一种基于RF MEMS移相器的RFID识别天线

摘要

本发明涉及一种基于RF MEMS移相器的识别天线，所述天线包括五层结构，底层为馈电网络，所述馈电网络层包括功分器、RF MEMS移相器；中间层包括参考地面；中间层的上层和下层分别包括两层用于隔离的介质材料；最上层包括天线阵元；所述天线还包括馈电探针，所述馈电网络与所述天线阵元采用背馈形式连接，所述馈电网络通过所述馈电探针对所述天线阵元进行馈电。

说明书

技术领域

本发明涉及射频电子技术领域，特别涉及RFID系统中天线应用领域。

背景技术

RFID技术是实现物联网的关键技术，在RFID系统中，根据不同的应 用场景，需要使用RFID系统中的天线发送和接收射频信号，在实际应用 中，为提高系统工作效率，时常需要实现对电子标签多角度、远距离读 取。天线阵将各单元辐射场矢量在空间某些方向上进行同相叠加，并且 在另一些方向上反向抵消，因此天线阵可以用来实现高增益和波束指向 控制。要想实现天线波束多角度扫描，需要在天线阵列馈电网络中加入 移相器。MEMS移相器具有插入损耗小、功耗低等优点，可降低整个射频 系统的体积和损耗。MEMS移相器一般可以分为分布式移相器、反射型移 相器及开关线型移相器。开关线型移相器利用MEMS开关控制微波信号从 两条电长度不同的传输线通过,得到不同的相位状态，将多个一位开关移 相器级联，可构成多位开关线性移相器。

在RFID系统中，由于标签摆放位置的不固定，一般要求读写器天线 为圆极化天线，而线极化天线则在定向读取电子标签的读写器中得到应 用。在RFID领域中，圆极化天线有着重要应用，已成为当前国内外研究 热点。任意极化波可以分解为两个旋向相反的圆极化波。其中，一个线 极化波可以分解为两个旋向相反、振幅相等的圆极化波。因此，任意极 化的来波都可由圆极化天线收到；反之，圆极化天线辐射的圆极化波也 可以由任意极化的天线收到。所以在RFID系统中圆极化天线被广泛使用。

发明内容

为满足现阶段实际技术需求，本发明目的在于提供一种基于RF MEMS移相器的识别天线。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于RF MEMS移相器的识别天线，其特征在于，所述天线包 括五层结构，底层为馈电网络(e)，所述馈电网络层包括功分器(5)、 RF MEMS移相器(3)；中间层包括参考地面(6)；中间层的上层和下层 分别包括两层用于隔离的介质材料；最上层包括天线阵元(1)；所述天 线还包括馈电探针(2)，所述馈电网络与所述天线阵元采用背馈形式连 接，所述馈电网络通过所述馈电探针对所述天线阵元进行馈电。

优选的，所述功分器和所述RF MEMS移相器之间使用微带线连接。

优选的，所述功分器是威尔金森功分器，实现等幅同相功率分配后 与所述RF MEMS移相器连接。

优选的，所述RF MEMS移相器包括开关线型移相器，所述开关线 型移相器包括两个RF MEMS单刀双掷开关，每个RF MEMS单刀双掷开 关两端分别连接至两个电压信号控制线，所述电压信号控制线导通时控 制RF MEMS单刀双掷开关同侧支路导通，控制每个RF MEMS单刀双掷 开关的两个电压信号控制线之一同时导通，使得经过移相器的信号产生0 度，45度，90度，或135度的相位偏移。

优选的，所述天线阵元是方形四边中部开槽的金属贴片，在方形贴 片四边中部分别开长度不等的两对槽，并沿贴片对角线采用同轴馈电， 形成圆极化辐射。

优选的，调整所述天线阵元的尺寸和数量，使所述天线工作在超高 频段或者微波频段。

优选的，所述威尔金森功分器双臂长度为四分之一波长，分支微带 线阻抗为70.7欧姆，双臂间的隔离电阻为100欧。

优选的，所述天线阵元中相邻阵元之间的距离根据以下公式确定：

$d<\frac{\lambda }{|1+\sin {\theta }_{\max }|}$

其中d是阵元之间的距离，θ_max为波束最大扫描角度，λ代表信号工 作波长。

优选的，所述天线阵元中相邻阵元之间的距离为信号工作波长的一 半。

优选的，所述天线用于RFID领域。

本发明有益效果如下：本发明的识别天线具有远距离、大范围的识 别性能，如果应用于RFID领域，能够提高远距离识别时，RFID识别的 准确性和便利性。特别是，本发明的特定RF MEMS移相器具有插入损 耗小，功耗低等优点，可降低整个RFID系统天线的体积、损耗和功耗； 此外，特有的圆极化天线阵元组成天线阵列，可提高天线波束多角度扫 描、远距离识别目标的效率和准确率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的 从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的 和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指 出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制， 在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的天线结构俯视图；

图2是本发明的天线结构侧视图；

图3是本发明的具体实施例一的馈电网络示意图；

图4是本发明的天线阵元分布示意图；

图5是本发明的移相器示意图；

图6是本发明的天线阵元示意图；

图7是本发明的功分器示意图；

图8是本发明的具体实施例二的馈电网络示意图；

图9是本发明的具体实施例三的馈电网络示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本 申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

