一種基於深度亞波長開放式諧振器的近場通信天線裝置製造方法

2023-07-09 03:44:46 3

一種基於深度亞波長開放式諧振器的近場通信天線裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於深度亞波長開放式諧振器的近場通信天線裝置。包括上下排布的金屬層、第一基板層、微帶線、第二基板層與深度亞波長開放式諧振器，金屬層覆蓋在第一基板層底面，深度亞波長開放式諧振器覆蓋在微帶線正上方的第二基板層上，微帶線的一端作為近場通信天線的輸入埠，微帶線的另一端通過金屬化的過孔穿過第一基板層與金屬層相連接，通過調整微帶線的長度調節天線阻抗，實現阻抗匹配。本發明基於深度亞波長開放式諧振器，採用近場磁場耦合方式進行無線通信，可有效限制通信距離並減少周圍環境對電磁場的擾動，從而提高射頻識別通信的安全性和可靠性。
【專利說明】一種基於深度亞波長開放式諧振器的近場通信天線裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種通信天線裝置，尤其是涉及一種基於深度亞波長開放式諧振器的近場通信天線裝置。

【背景技術】
[0002]傳統的UHF RFID射頻識別通信系統主要強調具有較遠的標籤識別讀取距離，以滿足高速公路ETC收費、貨物貨櫃盤點等應用場合遠距離識讀標籤的需要，但在對安全性有較高要求的場合如門禁系統、行動支付等卻需要將閱讀器與標籤的通信限制在較小的範圍以防止對信息的截獲或意外讀取。目前已有的技術方法主要採用調節閱讀器發射功率的方式來控制調節閱讀器與標籤的通信距離和採用定向天線控制電磁波束的寬度來限制通信範圍，但是由於閱讀器和標籤的通信天線採用電磁波遠場耦合的通信方式，加上電磁波傳輸環境的複雜性，通信所能覆蓋的空間區域仍然難以得到有效限制，此外也不具備對標籤可識別讀取性的直接控制，因而射頻識別信息的傳輸仍然容易被截獲或意外讀取，並且天線也容易受到周圍環境對遠場電磁波傳播反射散射的擾動，因而影響到射頻識別通信的安全與可靠。


【發明內容】

[0003]為克服目前UHF RFID天線不能有效的限定通信距離及易與外界環境耦合受到擾動因而影響通信安全性及可靠性的缺點，本發明的目的在於提供一種基於深度亞波長開放式諧振器的近場通信天線裝置，可實現對通信距離的有效限制，並能減少周圍環境對電磁場的擾動，從而提高UHF RFID通信的安全性和可靠性。
[0004]本發明採用的技術方案如下:
[0005]本發明包括上、下依次排布的金屬層、第一基板層、微帶線、第二基板層與深度亞波長開放式諧振器，金屬層覆蓋在第一基板層底面，深度亞波長開放式諧振器覆蓋在微帶線正上方的第二基板層上，微帶線的一端作為近場通信天線的輸入埠，微帶線的另一端通過金屬化的過孔穿過第一基板層與金屬層相連接，通過調整微帶線的長度調節天線阻抗，實現阻抗匹配。
[0006]所述的深度亞波長開放式諧振器包含有內環和外環。
[0007]所述的第一基板層或者第二基板層採用PCB板。
[0008]所述的微帶線由金屬在第一基板層上刻蝕形成。
[0009]所述的微帶線的一端作為輸入埠與RF連接器連接。
[0010]所述的深度亞波長開放式諧振器為金屬開口諧振環(SRR)。
[0011]所述裝置適用於UHF RFID近場通信。
[0012]本發明具有的有益效果是:
[0013]本發明基於深度亞波長開放式諧振器，採用近場磁場耦合方式進行無線通信，可有效限制通信距離並減少周圍環境對電磁場的擾動，從而提高射頻識別通信的安全性和可靠性。
[0014]本發明通過採用高Q值深度亞波長開放式諧振器實現近場磁場耦合通信以減少遠場電磁波與周圍環境散射反射相互作用所產生的擾動，採用微帶線寬邊耦合激勵以實現強磁場耦合，並採用微帶線短路分支以較小的尺寸實現天線的輸入阻抗匹配從而提高通信信號強度，近場通信天線採用深度亞波長開放式諧振器設計，從而在受控距離範圍內實現安全可靠的UHF RFID射頻近場通信。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發明天線裝置的接收示意圖。
[0016]圖2是本發明各層結構示意圖。
[0017]圖3是圖2的側視圖。
[0018]圖4是圖2的俯視圖。
[0019]圖5是本發明天線裝置的等效電路圖。
[0020]圖中:1、天線裝置，2、接收器，1.1、金屬層，1.2、第一基板層，1.3、微帶線，1.4、第二基板層，1.5、深度亞波長開放式諧振器。

