一种应用于小型智能储物柜的近场射频识别阅读器天线

1.本技术涉及无线通信技术领域，具体涉及一种应用于小型智能储物柜的近场射频识别阅读器天线。


背景技术：

2.射频识别技术（rfid）具有非接触、非视距、可读写、可大量标签读取及体积小重量轻等特点，被广泛应用于物品识别、资产管理、物流分配等具有大量数据集合和管理控制特点的领域。通过对物品嵌入标签，放入加装有阅读器天线和阅读器的储物柜问询区中，使得标签被激活，发射出携带自身信息的信号。阅读器接收此信号后交由上位机进行信息和物品的智能化管理。阅读器天线在这个通信过程中，扮演着信号发射和接收的角色，阅读器天线的好坏很大程度上能够影响系统的性能好坏。
3.近些年来，科研人员们对rfid近场天线的研究从未中断，陆续提出了很多近场阅读器天线，如文献[s.
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y. kim, s.
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h. ahn and w.
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s. lee, "near-field uhf quadruple loop antenna with uniform field distribution for item-level tagging," in ieee antennas and wireless propagation letters, vol. 20, no. 4, pp. 523-527, april 2021, doi: 10.1109/lawp.2021.3056026]中提出了一种甚高频四环型近场天线，该天线由四个扇形小环和每个环的中间馈电线组成，具有均匀的磁场分布和较高的识别精度，但天线的尺寸与问询区域都太小，均只有40mm
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40mm，最大的问询距离只有50mm，不能够满足小型化储物柜的需求。文献[j. k. pakkathillam, m. kanagasabai and m. g. n. alsath, "compact multiservice uhf rfid reader antenna for near-field and far-field operations," in ieee antennas and wireless propagation letters, vol. 16, pp. 149-152, 2017, doi: 10.1109/lawp.2016.2561960]中提出了一款远近场天线，该天线能同时运用于远场区和近场区，具有5dbi的远场增益以及较大的近场问询区域（220mm
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180mm）。但该天线应用与物品存储中时，其较大的远场增益又会带了远场区标签的误读，故而不适用于rfid小型化储物柜中。文献[h. li and z. xing, "a long chain-like reader antenna for uhf rfid application," 2017 sixth asia-pacific conference on antennas and propagation (apcap), xi'an, china, 2017, pp. 1-3, doi: 10.1109/apcap.2017.8420477以及文献z. xing, h. li, c.
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y.
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d. sim, j. li and z. li, "study of a multi-loop travelling wave uhf rfid near-field antenna," in ieee access, vol. 8, pp. 69829-69837, 2020, doi: 10.1109/access.2020.2985992]提出并研究了一种多环行波超高频(uhf)射频识别(rfid)近场天线。文章采用多个小于二分之一波长的方形环级联，末尾加入50欧姆的匹配电阻，尺寸达到220mm
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80mm，最大问询距离为110mm。这样的环形结构使得天线能够产生较为均匀的磁场，行波结构又使得天线具有较大的阻抗带宽（18.1%）。美中不足的是，天线使用过多的集总元件不利于实际安装和使用。


