理实现了自动化和智能化，大幅提高了管理的准确性和高效性。rfid系统一般由阅读器、标签和后端计算机系统三部分组成，其中阅读器与标签之间的通信是依靠天线的电磁波辐射来进行的，天线的性能在很大程度上决定了一个rfid系统性能的好坏。
3.近些年来，国内外的学者们对阅读器天线的研究一直不曾中断，提出了多款阅读器天线。其中文献1[丘荣文,袁家德.一种小型化定向辐射rfid阅读器天线设计[j].福州大学学报(自然科学版),2021,49(01):39-43]中提出了一款小型化定向环形天线，天线具有尺寸小，增益高等优点，但是天线的相对带宽只有10％；文献2[张翠翠,杨丹,廖成.新型材料馈电的rfid阅读器双频工作天线[j].通信技术,2021,54(05):1251-1256.]中设计了一款结构简单的双频圆极化微带天线，天线采用碳纳米管金属薄膜作为馈线，利用开口双环谐振器(srr)和开口单环谐振器(ssrr)贴片结构在2.45ghz和5.8ghz频段内谐振良好，但是天线的带宽较窄，且采用材料成本较高，不易于大批量生产；文献3[z.liu,l.zhu and x.zhang,"a low-profile and high-gain cp patch antenna with improved ar bandwidth via perturbed ring resonator,"in ieee antennas and wireless propagation letters,vol.18,no.2,pp.397-401,feb.2019,doi:10.1109/lawp.2019.2892097]中提出一种谐振器馈电的圆极化贴片天线，加载短路引脚，以同时实现提高ar带宽、高增益和低轮廓的目标，但是在改善轴比和增益的同时，天线的s11有所恶化，谐振深度也不够，不能够实现很好的匹配；文献4[y.cai,k.li,y.yin and x.ren,"dual-band circularly polarized antenna combining slot and microstrip modes for gps with his ground plane,"in ieee antennas and wireless propagation letters,vol.14,pp.1129-1132,2015,doi:10.1109/lawp.2015.2395538]中提出一种双频圆极化贴片天线，用于uhf-rfid和wlan频段，通过在贴片上蚀刻两个垂直的槽，将第一个谐振降至915mhz，并在2.45ghz引入一个新的谐振，利用双频的特点实现天线系统与rfid阅读器一起使用，并通过wlan波段检测标签并发送信息，但是天线的相对带宽比较窄，分别为5.25％和2％，且rfid频段内的增益也只有3.1dbi,这就限制了系统的阅读范围。
[0004]
基于此，需要改进现有的射频识别阅读器。


技术实现要素：

[0005]
为克服上述的缺陷，本技术的目的在于：本技术提出一种应用在资产管理场景的超高频射频识别阅读器天线，该天线具有高增益、高回损、宽频带且低轴比等优点。
[0006]
为实现上述目的，本技术采用如下的技术方案：
[0007]
一种射频识别阅读器天线，用于智能工具管理柜，其特征在于，包括：
[0008]
馈电基板及位于所述馈电基板一侧的辐射基板，
[0009]
所述馈电基板的一侧配置有馈电网络，
[0010]
所述辐射基板的远离馈电基板侧配置有开路枝节，所述辐射基板的与开路枝节相对侧配置有主辐射贴片，所述主辐射贴片的外围周向上均匀间隔的配置有耦合枝节，且所述主辐射贴片与耦合枝节间有间隙，
[0011]
金属连接柱，所述金属连接柱的数量匹配所述开路枝节，且所述金属连接柱一侧连接馈电网络，另一侧连接所述开路枝节。该天线通过在主辐射贴片也称天线辐射单元的四个角落，加载四个耦合枝节，来拓展天线带宽，并提升天线的辐射增益；并通过引入电容耦合的馈电方式，可以使得天线匹配的谐振加深，达到低驻波比的效果，并将四个开路枝节的宽度设置为渐变形式，与主辐射贴片四周的微扰结构相互配合，调节天线轴比，使其有很好的圆极化性能。
[0012]
优选的，该金属连接柱为铜柱。
[0013]
优选的，该辐射基板为双面fr4辐射基板，且主辐射贴片不电性连接金属连接柱，
[0014]
所述开路枝节通过电容耦合的方式将信号耦合到主辐射贴片。
[0015]
优选的，该馈电基板的远离辐射基板侧配置有反射板。
[0016]
优选的，该辐射基板上的馈电网络包括圆形贴片，所述圆形贴片的数量匹配金属连接柱，所述金属连接柱的一侧端连接至所述圆形贴片。