【具體實施方式】
[0021 ] 下面結合附圖對本發明實施方式進一步說明。
[0022]如圖2和圖3所示，本發明包括上、下依次排布的金屬層1.1、第一基板層1.2、微帶線1.3、第二基板層1.4與深度亞波長開放式諧振器1.5，金屬層1.1覆蓋在第一基板層
1.2底面，如圖4所示，深度亞波長開放式諧振器1.5覆蓋在微帶線1.3正上方的第二基板層1.4中心，微帶線1.3的一端作為近場通信天線的輸入埠，微帶線1.3的另一端通過金屬化的過孔穿過第一基板層1.2與金屬層1.1相連接，通過調整微帶線1.3的長度調節天線阻抗，實現阻抗匹配，可適用於UHF RFID近場通信。
[0023]如圖1所示，本發明在天線裝置I與接收器2同軸，採用近場磁場耦合方式通信時，磁場諧振獲得強耦合以有效傳輸通信信號。當接收器2與近場通信天線的天線拉開距離時，電磁場無法有效諧振耦合，所傳輸通信信號快速衰減，從而限定射頻識別的識讀距離範圍以防止信息被截獲或意外讀取，從而提高了射頻識別通信的安全性，另外由於天線能量主要以近場形式存在，遠場輻射能量較弱，因而通信電磁場與周圍環境為弱耦合關係，因而也不容易受到外界反射散射電磁波的擾動，提高了射頻識別通信的可靠性。
[0024]如圖4所示，優選地，深度亞波長開放式諧振器1.5採用金屬開口諧振環SRR，包含有內環和外環。
[0025]第一基板層1.2或者第二基板層1.4採用PCB板。
[0026]微帶線1.3由金屬在第一基板層1.2上刻蝕形成。
[0027]微帶線1.3的一端作為輸入埠與RF連接器連接。
[0028]本發明總共有五層:
[0029]第一層為位於底層的金屬層1.1用作天線的參考地平面。
[0030]第二層為採用介質材料的第一基板層1.2，其厚度會影響微帶線1.3和深度亞波長開放式諧振器1.5的阻抗諧振特性，可通過電磁場仿真進行優化選擇。
[0031]第三層為刻蝕金屬後所形成的微帶線1.3，微帶線1.3的一端作為輸入埠與RF連接器連接，微帶線1.3的另一端通過金屬化的過孔與金屬層1.1相連接以實現接地。通過調整微帶線1.3的長度，即微帶線短路分支的長度，以調節天線的輸入阻抗實現阻抗匹配。
[0032]第四層為採用介質材料的第二基板層1.4，其厚度會影響微帶線1.3和深度亞波長開放式諧振器1.5的阻抗諧振特性，可通過電磁場仿真進行優化選擇；
[0033]第五層為刻蝕金屬後所形成的深度亞波長開放式諧振器1.5，可採用金屬開口諧振環SRR，包含有內環和外環，其諧振頻率及阻抗特性與內環外環的間隙、邊長、寬度等參數有關，可通過電磁場仿真進行參數優化選擇，使得天線阻抗在諧振頻率處與近場通信天線的天線埠阻抗匹配。
[0034]本發明通過採用深度亞波長開放式諧振器實現近場磁場耦合通信，以減少遠場電磁波與周圍環境散射反射相互作用所產生的擾動，採用微帶線耦合激勵以實現強磁場耦合，並採用微帶線短路分支以較小的尺寸實現天線的輸入阻抗匹配從而提高通信信號強度，採用深度亞波長開放式諧振器的設計，從而在受控距離範圍內實現安全可靠的UHFRFID射頻近場通信。
[0035]如圖5所示，本發明天線的等效電路，以SRR為例，天線的輸入阻抗Zin可表示為:
[0036]Zin= l/[l/(l/j^Cg+ZSEE)+l/XL]