技术实现要素：

[0004]
为克服上述的缺陷，本技术的目的在于：针对智能储物柜的应用场景，提出一款新型的具有较强且均匀磁场强度分布的超高频射频识别阅读器天线，该天线体积合适、能产生较强磁场的甚高频rfid近场天线。
[0005]
为实现上述目的，本技术采用如下的技术方案，
[0006]
一种应用于小型智能储物柜的近场射频识别阅读器天线，其包括：
[0007]
介质基板，
[0008]
所述介质基板的一侧设置有第一辐射贴片，
[0009]
所述介质基板的与所述第一辐射贴片相对的一侧具有第二辐射贴片；
[0010]
所述第一辐射贴片包括4个枝节（也称子枝节），相邻两所述枝节间通过第一人工传输线连接，
[0011]
所述第二辐射贴片包括4个子枝节，相邻两所述子枝节间通过第二人工传输线连接，
[0012]
所述第一辐射贴片与所述第二辐射贴片沿所述介质基板的中线a对称。在辐射贴片引入人工传输线，可起到增强枝节电流的分布，从而增强磁场的作用，同时人工传输线结构的引入可以保证各枝节内电流方向相同，从而产生均匀磁场。
[0013]
优选的，该第一人工传输线的结构与所述第二人工传输线的结构相同。
[0014]
优选的，该第一辐射贴片包括第一枝节、第二枝节、第三枝节及第四枝节，
[0015]
所述第一枝节、第二枝节及第三枝节为第四枝节沿所述介质基板的中心依次顺时针或逆时针旋转90
°
得到。
[0016]
优选的，该第一枝节侧具有第一穿孔及第二穿孔。
[0017]
优选的，该第二辐射贴片包括第一子枝节、第二子枝节、第三子枝节及第四子枝节，
[0018]
所述第一子枝节、第二子枝节及第三子枝节为第四子枝节沿介质基板的中心，依次顺时针或逆时针旋转90
°
得到。
[0019]
优选的，该第一子枝节连接的第二人工传输线的一侧具有第三穿孔，
[0020]
所述第二子枝节b上具有第四穿孔，且所述第三穿孔与第一穿孔贯通，所述第四穿孔与第二穿孔贯通。
[0021]
优选的，该第一辐射贴片与第二辐射贴片间电性连接有50欧姆电阻。
[0022]
优选的，该介质基板呈四方形，其4个角部侧分别设置有通孔，所述通孔安装有支撑部。
[0023]
优选的，该支撑部为螺柱。
有益效果
[0024]
与现有技术相比，本技术提出的阅读器天线实现对近场区标签的阅读。能产生较强且均匀的磁场分布，同时具有较低的远场增益以保证不会产生远场区标签的误读。且天线具有合适的尺寸、较低剖面，适应小型储物柜的使用场景。
附图说明
[0025]
图1a为本技术实施例的阅读器天线的俯视图结构示意图，
[0026]
图1b为本技术实施例的阅读器天线的仰视图结构示意图，
[0027]
图1c为本技术实施例的阅读器天线的组合结构示意图，
[0028]
图2为图1中人工传输线的结构示意图，
[0029]
图3为本技术实施例的阅读器天线的输入阻抗仿真图，
[0030]
图4为本技术实施例的阅读器天线s11的抗仿真及实际测量图。
实施方式
[0031]
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。
[0032]
接下来结合附图描述本技术的应用于小型智能储物柜的近场射频识别阅读器天线(下称阅读器天线)。
[0033]
该阅读器天线为无源型，其包括介质基板，该介质基板的一侧具有第一辐射贴片，该介质基板的与第一辐射贴片相对的一侧具有第二辐射贴片。第一辐射贴片与第二辐射贴片互相关于介质基板的中心翻折对称。该第一辐射贴片包括4个枝节，该第二辐射贴片包括4个子枝节，枝节或子枝节通过人工传输线连接。辐射贴片引入人工传输线，可起到增强枝节电流的分布，从而增强磁场的作用，同时人工传输线结构的引入可以保证各枝节内电流方向相同，从而产生均匀磁场。该介质基板100的板材选用fr4，介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，按照设计指标在第一辐射贴片尾端焊接50欧姆电阻，四角可挖孔,孔安装有螺柱（如塑料螺柱）便于天线放置。阅读器天线采用sma接头直接馈电。本实用新型利用人工传输线理论[如文献c.
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w. wang, t.
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g. ma and c.
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f. yang, "a new planar artificial transmission line and its applications to a miniaturized butler matrix," in ieee transactions on microwave theory and techniques, vol. 55, no. 12, pp. 2792-2801, dec. 2007, doi: 10.1109/tmtt.2007.909474中记载]，基于行波环形结构，实现了一款场强分布均匀、天线体积合适、能产生较强磁场的甚高频rfid近场天线。
