CN111092286B - 便携式rfid读写器用天线及其使用结合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了便携式RFID读写器用天线，所述便携式RFID读写器用天线包括：发射器，反射器，介质基板，所述介质基板为具有容纳空间的曲面，所述发射器、所述反射器位于所述介质基板曲面的第一表面；沿其各自边缘所述发射器与所述反射器之间的距离为dR，所述dR为非固定值。提高了天线的辐射增益，使得天线在特定单一方向上具有更高的指向性，消除了便携式读卡器主电网以及其基板的电性耦合以及干涉问题。
Description
技术领域
本发明属于微带天线技术领域，具体涉及一种便携式RFID读写器用天线及其使用结合方法。
背景技术
移动RFID(Radio Frequency Identification)系统指安装在便携式终端的900MHz RFID读卡器模组并与移动互联网联动读取拥有标签的物品信息来识别，储存，加工，整合成新形势的信息来提供合适的知识的先进的智能型服务。最近比较流行这样的移动RFID系统，而其中最受瞩目的还是NFC(NearField Communication)以及智能机UHF频域的RFID系统。
特别是UHF频域是在被动式标签识别率以及识别距离最佳，而且使用了电磁波发射方式来实现同时识别多个标签的特点。还有就是相对其他频域对于周边环境能维持较稳定的状态且可以实现低价标签和对应芯片的量产。
目前为止主要开发的是900MHz频域RFID天线远距离领域，而在近距离工作的移动式RFID读卡器领域的开发相对滞后。
为了高效使用移动式RFID读卡器天线首先在其工作频率上拥有最小化的反射损失，为了便携需要拥有小型化的同时要拥有辐射增益高及较宽的辐射模式使其可以同时识别很多天线，移动式RFID天线开发的重点在于在共振频率上最小化手的影响(Hand-effect)，而且需要具备同时可以识别近距离以及远距离的能力，要最小化与其他通信电路引起的干涉。固定用天线一般不会受到空间商的制约，所以可以用相对较大的天线大小来实现较高的增益以及广频域特性，但是便携式RFID读卡器用天线不仅需要偏振等性能，更需要小型化以及便携式特性。也就是说便携式RFID读卡器用天线研发的关键是实现拥有便携特性的较小的天线大小的同时各项性能降低最小化。
为了改善上述小型化特性，虽然陶瓷便携式RFID读卡器的天线在小型化方面拥有比较大的优势但是在天线的辐射效率以及重量方面拥有较大的缺点。
为了产生圆形偏振波把拥有90度相位差的双极子天线以正交形式排列的天线拥有广频域以及轴比特性。但是半波长双极子天线拥有很难完成天线的小型化以及较小的辐射增益，很难在单方向上完成辐射模式等缺点。
移动式RFID读卡器天线一般使用PIFA(Planar Inverted-F Antenna)的内装型天线类型以及为了改善圆形偏振波使用电力分配器以及耦合器来诱导供电的相位差来实现轴比改善的模组型的天线。这样的模组型天线为了最小化来自电力分配器和耦合器的损失发展成单一供电回路与多数的PIFA天线结合的形式。但是这样的模组型偏振波天线要单独具备供电回路，而且拥有相位差的电路中要安装多数的天线导致制作单价急剧上升，不容易扩展等一些缺点。
发明内容
本发明旨在至少一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种便携式RFID读写器用天线，提高了天线的辐射增益，使得天线在特定单一方向上具有更高的指向性，消除了便携式读卡器主电网以及其基板的电性耦合以及干涉问题。
针对以上技术问题，本发明第一方面实施例提供了一种便携式RFID读写器用天线，所述便携式RFID读写器用天线包括：发射器，反射器，介质基板，所述介质基板为具有容纳空间的曲面，所述发射器、所述反射器位于所述介质基板曲面的第一表面；所述发射器与所述反射器之间的距离为dR，所述dR为非固定值。
根据本发明的一个实施例，所述发射器为阶梯带状导电贴片，所述发射器的中心对称位置开设接线端口，以所述接线端口为起点沿所述发射器本体内开设插槽。
