[发明专利]用于超高频读写器的近场天线

说明书

技术领域

本发明属于近场耦合天线领域，具体涉及一种用于超高频读写器的近场耦合天线。 

背景技术

射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID读写器也分移动式的和固定式的，目前RFID技术应用很广，如：图书馆，门禁系统，食品安全溯源等。常用的RFID读写器有低频(125k-134.2K)、高频(13.56MHz)、超高频(860-960MHz)和微波频段(2.4GHz以上)等。 

超高频读写器的基本组成包括读写器天线、耦合元件以及芯片，读取或写入标签信息。其中，读写器天线在超高频读写器中起着关键作用。读写器天线按照作用距离来划分，可以分为近场天线和远场天线。工作于超高频的近场读写器天线非常适合在狭小空间工作。因为近场天线只有在近距离处才有较强的电磁场，距离稍远一些电磁场的强度急剧减弱，这种天线的远场增益很低，所以天线周围的大面积金属并不会对天线的性能产生影响。 

由于超高频段近场RFID读写器天线有很多优良性能，很多公司和个人已经做了不少的相关研究，并且有产品问世。 

微带天线的电磁场主要分布于微带线与地的空间中，向外辐射较小，利用这个原理试制的天线对标签的读写距离也不大。在应用中可当作近场天线使 用。上述近场天线实际是通过减小外发的电磁场实现的，在近场区域中需要较强的电磁场时（如NXP的4R功能都需要能在特定区域产生10dBm以上的功率），上述微带天线并不适用。 

基于上述情况，Impinj公司提出了很多基于耦合环的天线；Siemens公司提出了一种折合的环天线；Daniel M.Dobkin等人提出了一种靠集总电容器补偿相位的环天线；上述专利中，都是利用闭合环形天线产生近场耦合所需的磁场。为改善磁场的效果，将环分成多段，利用电容连接分开的各段环，电容在其中起到补偿相位的作用。其具体的天线电路如图1所示，其在每小段导线附近放置一个合适参数的电容（Impinj的耦合环等效是一个电容）。利用电容抵消电场在导线上传播而产生的前后二段的相位滞后，从而使整个线圈中各导线处的电场相位大致相同，整个线圈可视为一个各处电流相位大致形同的电流元组合。由于电流在对称的二侧流向相反，从而各电流元在较远处产生的辐射互相抵消。故较远处辐射效果差。在产线圈中心区域及法向方向因对称侧的电流元产生磁场互相增强，相应磁场较单导线产生磁场要强。上述原理利用电容和导线在特定频点上的谐振实现环路上各处电场相位基本相同。但该方式带来的问题是难以在需要的频带范围内实现良好匹配。 

假定在图1中，每小段导线和连接的电容谐振的频率点为f₀,串联的电容值为C₀；导线的电感为L₀，导线的品质因数为Q₀，整个电路有N的电容与导线串联。相应的有： 

2*π*L₀*f₀=1/(2*π*f₀*C₀) （1） 

此时每小段导线的感抗与串联的电容的容抗互相抵消，天线电路的总电抗分量为零。电路阻抗为各段导线的电阻之和。此时天线电路的阻抗为： 

Z₀=N*2*π*f₀*L₀/Q₀ （2） 

当频率由f₀减小为f₁时，每小段导线的感抗为2*π*L₀*f₁，感抗变化了2*π*L₀*(f₁-f₀)；频率偏差越大，感抗变化越大。