[0017]
优选的，该辐射基板包括：四个开路枝节，四个所述开路枝节的宽度在一方向上呈逐渐递减。
[0018]
优选的，该辐射基板呈四方形，四个耦合枝节分别配置于四方形的角部，且耦合枝节与主辐射贴片同侧。
[0019]
优选的，该辐射基板还包括：第一微扰结构，所述第一微扰结构包括矩形贴片，其位于主辐射贴片的两侧，且矩形贴片与主辐射贴片一体设计。
[0020]
优选的，该辐射基板还包括第二微扰结构，所述第二微扰结构为矩形空白区。
[0021]
优选的，该主辐射贴片上配置有圆形缝隙，且所述圆形缝隙半径大于铜柱的半径，使得主辐射贴片不与金属连接柱电性连接。
[0022]
有益效果
[0023]
与现有技术相比，本技术实施方式的(超高频)射频识别阅读器天线具有较窄的扫描波束以及较高的远场增益，具有很好的定向性，不仅能避免将限定区域之外的标签误读，还能对扫描范围内较远距离的标签进行检测；能实现对任意方向的线极化标签的检测。同时该天线具有结构简单、具有耐磨损等优点，且便于安装。
附图说明
[0024]
图1为本技术实施例的射频识别阅读器天线的天线俯视结构示意图，
[0025]
图2为本技术实施例的射频识别阅读器天线的辐射贴片结构示意图，
[0026]
图3为本技术实施例的射频识别阅读器天线的侧视图，
[0027]
图4为本技术实施例的射频识别阅读器天线的馈电网络结构图，
[0028]
图5为本技术实施例的射频识别阅读器天线的天线输入阻抗仿真图，
[0029]
图6为本技术实施例的射频识别阅读器天线的天线回波损耗仿真示意图，
[0030]
图7为本技术实施例的射频识别阅读器天线的天线增益及轴比仿真示意图，
[0031]
图8为本技术实施例的射频识别阅读器天线的天线远场增益图，
[0032]
图9为本技术实施例的射频识别阅读器天线的天线波束角的仿真结果。
具体实施方式
[0033]
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本技术而不限于限制本技术的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
[0034]
本技术提供一种射频识别阅读器天线，用于智能工具管理柜，其包括：馈电基板及位于馈电基板一侧的辐射基板，馈电基板的一侧配置有馈电网络，辐射基板的远离馈电基板侧配置有开路枝节，辐射基板的与开路枝节相对侧配置有主辐射贴片(也称天线辐射单元)，主辐射贴片的外围周向上均匀间隔的配置有耦合枝节，且主辐射贴片与耦合枝节间有间隙，金属连接柱，金属连接柱的数量匹配开路枝节，且金属连接柱一侧连接馈电网络，另一侧连接开路枝节。
[0035]
该天线通过在天线辐射单元的四个角落，加载四个耦合枝节，来拓展天线带宽，并提升天线的辐射增益；通过引入电容耦合的馈电方式，可以使得天线匹配的谐振加深，即达到低驻波比的效果，并将四个开路枝节的宽度设置为渐变形式，与主辐射贴片四周的微扰结构相互配合，调节天线轴比，使之具有很好的圆极化性能；其天线具有高增益、宽频带、低轴比以及高回损等性能。
[0036]
接下来结合附图描述本技术提出的射频识别阅读器天线，该天线用于应用于智能工具管理柜。
[0037]
如图1-图4为本技术实施例的射频识别阅读器天线的结构示意图，该天线较佳的使用场景为用于智能工具管理柜。
[0038]
图1为射频识别阅读器天线的天线俯视结构示意图，此时为方便显示结果辐射基板10调整成透明(在实际中辐射基板10可选择为透明也可不是)。
[0039]
一种射频识别阅读器天线，用于智能工具管理柜，其包括：
[0040]
馈电基板20及位于该馈电基板20一侧的辐射基板10，
[0041]
辐射基板的靠近馈电基板侧配置有主辐射贴片12，及位于主辐射贴片12外侧的四个电容耦合耦合枝节13、
[0042]
复数金属连接柱40，其用以连接辐射基板10及馈电基板20。金属连接柱40用以将馈电基板20的电能传递至辐射基板10。较佳的，金属连接柱为铜柱。
[0043]
本实施方式中，采用4个铜柱。辐射基板10辐射基板为双面fr4辐射基板。馈电基板20的相对辐射基板侧配置有馈电网络50，远离辐射基板侧配置有反射板30。辐射基板10的顶面(即远离馈电基板侧电性连接金属连接柱)。在一实施方式中，该辐射基板10采用厚度为0.8mm的双面fr4辐射基板，辐射基板的底面(参见图2)配置有为主辐射贴片12，位于主辐射贴片12外围周向上均匀间隔的配置有四个耦合枝节13，四个耦合枝节13配置成长度相同，但宽度呈逐渐递减的渐变形式，其目的是为了调节轴比增加一个维度。在底面上配置主辐射贴片时，该主辐射贴片由初始半径为76.5mm的圆形贴片演变而来。演变的过程为：
