專利名稱：用于uhf頻段的近場rfid讀寫器平面開口雙環天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及近場RFID (射頻識別)系統技術領域，特別是涉及一種平面開口雙環結構的射頻識別讀寫器天線。
背景技術：
射頻識別(Radio Frequency Identification,簡稱RFID)技術是一項利用射頻信號通過反向散射或電磁場耦合實現自動識別和無線數據傳輸的技術。隨著物聯網的提出和發展，作為物聯網中不可或缺的重要組成部分，RFID技術得到了廣泛的應用。而近期中國移動400億入股浦發銀行及中國銀聯宣布新一代手機支付業務將進入大規模試點階段，都表明了 RFID技術與移動終端融合的商業模式正在走向成熟。RFID系統與手機等移動終端的集成，可以實現移動支付、物品防偽與追蹤等移動互聯網應用，具有較高的商業價值。
移動終端設備上RFID應用的實際環境對于RFID讀寫器天線提出了近場化和小型化的要求。一方面，UHF和微波RFID系統是基于讀寫器與標簽之間的電磁波傳播和反向散射的遠場工作原理，容易受鄰近介質物體的影響，無法穿透含水物質等限制，在藥物、零售業、物流等領域應用受很大限制。所以，近年來近場耦合的UHF和微波RFID系統研究得到越來越多的重視。近場RFID系統使用磁場耦合，在天線近場區工作，在液體和環境下有較好的性能，適合用于單品級標簽識別，與傳統的遠場RFID系統形成互補。與此同時，在實際應用中，手機和貼有標簽的商品之間的距離不會太長，RFID標簽都工作在手機RFID讀寫器天線的近場區，甚至要求必須唯一讀取到近場區的目標物標簽，排除遠場區中的非目標物標簽的干擾。因此，近場讀寫器天線的設計是實現手機RFID系統的重要環節。另一方面，移動終端設備要求輕便靈活，因此，作為移動終端上的RFID讀寫器天線必須具有小型化的設計需求。傳統的基于遠場散射原理的UHF頻段RFID讀寫器天線遠不能滿足手機RFID讀卡器天線的設計要求，必須基于近場工作原理，實現移動終端設備的RFID讀寫器天線小型化。
發明內容
本發明目的在于克服現有的UHF頻段RFID讀寫器天線結構尺寸過大，不便于集成到移動終端的缺點，提供用于UHF頻段的近場RFID讀寫器平面開口雙環天線，具體技術方案如下。用于UHF頻段近場RFID讀寫器的平面開口雙環天線，所述天線為平面結構，包括天線輻射單元、介質基板和匹配貼片；所述天線輻射單元附著在介質基板的一面，是所述天線的輻射主體；所述匹配貼片附著在介質基板的另一面，是所述天線的接地端。上述的用于UHF頻段近場RFID讀寫器的平面開口雙環天線中，所述天線輻射單元是包括第一正方形金屬環帶和第二正方形金屬環帶，兩個正方形金屬環帶的幾何中心重合，第二正方形金屬環帶平行嵌套在第一正方形金屬環帶的內側，第一正方形金屬環帶的右上角處斷開形成開口且開口位于上邊，第二正方形金屬環帶的左下角處斷開形成開口且開口位于下邊；所述的匹配貼片位于第二正方形金屬環帶開口對應的介質基板背面，匹配貼片下端與介質基板的下端對齊。上述的用于UHF頻段近場RFID讀寫器的平面開口雙環天線中，所述天線的激勵是傳輸線激勵或者同軸線激勵；在傳輸線激勵模式下，一個激勵端子在天線輻射單元上，且位于第二正方形金屬環帶開口所在邊相鄰的第一正方形金屬環帶邊上；另一個激勵端子在匹配貼片上，且位于前述激勵端子位置的正下方；在同軸線模式下，同軸線內導體位于靠近第二正方形金屬環帶開口所在邊，且與之相鄰的第一正方形金屬環帶邊上，同軸線外導體在匹配貼片上，其位置位于同軸線內導體位置的介質基板正下方。上述的用于UHF頻段近場RFID讀寫器的平面開口雙環天線中，所述天線的介質基板為紙質材料、塑料基材、陶瓷基材或環氧樹脂玻璃纖維板。