所述插槽贯穿所述发射器第一段面的长度为SL。
根据本发明的一个实施例，所述反射器为矩形带状导电贴片且所述矩形导电贴片开口。
本发明第二方面公开了一种便携式RFID读写器用天线的使用结合方法，所述使用结合方法包括便携式RFID读写器用天线与粘结层的使用结合，包括：所述介质基板的第一表面以及所述发射器、所述反射器粘贴于所述粘结层的第一表面。
根据本发明的一个实施例，所述粘结层的第二表面粘贴于便携式RFID读写器用壳体。
本发明第三方面实施例提供了一种便携式RFID读写器用壳体，所述壳体包括壳体本体以及安装所述壳体本体的连接扣，所述连接扣为中空的圆柱结构，固定于所述壳体本体的一侧。
本发明达到的技术效果为：本发明便携式RFID读写器用天线，提供更高的辐射增益，在特定方向上拥有更高的指向性，同时在便携式RFID读卡器前面方向上辐射功率集中，使得读卡器的主电网和基板的电气性的耦合更加稳定，使得天线的抗干涉能力更强。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例公开的便携式RFID读写器用天线以及与其他部件的结构爆炸图；
图2(a)是本发明实施例公开的便携式RFID读写器用壳体的正面平面图；
图2(b)是本发明实施例公开的便携式RFID读写器用壳体背面立体图；
图3是本发明实施例公开的便携式RFID读写器用天线的平面正面图；
图4是本发明实施例公开的共振频率以及反射损失图；
图5是本发明实施例公开的随便携式RFID读卡器用天线沿第一段面插槽长度而变化的反射损失的值图；
图6是本发明实施例公开的便携式RFID读卡器用天线的介质基板曲面状和平面介质基板而产生的反射损失变化图；
图7是本发明实施例公开的便携式RFID读卡器用天线最大辐射增益的辐射图。
附图序号说明：410-发射器；420-插槽；430-接线端口；421-发射器第一段面；400-反射器；300-介质基板；100-便携式RFID读写器用天线壳体；120-连接扣。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。
本发明便携式RFID读写器用天线，提供更高的辐射增益，在特定方向上拥有更高的指向性，同时在便携式RFID读卡器前面方向上辐射功率集中，使得读卡器的主电网和基板的电气性的耦合更加稳定，使得天线的抗干涉能力更强。
本发明第一方面实施例提供了一种便携式RFID读写器用天线，所述便携式RFID读写器用天线包括：发射器，反射器，介质基板，所述介质基板为具有容纳空间的曲面，所述发射器、所述反射器位于所述介质基板曲面的第一表面；沿其各自边缘所述发射器与所述反射器之间的距离为dR，所述dR为非固定值。
根据本发明的一个实施例，所述发射器为阶梯带状导电贴片，所述发射器的中心对称位置开设接线端口，以所述接线端口为起点沿所述发射器本体内开设插槽。
根据本发明的一个实施例，所述插槽贯穿所述发射器第一段面的长度为SL。
根据本发明的一个实施例，所述反射器为矩形带状导电贴片且所述矩形导电贴片开口。
本发明第二方面公开了一种便携式RFID读写器用天线的使用结合方法，所述使用结合方法包括便携式RFID读写器用天线与粘结层的使用结合，包括：所述介质基板的第一表面以及所述发射器、所述反射器粘贴于所述粘结层的第一表面。
根据本发明的一个实施例，所述粘结层的第二表面粘贴于便携式RFID读写器用壳体。
本发明第三方面实施例提供了一种便携式RFID读写器用壳体，所述壳体包括壳体本体以及安装所述壳体本体的连接扣，所述连接扣为中空的圆柱结构，固定于所述壳体本体的一侧。
为了达成以上目的在本发明中以平面折线形态构成了平面型准八木天线的发射器，发射元件内侧插入阶梯型槽口形状结构来实现容易匹配各种不同设计变数的天线结构。
本发明中发射射元件内侧插入阶梯型槽口形状结构，易与各种阻抗进行匹配，确保扩张的阻抗频域在主发射器内部，同时通过改变其终端位置精确控制天线在中心频段的反射损失。
本发明的小型化的天线放置在外装结构物当中，摆脱了空间上的制约。