[0034]
该阅读器天线的俯视示意如图1a所示，
[0035]
介质基板的第一侧（顶部）具有第一辐射贴片101，该第一辐射贴片101包括第一枝节101a、第二枝节101b、第三枝节101c及第四枝节101d，
[0036]
第一枝节101a与第二枝节101b通过人工传输线102连接，第二枝节101b与第三枝节101c通过人工传输线102连接，第三枝节101c与第四枝节101d通过人工传输线102连接，第一枝节101a与第四枝节101d通过人工传输线102连接。较佳的，该第一枝节101a第二枝节101b及第三枝节101c为第四枝节101d沿介质基板的中心，依次顺时针或逆时针旋转得到。本实施方式中，第一枝节101a侧具有穿孔103/104，故刻蚀部分第一枝节101a。
[0037]
该介质基板的第一侧（底部）具有第二辐射贴片105（参见图1b），该第二辐射贴片105包括4个子枝节，第一子枝节105a、第二子枝节105b、第三子枝节105c及第四子枝节105d，
[0038]
第二子枝节105b与第三子枝节105c通过人工传输线106连接，第三子枝节105c与
第四子枝节105d通过人工传输线106连接，第一子枝节105a与第四子枝节105d通过人工传输线106连接。较佳的，4个子枝节以其中一个子枝节沿沿介质基板的中心，依次顺时针或逆时针旋转得到。本实施方式中，第一子枝节105a连接的人工传输线106的一侧具有穿孔105a1，第二子枝节105b上具有连接端105b1。第一辐射贴片101与第二辐射贴片105组合后（参见图1c），互相关于介质基板100的中心翻折对称。穿孔103对着穿孔105a1，穿孔104对着连接端105b1，穿孔103的一侧设置一个50欧姆电阻，该50欧姆的电阻用于阻抗匹配。本实施方式中，第一辐射贴片与第二辐射贴片统称辐射贴片。第一辐射贴片的人工传输线102与第二辐射贴片的人工传输线106的结构可相同。在辐射贴片引入人工传输线（图2所示），可起到增强枝节电流的分布，从而增强磁场的作用，同时人工传输线结构的引入可以保证各枝节内电流方向相同，从而产生均匀磁场。整个天线尺寸为120mm*120mm*1.6mm,采用行波结构保证其阻抗带宽覆盖中国地区rfid频段。在天线的辐射贴片中引入具有慢波结构的人工传输线，能够使得天线电尺寸减小，同时保证方形环中电流相位相同，产生较强且均匀的磁场分布。天线整体采用行波结构，保证了其阻抗带宽满住中国rfid频段要求。该天线具有低剖面、安装简单、易加工、小型化等特点。
[0039]
本实施方式中天线的参数如下：w1=6mm;w2=14.5mm;w3=94mm;w4=0.4mm;w5=2.1mm;w6=0.4mm;s1=0.2mm;s2=0.1mm;l1=20.1mm;l2=4.6mm;l3=18mm;r1=0.5mm;r2=0.25mm。
[0040]
该天线工作机理：
[0041]
第一辐射贴片与第二辐射贴片关于中心翻折对称，整体采用人工传输线，该架构下中间弯曲的微带线102a可等效为电感，两侧交指结构102b又引入了等效电容，整体体现出慢波结构，从而使得天线整体的电尺寸减小且便于通过等效电感电容调节阻抗匹配。同时，人工传输线还能增强各枝节内电流分布，从而增强磁场强度，同时人工传输线结构的引入可以保证各枝节内电流方向相同，从而产生均匀磁场，保证天线在近场区的性能。天线中两侧的辐射贴片的尾端使用了一个50欧姆的电阻用于负载匹配，使得天线整体构成行波结构。因为人工传输线在减小尺寸和产生相移的同时牺牲了带宽，为了保证天线能满足中国rfid频段故而采用了行波结构增加带宽。本技术实施方式的天线结构简单，尺寸为120mm
×
120mm
×
1.6mm，具有极低的剖面和适合的面积，方便应用于小型的储物柜。
[0042]
图3为阅读器天线的输入阻抗仿真图，当频率为915mhz时，天线的输入阻抗为68-j*3.02。满足中国rfid频段的性能要求。
[0043]
图4为阅读器天线s11（端口2匹配时端口1的反射系数）仿真和实测图，在天线仿真时考虑到制作过程中的公差影响，故而使得仿真的谐振频率往低频预偏，所以仿真的s11曲线谐振点在0.88ghz。也正是应为这样的预偏使得实测天线的谐振频率正好达到了0.915ghz。从图中还可以看出，天线-10db带宽为893mhz-938mhz，满足设计要求。测试步骤：
[0044]
把天线连接在一款uhf rfid阅读器上，放入储物柜顶部。
[0045]
将附着好标签的物品放入储物柜中，然后在上位机中查看物品的识别情况，增大标签距离直至阅读器无法读取，多次测量并计算平均值，得处天线最大读取距离与100%读取距离。
[0046]
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。