上述的用于UHF頻段近場RFID讀寫器的平面開口雙環天線中，所述天線的輻射單元和匹配貼片可由銅箔刻蝕工藝或導電油墨印刷工藝形成。本發明的原理為對于左手開口諧振環的研究表明，在其諧振頻率附近，能激發極強的感應磁場，因此能很好的應用于基于電感耦合的RFID近場通信系統中。本發明與現有技術相比較，具有以下優點和技術效果
(I)天線是平面結構，結構簡單、小型化、尺寸緊湊，易于實現；輻射單元的最大邊長和
諧振頻率波長之間比值約為DI λ ^ 0.08 ,容易集成到移動通訊終端中。(2)天線工作在近場模式中，能量主要以交變感應電磁場的形式存儲在天線的近場區，輻射損耗小，不易受到周圍環境和遠場區標簽的干擾。(3)天線可以通過調節天線結構的參數及其組合，有規律的調整所述天線的諧振頻率的頻點和帶寬，滿足不同國家規定的RFID系統無線電頻譜。(4)天線的基片材料可根據應用環境選用普通的紙質材料、塑料材料、陶瓷材料或環氧樹脂板，可選擇范圍較大，成本低廉，有利環保。(5)天線的制作工藝流程簡易、環保，可以采用導電油墨印刷或銅箔刻蝕的方法制造，質量穩定，制作成本低，有利于大規模生產。
圖I為實施方式中的用于UHF頻段近場RFID讀寫器的平面開口雙環天線的結構正視 圖2為圖I所示天線的結構背視 圖3為圖I和圖2所示天線的縱向截面側視 圖4為實施方式中天線的仿真和測試的Sll曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明，但本發明要求保護的范圍并不局限于實施例表述的范圍。如圖I、圖2、圖3所示，用于UHF頻段近場RFID讀寫器的平面開口雙環天線，為平面結構，包括天線輻射單元、介質基板和匹配貼片；所述天線輻射單元附著在介質基板的一面，是所述天線的輻射主體；所述匹配貼片附著在介質基板的另一面，是所述天線的接地端。所述天線輻射單元是由兩個具有開口的第一正方形金屬環帶I和第二正方形金屬環帶2組成。第一正方形金屬環帶I和第二正方形金屬環帶2的幾何中心重合,第一正方形金屬環帶I嵌套第二正方形金屬環帶2，兩環帶之間具有間隙9。第一正方形金屬環帶I的右上角處斷開一個開口 5，第二正方形金屬環帶的左下角處斷開一個開口 6。所述的匹配貼片4是從靠近第二正方形金屬環帶開口 5位置的介質基板3背面邊緣延伸至第二正方形金屬環帶開口 5所在邊位置的介質基板3背面。所述天線的激勵可以是傳輸線激勵或者同軸線激勵。一個激勵端子(或者同軸線內導體)7在天線輻射單元上，且位于第二正方形金屬環帶開口 6所在邊相鄰的第一正方形金屬環帶邊上；另一個(或者同軸線外導體)8在匹配貼片上，且位于前述激勵端子位置的正下方；在同軸線模式下，同軸線內導體位于靠近第二正方形金屬環帶開口所在邊，且與之相鄰的第一正方形金屬環帶邊上，同軸線外導體在匹配貼片上，其位置位于同軸線內導體位 置的介質基板正下方。通過調節天線輻射單元的第一正方形金屬環帶I邊長，第一正方形金屬環帶I和第二正方形金屬環帶2的間距9，第一正方形金屬環帶I的開口 5的寬度和所在的位置，第二正方形金屬環帶2的開口 6的寬度和所在的位置，可以在較寬的無線電頻譜內調整所述天線諧振頻率的頻點。通過調節所述天線輻射單元的第一正方形金屬環帶I或第二正方形金屬環帶2某一邊的寬度，可以微調所述天線諧振頻率的帶寬。一般的，當第一正方形金屬環帶I或第二正方形金屬環帶2某一邊變寬的時候，讀寫器天線的諧振頻率帶寬相應變大。本實施例的介質基板3選用環氧樹脂玻璃纖維板，該介質基板3還可選用紙質基材(瓦楞紙)、塑料基材或陶瓷基材。工作過程分析如果一個隨時間變化的磁場穿過如圖I中第一正方形金屬環帶I和第二正方形金屬環帶2的軸線，則由于環的不連續性，環電流只能以位移電流的形式存在，從而產生類似于電感的效應，此外兩環之間的空隙產生電容效應，兩者組合在一起，整個開口環結果將表現為一個諧振器。其特點主要在于在內環與外環之間引入了電容效應，當垂直于環面的磁場進入諧振環時，會在兩個環分別產生感應電流，但由于內外裂環方向相反，電荷聚集方向相反，從而產生電容效應。由于環上電感和環間電容，該環具有一個固有的諧振頻率，本發明設定的諧振頻率為923MHz。在諧振頻率附近，會產生極強的感應磁場。另外，由于開口諧振環結構尺寸遠遠小于電磁波在自由空間中的波長，因而其輻射損耗