[0044]
首先在圆形贴片周向上均匀间隔的(即四个角落)引入耦合枝节，拓展天线带宽，
[0045]
耦合枝节与圆形贴片之间的间距由一个外径为81.5mm,内径为76.5mm的圆环造成；然后分别在水平和垂直的方向上引入围绕(微扰)结构，水平方向上的微扰结构是左右均附加一个长为65mm,宽为4.75mm的矩形贴片12a，垂直方向上的微扰结构是上下均减去一个长为70mm,宽为6.5mm的矩形贴片12b(即空白区)；然后在贴片中心引入两个长为65mm，宽为2mm的矩形缝隙以缩小天线尺寸；
[0046]
最后是四个馈电处的半径为4.5mm的圆形缝隙16，并且这四个圆形缝隙12c的半径要大于m3铜柱的半径，这样圆形缝隙12c避免与铜柱相接触。
[0047]
天线的下层是厚度为1mm的馈电基板20，它与上层辐射基板的连接主要依靠四个铜柱来进行,铜柱的高度为23.5mm。馈电基板的上层为馈电网络50，下方为反射板30。其中，馈电网络50由直径为43mm,宽度为1.8mm的圆环50、四个半径为3.75mm的圆形贴片53以及一个长为14.5mm,宽为1.8mm的矩形贴片组成，馈电端51配置于馈电网络50的边缘。馈电端51侧配置有焊盘54，以焊接馈电线(图未示)。圆形贴片53连接铜柱的一端，铜柱的另一端连接至辐射基板10上的开路枝节11，通电后，开路枝节11带电通过电容效应与其下方侧的主辐射贴片及耦合枝节耦合。
[0048]
该射频识别阅读器天线运行时的工作原理：
[0049]
天线采用四端口串馈的方式，将信号馈给辐射基板上层的开路枝节，开路枝节通过电容耦合的方式将信号耦合到主辐射贴片。其中，调节馈电网络中圆环直径的大小可以调整馈电端口之间的相位差，使四个端口之间的相位依次相差90
°
，然后调节四个开路枝节的宽度，以此调节馈给每一个端口的馈电功率，当四个端口之间的馈电功率幅度相等，相位依次相差90
°
时，即可以实现圆极化。在主辐射贴片的四个角落引入耦合枝节，实现天线的宽带匹配，并由于耦合贴片的引入，导致辐射面积的增加，可以提升天线的增益；贴片的水平和垂直方向上均引入微扰结构，通过调节相应的尺寸，可以分离简并模，使之相位相差90
°
，增强圆极化效果，提升天线的轴比性能；在主辐射贴片的中心，利用曲流法，开两个大小相等且相互垂直的矩形槽，以此延长天线的电流路径，从而达到天线小型化的目的。
[0050]
在一较佳的实施方式中，上述射频识别阅读器天线的参数如下：
[0051]
gnd_xy＝230mm,pxy＝148mm,m1＝12mm,m2＝11mm,m3＝10mm,m4＝9mm,n＝24mm,h1＝0.8mm,h2＝1mm,h3＝1mm,h4＝23.5mm,cut_l1＝70mm,cut_w1＝6.5mm,cut_l2＝65mm,cut_w2＝2mm,cut_r＝4.5mm,add_l＝65mm,add_w＝4.75mm,r1＝81.5mm,r2＝76.5mm,sub_xy＝72mm,patch_d＝43mm,patch_r＝3.75mm,patch_l＝14.5mm,w50＝1.8mm。
[0052]
下面通过仿真来验证本技术提出的射频识别阅读器天线。
[0053]
图5为射频识别阅读器天线的天线阻抗仿真图，从图中可看出，当频率为915mhz时，天线的输入阻抗为-0.53 j*49.2ω。
[0054]
图6为射频识别阅读器天线的反射系数的仿真结果，从图中可以看出，天线-10db的阻抗带宽为0.83-1.08ghz，相对带宽为27.3％，并在0.91ghz处产生谐振，谐振深度达到-43db。
[0055]
图7为射频识别阅读器天线的天线增益及轴比的仿真示意图，从图中可以看出，天线增益在0.89-0.97ghz内均能达到8db以上，并且保持着良好的平坦度；并且以3db为标准，天线的轴比在0.89-0.95ghz的频带内具有很好的圆极化性能。
[0056]
图8展示了天线远场增益图，可以看出天线在xoz面以及yoz面的辐射范围基本相互重合，从而也在侧面印证了天线的圆极化性能良好。
[0057]
图9为天线波束角的仿真结果，图中显示天线波束角范围为33
°
，可以看出天线在辐射电磁波时集束能力较强，也即具有高定向性。
[0058]
上述实施例只为说明本技术的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本技术的内容并据以实施，并不能以此限制本技术的保护范围。凡如本技术精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本技术的保护范围之内。