[0037]式中，Cg為微帶線與SRR的耦合電容，Zsee為SRR的等效阻抗，可以表示為Zskk =Rsee+J ω LSEE+l/j ω Csee, Xl是微帶線短路分支的等效阻抗,j表示虛數，ω表示諧振頻率,Csee表示SRR的等效電容，Lsee表示SRR的等效電感，Rsee表示SRR的等效電阻。通過調節微帶線與SRR的距離可以改變Cg大小，通過調節微帶線短路分支長度可以調節的大小，從而調節天線的輸入阻抗等於微帶線的特徵阻抗Ζ。以實現阻抗匹配，天線輸入阻抗在不包含微帶線短路分支時在SRR諧振頻率處呈現容性，因此採用微帶線短路分支從而以較小的尺寸對天線輸入阻抗進行感抗補償調諧，並通過選擇合適的SRR尺寸參數，可以將SRR的諧振頻率調整為天線的工作頻率以實現最大的天線通信磁場激勵。
[0038]本發明的實施例:
[0039]如圖1和圖4所示，實施例中的深度亞波長開放式諧振器採用開口諧振環(SRR)，第一基板層和第二基板層採用羅傑斯4350Β的基板，長度和寬度均為60mm，厚度為0.762mm，基板的介電常數為3.48，損耗為0.0037 ;金屬層、微帶線和SRR的厚度為0.0018mm,微帶線的長度為48.5mm,寬度為1.74mm,特徵阻抗為50歐姆，SRR的邊長為14mm,內環和外環的寬度為1mm，內環與外環的間距為1mm。上述近場通信天線的諧振頻率為1.773GHz，Q值為395，由此，本發明能夠滿足在受控距離範圍內實現安全可靠的UHFRFID射頻近場通信的要求，實現UHF RFID射頻近場通信。
[0040]上述【具體實施方式】用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種基於深度亞波長開放式諧振器的近場通信天線裝置，其特徵在於:包括上、下依次排布的金屬層(1.1)、第一基板層(1.2)、微帶線(1.3)、第二基板層(1.4)與深度亞波長開放式諧振器(1.5)，金屬層(1.1)覆蓋在第一基板層(1.2)底面，深度亞波長開放式諧振器(1.5)覆蓋在微帶線(1.3)正上方的第二基板層(1.4)上，微帶線(1.3)的一端作為近場通信天線的輸入埠，微帶線(1.3)的另一端通過金屬化的過孔穿過第一基板層(1.2)與金屬層(1.1)相連接，通過調整微帶線(1.3)的長度調節天線阻抗，實現阻抗匹配。
2.根據權利要求1所述的一種基於深度亞波長開放式諧振器的近場通信天線裝置，其特徵在於:所述的深度亞波長開放式諧振器(1.5)包含有內環和外環。
3.根據權利要求1所述的一種基於深度亞波長開放式諧振器的近場通信天線裝置，其特徵在於:所述的第一基板層(1.2)或者第二基板層(1.4)採用PCB板。
4.根據權利要求1所述的一種基於深度亞波長開放式諧振器的近場通信天線裝置，其特徵在於:所述的微帶線(1.3)由金屬在第一基板層(1.2)上刻蝕形成。
5.根據權利要求1所述的一種基於深度亞波長開放式諧振器的近場通信天線裝置，其特徵在於:所述的微帶線(1.3)的一端作為輸入埠與RF連接器連接。
6.根據權利要求1或者2所述的一種基於深度亞波長開放式諧振器的近場通信天線裝置，其特徵在於:所述的深度亞波長開放式諧振器(1.5)為金屬開口諧振環。
7.根據權利要求廣5任一所述的一種基於深度亞波長開放式諧振器的近場通信天線裝置，其特徵在於:所述裝置適用於UHF RFID近場通信。
【文檔編號】H01Q1/50GK104409844SQ201410739942
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月5日 優先權日:2014年12月5日
【發明者】董晶, 範志廣, 冉立新 申請人:浙江大學