很小，Q值很大，理論上可獲得弋 *1/10的結構，其中r為諧振環的等效半徑，它的平面
結構和電尺寸小的優點，便于制作和天線的小型化。本實施例的天線輻射單元的第一正方形金屬環帶I和第二正方形金屬環帶2以及匹配貼片4由銅箔刻蝕形成，也可由導電油墨印刷形成。僅作為一種實例，仿真測試所設計天線，天線工作在923MHz頻率處,天線-IOdB帶寬為12MHz左右，圖4給出了天線的仿真和測試的Sll曲線圖。天線總體大小為
25mm*25mm，923MHz 波長約為 325mm, DI λ = 25/325 0.077,實現了天線的 小型化。
權利要求
1.用于UHF頻段近場RFID讀寫器的平面開口雙環天線，其特征在于，所述天線為平面結構，包括天線輻射單元、介質基板和匹配貼片；所述天線輻射單元附著在介質基板的一面，是所述天線的輻射主體；所述匹配貼片附著在介質基板的另一面，是所述天線的接地端。
2.根據權利要求I所述的用于UHF頻段近場RFID讀寫器的平面開口雙環天線，其特征在于，所述天線輻射單元是包括第一正方形金屬環帶和第二正方形金屬環帶，兩個正方形金屬環帶的幾何中心重合，第二正方形金屬環帶平行嵌套在第一正方形金屬環帶的內側，第一正方形金屬環帶的右上角處斷開形成開口且開口位于上邊，第二正方形金屬環帶的左下角處斷開形成開口且開口位于下邊；所述的匹配貼片位于第二正方形金屬環帶開口對應的介質基板背面，匹配貼片下端與介質基板的下端對齊。
3.根據權利要求I所述的用于UHF頻段近場RFID讀寫器的平面開口雙環天線，其特征在于，所述天線的激勵是傳輸線激勵或者同軸線激勵；在傳輸線激勵模式下，一個激勵端子在天線輻射單元上，且位于第二正方形金屬環帶開口所在邊相鄰的第一正方形金屬環帶邊上；另一個激勵端子在匹配貼片上，且位于前述激勵端子位置的正下方；在同軸線模式下，同軸線內導體位于靠近第二正方形金屬環帶開口所在邊，且與之相鄰的第一正方形金屬環帶邊上，同軸線外導體在匹配貼片上，其位置位于同軸線內導體位置的介質基板正下方。
4.根據權利要求f3任一項所述的用于UHF頻段近場RFID讀寫器的平面開口雙環天線，其特征在于，所述天線的介質基板為紙質材料、塑料基材、陶瓷基材或環氧樹脂玻璃纖維板。
5.根據權利要求f3任一項所述的用于UHF頻段近場RFID讀寫器的平面開口雙環天線，其特征在于，所述天線的輻射單元和匹配貼片由銅箔刻蝕工藝或導電油墨印刷工藝形成。
全文摘要
本發明公開了用于UHF頻段近場RFID讀寫器的平面開口雙環天線。所述天線為平面結構，包括天線輻射單元、介質基板和匹配貼片；所述天線輻射單元附著在介質基板的一面，是所述天線的輻射主體；所述匹配貼片附著在介質基板的另一面，是所述天線的接地端。本發明結構簡單，制造容易，通過調節天線結構參數可以在較寬的無線電頻譜內改變本發明天線的諧振頻率的頻點和帶寬，滿足不同國家規定的RFID系統無線電頻譜，適用于移動支付、物品防偽與追蹤等近場移動終端RFID應用。
文檔編號H01Q1/50GK102820535SQ20121014841
公開日2012年12月12日 申請日期2012年5月15日 優先權日2012年5月15日
發明者賴曉錚, 謝澤明, 曹建文, 謝啟球 申請人:華南理工大學