用于便携式UHF RFID设备的小型化四臂螺旋天线

摘要

一种用于便携式UHF RFID设备的小型化四臂螺旋天线，包括介质柱体、四组螺旋臂以及一分四馈电网络，四组螺旋臂绕轴线缠绕在介质柱体的外表面，一分四馈电网络具有两层介质基板，上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面分别设置有一分二馈电网络，两层介质基板之间设置有接地线路，螺旋臂包括一个L形辐射枝节和一个短路枝节，其中2组螺旋臂的L形辐射枝节与上层一分二馈电网络相连接，另外2组螺旋臂的L形辐射枝节与下层一分二馈电网络相连接，短路枝节与接地线路相连接，一分四馈电网络为四组螺旋臂依次提供0、‑90、‑180和‑270度的相位差，从而形成圆极化。该小型化四臂螺旋天线具有小型化、高增益、宽波束的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及用于便携式UHF RFID设备的小型化四臂螺旋天线。

背景技术

近年来，由于物联网的快速发展，射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术越来越受到人们的重视。RFID系统一般包括RFID阅读器和标签两部分，而RFID阅读器天线对RFID系统的性能起着较大影响。通常在UHF频段(860-960MHz)，RFID系统具有较大的传输范围和较快的传输速率。四臂螺旋天线由于其圆极化、心型方向图、优良前后比等优点适合用于UHF RFID系统中。目前手持化RFID读写设备的兴起，亟需提供具有小型化、高增益、宽波束特点的天线。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于便携式UHF RFID设备的四臂螺旋天线，克服传统天线在兼具小型化、高增益、宽波束上的不足。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于便携式UHF RFID设备的小型化四臂螺旋天线，包括介质柱体、四组螺旋臂以及一分四馈电网络，所述四组螺旋臂绕轴线缠绕在所述介质柱体的外表面，所述一分四馈电网络具有两层介质基板，所述两层介质基板中的上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面分别设置有一分二馈电网络，所述两层介质基板之间设置有接地线路，所述螺旋臂包括一个L形辐射枝节和一个短路枝节，其中2组螺旋臂的L形辐射枝节与上层一分二馈电网络相连接，另外2组螺旋臂的L形辐射枝节与下层一分二馈电网络相连接，所述短路枝节与所述接地线路相连接，所述一分四馈电网络为所述四组螺旋臂依次提供0、-90、-180和-270度的相位差，从而形成圆极化。

进一步地：

所述介质柱体的材质为氧化铝陶瓷。

所述四组螺旋臂的短路枝节通过短路探针与金属地板连接，其中2组螺旋臂的L形辐射枝节与上层一分二馈电网络直接相连，另外2组螺旋臂的L形辐射枝节通过短路探针与下层一分二馈电网络相连。

所述一分四馈电网络通过同轴线馈电，所述同轴线的内芯连接上层一分二馈电网络，所述同轴线的外导体连接下层一分二馈电网络。

所述一分二馈电网络包括三段微带线和贴片式电桥，所述贴片式电桥具有6个引脚，其中3个引脚分别所述三段微带线相连，2个引脚通过短路探针与所述接地线路相连，其中上层一分二馈电网络的一段微带线还与所述同轴线的内芯相连，下层一分二馈电网络的一段微带线还与所述同轴线的外导体相连。

所述三段微带线为三段50欧姆微带线。

所述贴片式电桥为贴片式3dB电桥。

所述介质基板为FR4介质基板。

所述接地线路为金属地板。

所述介质柱体为介质圆柱。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种小型化四臂螺旋天线，其具有小型化、高增益、宽波束的优点，该四臂螺旋天线在有效满足小型化要求的同时，还具有较高的增益，能使RFID系统保持较远的阅读距离，而且也具有较宽的波束宽度，能使RFID系统在较大的角度范围内能精准阅读，上述优点使得该四臂螺旋天线尤其适合用在便携式UHF RFID设备中。

附图说明

图1为本发明实施例提供的四臂螺旋天线的侧视图；

图2为本发明实施例提供的四臂螺旋天线的平面展开图；

图3为本发明实施例提供的一分四馈电网络的俯视图；

图4为本发明实施例提供的四臂螺旋天线的回波损耗曲线图；

图5为本发明实施例提供的四臂螺旋天线的轴比和增益曲线图；

图6为本发明实施例提供的四臂螺旋天线在915MHz频率处的轴比和增益曲线图；

图7为本发明实施例提供的四臂螺旋天线在915MHz频率处的增益辐射方向图；

附图标记说明：1、介质柱体；2、四组螺旋臂；2A、辐射枝节；2B、短路枝节；3、一分四馈电网络；4、介质基板；5、上层一分二馈电网络；6、下层一分二馈电网络；7、金属地板；8、短路探针；9、同轴线；10、贴片式电桥；11、塑料螺丝；12、三段微带线。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1至图3，本发明实施例提供一种用于便携式UHF RFID设备的小型化四臂螺旋天线，包括介质柱体1、四组螺旋臂2以及一分四馈电网络3，介质柱体1优选为介质圆柱，所述四组螺旋臂2绕轴线缠绕在所述介质柱体1的外表面，所述一分四馈电网络3具有两层介质基板4，所述两层介质基板4中的上层介质基板4的上表面和下层介质基板4的下表面分别设置有一分二馈电网络，所述两层介质基板4之间设置有接地线路(如金属地板7)，所述螺旋臂2包括一个L形辐射枝节2A和一个短路枝节2B，其中2组螺旋臂2的L形辐射枝节2A与上层一分二馈电网络5相连接，另外2组螺旋臂2的L形辐射枝节2A与下层一分二馈电网络6相连接，所述短路枝节2B与所述接地线路相连接，所述一分四馈电网络3为所述四组螺旋臂2依次提供0、-90、-180和-270度的相位差，从而形成圆极化。