图1为本发明的第一实施例。如图1所示，本发明的基于RF MEMS 移相器的RFID识别天线包括了功分器5、移相器3、RF MEMS开关4、 开关信号线7、天线阵元1、馈电探针2、参考地面6、介质材料b。

如图2所示，本发明的基于RF MEMS移相器的RFID识别天线包括 五层结构，最上层a是天线辐射单元，采用铜片制成，向下一层b是介 质层，采用介电常数为4.4的FR4环氧树脂板，损耗角正切为0.02，再 向下一层是接地层c，再向下一层是下层介质层d，最下面一层为馈电网 络层e。

如图3所示，本发明的馈电网络图由威尔金森功分器和RF MEMS移 相器构成，由三个威尔金森功分器和两个RF MEMS二位开关线性移相 器构成，一个二位开关线性移相器使用四个单刀双掷RF MEMS开关。 功分器包括两个输出端，一个输入端。该天线包括四个天线阵元 (A1,A2,A3,A4)，两个移相器(101，102)以及三个功分器(001，002， 003)。第一功分器(001)的输入端(In)与外部信号相连，两个输出端 分别连接第一移相器(101)和第二移相器(102)的输入端，第一移相 器(101)和第二移相器(102)的输出端分别与第二功分器(002)和第 三功分器(003)的输入端连接，第二功分器的输出端分别与第一天线阵 元和第二天线阵元相连，第三功分器分别与第三天线阵元和第四天线阵 元相连。

威尔金森功分器可以替换为T型功分器或其它功分器。

一个威尔金森功分器结构图如图7所示。威尔金森功分器的功能是将 输入信号等分或不等分地分配到各个输出端口，并保持相同输出相位。 功分器各个端口的特性为：端口In无反射，端口Out1和Out2输出电压 相等且同相，端口Out1和Out2输出功率比值为任意指定值1/k²(k为实 数),由传输线阻抗变换理论相关公式可得，

$Z_{\mathrm{Out}1}=Z_{\mathrm{In}}\sqrt{K(1+K^2)},$$Z_{\mathrm{Out}2}=Z_{\mathrm{In}}\sqrt{\frac{(1+K^2)}{K^3}},$本发明中，功分器可 以采用等功率分配，在多路功率分配器结构中也可以采用不等功率分配。 由威尔金森功分器工作原理可知，输入端特征阻抗为50欧姆时，功分器 双臂长度为四分之一波长，四分之一波长的分支微带线阻抗为70.7欧姆， 双臂间的隔离电阻为：

图5为开关线型移相器，该开关线型移相器由两个一位RF MEMS移 相器级联而成，第一个移相器实现90度相位偏移,第二个移相器实现45 度的相位偏移，每一个RF MEMS单刀双掷开关外接两条电压控制信号 线，用于控制微波信号的不同路径。该RF MEMS移相器可实现0度、 45度、90度、135度相位偏移，当n和q控制信号控制支路10和20导 通时，实现0度相位偏移，当m控制支路11导通，q控制支路20导通， 实现45度相位偏移，当n控制支路10导通，p控制支路21导通，可实 现90度相位偏移，当m控制支路11导通，p控制支路21导通，可实 现135度相位偏移。

MEMS移相器除了可以是开关型移相器之外，还可以是分布式移相 器、反射型移相器等。

如图4所示，天线阵元由四个圆极化微带天线构成，为了实现阵元小 型化设计，在辐射天线表面开槽，如图6所示，在方形贴片四边中部分 别开长度不等的两对槽，阵元馈电点位于方形辐射表面斜对角线上，采 用同轴馈电技术，使得天线辐射圆极化波。在天线阵列中，为了不出现 栅瓣，相邻阵元的距离为

图8为本发明的第二具体实施方式。该实施例的馈电网络图由一个威 尔金森功分器和两个RF MEMS移相器，以及两个天线阵元构成。功分 器的输入端与外部信号相连，两个输出端分别连接第一移相器和第二移 相器的输入端，第一移相器和第二移相器的输出端分别与第一天线阵元 和第二天线阵元相连。

图9为本发明的第三实施例。该实施例的馈电网络图由七个威尔金森 功分器和四个RF MEMS移相器，以及八个天线阵元构成。该组成是由 一个功分器的两个输出端分别连接了如图1所示的馈电网络构成的。

本发明的天线阵元不仅只限于某个组合，阵元个数可根据实际增益需 求确定，根据阵元的个数，选择功分器和移相器，基本原则是功分器实 现功率分配，再连接移相器，最终实现馈电网络的输出端口数与阵元数 相等，所有阵元接收到等幅信号，相邻排列的阵元间产生相位差。阵元 排列原则为，馈电网络输出端口与阵元对应，相邻阵元间产生相位差， 实现波束扫描。该发明的天线阵元不止仅限于图6所示形式，也可替换 为其他符合频段要求的RFID天线阵元。

综上所述，本发明实施例提供了一种本发明的识别天线具有远距离、 大范围的识别性能，如果应用于RFID领域，能够提高远距离识别时，RFID 识别的准确性和便利性。特别是，本发明的特定RF MEMS移相器具有插 入损耗小，功耗低等优点，可降低整个RFID系统天线的体积、损耗和功 耗；此外，特有的圆极化天线阵元组成天线阵列，可提高天线波束多角 度扫描、远距离识别目标的效率和准确率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。