本发明的便携式RFID读写器用天线，具有坚固的存储空间，同时发射器和后面的反射器之间拥有一定的间距，实现了天线集中辐射增益以及前后方比特点。
本发明的便携式RFID读写器用天线，只有后面的单一发射器而没有多数的导波器，实现了通过减小后方辐射能量损失的方式提高天线的辐射增益的技术效果。
图1为便携式RFID读写器用天线以及与其他部件的结构爆炸图，介质基板上印刷天线，使用粘贴层将天线固定于便携式RFID读写器用壳体。
为了构成导电性印刷形状天线介质基板的柔韧性，使用了0.2mm厚度的普通的FR4基板，这里不限于其他厚度以及其他材质的介质基板。
为了达到上述目的本发明采用了在发射器中心一边包含了电性连接连接端口。在上述弯折形状的发射器内部中心建设了能让更容易匹配上天线的阻抗的阶梯型插槽，根据上述阶梯型插槽终端的长度不同来匹配多样化的设计变数引起的不同的阻抗。
为了在弯曲的便携式读卡器用壳体中提供最佳的安装空间而且在便携式天线前面形成集中的高增益辐射采用了在发射器后面离其一定距离处设置反射器的方式来实现了较好的前后比。这样的保证了在辐射增益方向不需要有多数的导波器而是后面只有一个反射器的结构来集中其辐射功率来实现辐射增益的增加。
本发明的便携式读卡器用天线和便携式读卡器用天线壳体通过可变的连接扣来结合，拥有变更其辐射领域的特点。
如图2所示，显示的是上述便携式读卡器用天线壳体的详细正面平面图以及后面立体图。介质基板的左右中间部分以弯曲的形式粘贴在便携式读卡器用天线壳体的内测。这样的方式使得天线固定在RFID读卡器的时候可以支持其天线的重量，通过后面的2个连接扣的变动来控制天线辐射方向。
上述便携式读卡器准用天线通过射频线与发射器中心位置的连接端口连接在一起，穿过后面的反射器与RFID读卡器连接在一起。上述便携式读卡器准用天线的组成部分准确安装在壳体内部可以抵御外部恶劣环境，起到保护天线的作用。
如图3所示，显示的是便携式RFID读卡器用天线的平面正面图，其中重要设计变数之一是发射器和反射器之间的间距dR，建立在发射器内测一边的阶梯型插槽沿发射器第一段面的长度(SL)。印刷在薄型RF4基板的发射器为了改善小型化特性采用了阶梯弯折形状，而且长度以半波长(λ/2)偶极子形式最佳化到其工作频率920MHz。为了集中往便携式读卡器用天线前面方向采用了反射器的长度较长于半波长(λ/2)偶极子而拥有感抗成分，从而相位相对晚到从发射器和反射器的间距的量。
本发明中为了获得高效的辐射增益发射器和反射器的间距为45mm，而阶梯型插槽的沿发射器第一段面的长度(SL)设定为20mm。所以用发射器和反射器之间的间距(dR)来控制发射的增益，阶梯型插槽沿发射器第一段面的长度(SL)来独立控制阻抗的频宽和匹配。天线以最佳化的形象左右一边弯曲的形式安装在壳体一边使得天线的共振频率偏下，所以可以通过发射器的全长以及阶梯型插槽沿发射器第一段面的长度的变数协调来实现其最佳化。
如图4所示，便携式RFID读卡器用天线的共振频率和反射损失。本发明中天线最佳化了阶梯型插槽的长度以及发射器的全长来得出最适合其工作频率的设计变数。通过调整天线发射器以及反射器之间的间距使得接近天线中心频率的共振频率,变化安装在发射器内部一侧的阶梯型插槽的长度(SL)来最佳化其阻抗匹配。
在本发明中八木天线输入端口中连接网络分析仪测试端口来测试其反射损失，结果发现在UHF(UltraHighFrequency)频域(860MHz～960MHz)中920MHz中心频率中的反射损失值为(-28dB)。实际测试的(-10dB)基准阻抗频宽为UHF频域中63Mhz，其结果说明作为小型化便携式读卡器天线拥有足够的阻抗频宽。
如图5所示，随便携式RFID读卡器用天线沿第一段面插槽长度而变化的反射损失的值。为了最佳化天线的反射损失以及阻抗匹配，把阶梯型插槽的长度以1mm为单位从17mm逐步进行增大到21mm，在固定的共振频率前提下反射损失值随着阶梯型插槽长度变化而变化。阶梯型插槽的长度为17mm的时候拥有(-15dB)，长度为20mm的时候反射损失值为(-28dB)。当长度大于20mm的时候在中心频率上匹配状态显示为不符合。