本发明实施例的四臂螺旋天线具有小型化、高增益、宽波束的优点，该四臂螺旋天线在有效满足小型化要求的同时，如图4至图7所示的测试数据，其还具有较高的增益，能使RFID系统保持较远的阅读距离，而且也具有较宽的波束宽度，能使RFID系统在较大的角度范围内能精准阅读，上述优点使得该四臂螺旋天线尤其适合用在便携式UHF RFID设备中。

在优选的实施例中，所述介质柱体1的材质采用氧化铝陶瓷，有利于实现天线的小型化。

参阅图1至图2，在优选的实施例中，所述四组螺旋臂2的短路枝节2B通过短路探针8与金属地板连接，其中2组螺旋臂2的L形辐射枝节2A与上层一分二馈电网络5直接相连，另外2组螺旋臂2的L形辐射枝节2A通过短路探针8与下层一分二馈电网络6相连。

参阅图1至图2，在优选的实施例中，所述一分四馈电网络3通过同轴线9馈电，所述同轴线9的内芯连接上层一分二馈电网络5，所述同轴线9的外导体连接下层一分二馈电网络6。

参阅图3，在优选的实施例中，所述一分二馈电网络包括三段微带线12和贴片式电桥10，所述贴片式电桥10具有6个引脚，其中3个引脚分别所述三段微带线12相连，2个引脚通过短路探针8与所述接地线路相连，其中上层一分二馈电网络5的一段微带线还与所述同轴线9的内芯相连，下层一分二馈电网络6的一段微带线还与所述同轴线9的外导体相连。

在一些实施例中，所述三段微带线12优选为三段50欧姆微带线。所述贴片式电桥10优选为贴片式3dB电桥，作为贴片式3dB功分器。

在一些实施例中，所述介质基板4可以为FR4介质基板。

在优选的实施例中，所述接地线路可采用金属地板7。

以下进一步描述本发明具体实施例。

如图1至图3所示，具体实施例提供一种应用于便携式UHF RFID设备的小型化四臂螺旋天线，包括氧化铝陶瓷材料的介质柱体1、四组螺旋臂2以及在介质柱体1下方的一分四馈电网络3。其中，所述四组螺旋臂2绕轴线缠绕在氧化铝陶瓷材料的介质柱体1的外表面，每组螺旋臂2包括一个L形辐射枝节2A和短路枝节2B；所述一分四馈电网络具有两层介质基板4，优选采用FR4介质基板，且在两层介质基板4的上下表面印刷有一分二馈电网络5、6，在中间层印刷有金属地板7；其中，所述一分二馈电网络5、6包括三段微带线12和贴片式电桥10，优选采用三段50欧姆微带线和贴片式3dB电桥；此外，短路枝节2B通过短路探针8与金属地板7连接，两组L形辐射枝节2A通过短路探针8与下层一分二馈电网络6连接；一分四馈电网络3为四组螺旋臂依次提供0、-90、-180和-270度的相位差，从而形成圆极化。

本实施例中，介质柱体1采用高介电常数的氧化铝陶瓷作为材料，有利于实现小型化。螺旋臂2包括辐射L形枝节2A和短路枝节2B，其中将辐射枝节弯折成L形的目的是减少轴线长度，增加短路枝节的作用是改善阻抗匹配。一分二馈电网络5或6包括带有6个引脚的贴片式3dB电桥以及三段50欧姆微带线12。贴片式电桥10两端的引脚与三段微带线12连接，中间的引脚接金属地板7。该一分四馈电网络3采用同轴线9进行馈电，且同轴线9的内芯与上层一分二馈电网络5连接，同轴线9的外导体与下层一分二馈电网络6连接。一分四馈电网络3的作用是实现四个输出端口90度的相位差和相同幅度的功率，从而实现圆极化。此外，上层一分二馈电网络5的输出端口A和B与其中两组螺旋臂2直接连接，下层一分二馈电网络6的输出端口C和D与另外两组螺旋臂2通过短路探针连接。最后，一分四馈电网络通过塑料螺丝11进行加固。参见图4至图7，实施例的四臂螺旋天线具有增益大、尺寸小、宽波束、心型方向图、前后比优良等优点。

如图4所示，天线在0.8-1GHz频段内的回波损耗均小于-10dB；如图5所示，天线在UHF RFID频段内的平均增益为4.5dB，且轴比小于0.08；如图6所示，天线在915MHz频率处的3dB增益波束宽度为120度，3dB轴比波束宽度为184度；如图7所示，天线在915MHz的辐射方向图具有22dB的前后比，且具有心型方向图。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。