技术特征：
1.一种应用于小型智能储物柜的近场射频识别阅读器天线，其特征在于，包括：介质基板，所述介质基板的一侧设置有第一辐射贴片，所述介质基板的与所述第一辐射贴片相对的一侧具有第二辐射贴片；所述第一辐射贴片包括4个枝节，相邻两所述枝节间通过第一人工传输线连接，所述第二辐射贴片包括4个子枝节，相邻两所述子枝节间通过第二人工传输线连接，所述第一辐射贴片与所述第二辐射贴片沿所述介质基板的中线a对称。2.如权利要求1所述的近场射频识别阅读器天线，其特征在于，所述第一人工传输线的结构与所述第二人工传输线的结构相同。3.如权利要求1所述的近场射频识别阅读器天线，其特征在于，所述第一辐射贴片包括第一枝节、第二枝节、第三枝节及第四枝节，所述第一枝节、第二枝节及第三枝节为第四枝节沿所述介质基板的中心依次顺时针或逆时针旋转90
°
得到。4.如权利要求3所述的近场射频识别阅读器天线，其特征在于，所述第一枝节侧具有第一穿孔及第二穿孔。5.如权利要求3或4所述的近场射频识别阅读器天线，其特征在于，所述第二辐射贴片包括第一子枝节、第二子枝节、第三子枝节及第四子枝节，所述第一子枝节、第二子枝节及第三子枝节为第四子枝节沿介质基板的中心，依次顺时针或逆时针旋转90
°
得到。6.如权利要求5所述的近场射频识别阅读器天线，其特征在于，所述第一子枝节连接的第二人工传输线的一侧具有第三穿孔，所述第二子枝节b上具有第四穿孔，且所述第三穿孔与第一穿孔贯通，所述第四穿孔与第二穿孔贯通。7.如权利要求1所述的近场射频识别阅读器天线，其特征在于，所述第一辐射贴片与第二辐射贴片间电性连接有50欧姆电阻。8.如权利要求1所述的近场射频识别阅读器天线，其特征在于，所述介质基板呈四方形，其4个角部侧分别设置有通孔，所述通孔安装有支撑部。9.如权利要求8所述的近场射频识别阅读器天线，其特征在于，所述支撑部为螺柱。

技术总结
本申请提出一种应用于小型智能储物柜的近场射频识别阅读器天线。该阅读器天线为无源型，其包括介质基板，该介质基板的一侧具有第一辐射贴片，该介质基板的与第一辐射贴片相对的一侧具有第二辐射贴片。第一辐射贴片与第二辐射贴片，互相关于介质基板的中心翻折对称，该第一辐射贴片包括4个枝节，相邻2个枝节通过人工传输线连接，该第二辐射贴片包括4个子枝节，相邻2个子枝节通过人工传输线连接。在辐射贴片引入人工传输线，可起到增强枝节电流的分布，从而增强磁场的作用，同时人工传输线结构的引入可以保证各枝节内电流方向相同，从而产生均匀磁场。同时人工传输线的引入也达到了减小天线电尺寸的目的，使得天线能够小型化。使得天线能够小型化。使得天线能够小型化。


技术研发人员：刘学观 龙昊
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/8/13