所以本发明中天线阻抗匹配的主要设计变数为阶梯型插槽的长度，此长度变数可以不变化中心频率的前提下可以容易改善天线的匹配的性能。
如图6所示，便携式RFID读卡器用天线的介质基板曲面状和平面介质基板而产生的反射损失变化。薄型平面型天线的FR4基板以两边弯曲的形式粘贴在壳体的内侧，通过与辐射元件之间的耦合效果共振频率会偏向与往下。在同样的设计变数的时候天线的共振频率为950Mhz，但是粘贴在壳体的时候中心频率会往下偏30MHz，变为920MHz。
如图7所示，便携式RFID读卡器用天线最大辐射增益的辐射图，在UHF中心频率920MHz中便携式读卡器前方phi＝180°方向的辐射图。可以从图7看得出来发生最大辐射的区域为天线前方phi＝180°的方向。在安装在壳体的前提下发生最大辐射的增益为在0.92GHz中心频率下的5.0dBi。而且在0.92GHz的半功率波束宽度为82°，可以看出在读卡器前面方向拥有较宽的读取领域。
本发明达到的技术效果为：本发明便携式RFID读写器用天线，提供更高的辐射增益，在特定方向上拥有更高的指向性，同时在便携式RFID读卡器前面方向上辐射功率集中，使得读卡器的主电网和基板的电气性的耦合更加稳定，使得天线的抗干涉能力更强。
本发明所涉及的测算和分析软件非发明人研究开发，是本领域人员所熟悉的技术。
显然，上述具体实施案例仅仅是为了说明本方法应用所作的举例，而非对实施方式的限定，对于该领域的一般技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，用以研究其他相关问题。因此，本发明的保护范围都应以权利要求的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.便携式RFID读写器用天线，其特征在于，所述便携式RFID读写器用天线包括：发射器，反射器，介质基板，所述介质基板为具有容纳空间的曲面，所述发射器、所述反射器位于所述介质基板曲面的第一表面；所述发射器与所述反射器之间的距离为dR，所述dR为非固定值，用于控制发射器的增益；
所述发射器为阶梯带状导电贴片，所述发射器的中心对称位置开设有接线端口，以所述接线端口为起点沿所述发射器本体内开设阶梯型插槽；
所述阶梯带状导电贴片为由十三段枝节依次相连构成的轴对称图形，所述轴对称图形为弯折的蛇字形结构，并且每个枝节的相连处均为直角，其中第一枝节一端悬空，第二、三、四枝节依次相连为开口的矩形，第五、六、七枝节依次相连为Z字形，第七枝节的中心点所在的纵轴为所述轴对称图形的对称轴；
所述阶梯型插槽从第七枝节的中心点向第八、九枝节延伸，第九枝节所在的枝 节包括第一段面；
阶梯型插槽沿所述发射器第一段面的长度SL独立控制阻抗的匹配和频宽；
所述反射器为矩形带状导电贴片且所述矩形带状导电贴片为具有缺口的方环结构。
2.便携式RFID读写器用天线的使用结合方法，其特征在于，所述方法包括如权利要求1所述的便携式RFID读写器用天线，所述介质基板的第一表面以及所述发射器、所述反射器粘贴于粘结层的第一表面。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述粘结层的第二表面粘贴于便携式RFID读写器用壳体。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述壳体包括壳体本体以及安装所述壳体本体的连接扣，所述连接扣为中空的圆柱结构，固定于所述壳体本体的一侧。
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Non-Patent Citations (2)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111092286A (zh) | 2020-05-01 |
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