CN101355195A - 超高频射频识双频带抗金属标签天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双频带抗金属超高频射频识别标签天线。它包括金属地面、金属辐射面、基板、矩形凹槽、第一馈线、第二馈线、过孔、射频识别芯片和U形隙缝，基板为长方形，金属辐射面位于基板上表面，金属地面位于基板下表面，金属辐射面靠近短边的一侧嵌有矩形凹槽，矩形凹槽中间设有第一馈线、第二馈线，第一馈线一端与第二馈线一端之间设有射频识别芯片，第一馈线另一端与金属辐射面相连接，第二馈线上设有过孔，过孔上端与第二馈线相连接，过孔下端与金属地面相连接，金属辐射面靠近长边的两侧上嵌有一对U形隙缝。本天线制作的射频识别抗金属标签可以同时覆盖中国超高频射频识别的两个频带或北美和欧洲超高频射频识别的两个频带。

Description

超高频射频识双频带抗金属标签天线

技术领域

本发明涉及一种双频带抗金属超高频射频识别标签天线。

背景技术

无线射频识别(Radio frequency identification，简称RFID)是一种利用射频实现的非接触式的自动识别技术。RFID***一般由阅读器和标签组成，阅读器通过无线射频读取标签上的信息。与传统条形码相比，其具有读取距离远、读取速度快，不惧污渍，能同时读写等优点，在物流供应链、生产自动化、交通管理与安防等众多领域具有广阔的应用空间。RFID***主要工作在低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)及微波(MW)等频段。低频与高频RFID***主要利用电感耦合完成识别功能，读取距离较近。超高频与微波频段RFID***通过电磁波传播来读取数据，具有较远的读取距离。其中，超高频由于其频率适中，特别适合用于远距离无源RFID***使用。鉴于超高频RFID应用的巨大潜力，各国相继发布了超高频RFID的频率范围和规范。国际标准ISO/IEC 18000-6推荐UHF频段RFID设备使用的频率范围是860MHz～960MHz。其中北美使用的频率为902MHz-928MHz，欧洲使用的频率为865MHz-868MHz。中国也于2007年4月由***发布了超高频RFID应用规定，对中国超高频RFID无线发射设备的工作频率、发射功率、占用带宽等射频指标作了详细的规定。中国米用840MHz～845MHz和920MHz～925MHz两个频段作为超高频RFID的工作频率，工作功率为2 W ERP(Effective Radiated Power)，约为3.3WEIRP(Effective Isotropic Radiated Power)。

在相当一部分RFID应用中，需要将RFID标签粘贴于金属表面，譬如：汽车、钢瓶、集装箱等等。但是，当超高频标签，尤其是具有类偶极天线的标签，被放置在金属表面时，标签的读取距离会迅速缩短，甚至不能被读取。这是由于金属表面这样的边界条件会改变标签天线的辐射效率、阻抗匹配和方向图。为此，一些能够应用于金属表面的标签天线被设计出来，称为抗金属标签或金属标签。微带贴片天线或平面倒F天线可以将金属表面作为其地板，从而用来设计RFID抗金属标签天线。由于RFID标签的天线阻抗与芯片阻抗需要共轭匹配，研究者们设计出了各种能够实现阻抗灵活调节的微带贴片天线。但是，微带贴片天线的带宽往往非常有限的，一般是针对某一单一超高频RFID频段设计。虽然也有一些宽带的抗金属标签，但也无法同时覆盖中国超高频RFID标准规定的两个频带或北美和欧洲超高频射频识别的两个频带。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种双频带抗金属超高频射频识别标签天线。

它包括金属地面、金属辐射面、基板、矩形凹槽、第一馈线、第二馈线、过孔、射频识别芯片和U形隙缝，基板为长方形，金属辐射面位于基板上表面，金属地面位于基板下表面，金属辐射面靠近短边的一侧嵌有矩形凹槽，矩形凹槽中间设有第一馈线、第二馈线，第一馈线一端与第二馈线一端之间设有射频识别芯片，第一馈线另一端与金属辐射面相连接，第二馈线上设有过孔，过孔上端与第二馈线相连接，过孔下端与金属地面相连接，金属辐射面靠近长边的两侧上嵌有一对U形隙缝。

所述的金属辐射面与矩形凹槽、第一馈线、第二馈线、射频识别芯片、U形隙缝同属于基板的上表面，矩形凹槽与U形隙缝由金属辐射面蚀刻而成。U形隙缝包括一个中间的肩和连接在两端的臂，U形隙缝的肩与金属辐射面的长边平行，U形隙缝的臂与金属辐射面的短边平行，臂与肩成直角，U形隙缝的开口朝向金属辐射面内部。矩形凹槽的长边与金属辐射面的长边平行，矩形凹槽的中轴线与金属辐射面的中轴线重合。第一馈线、第二馈线、过孔、射频识别芯片位于矩形凹槽的中轴线上。过孔贯穿基板，过孔内壁为导电金属壁，使得第二馈线与金属地面电连接。

本天线制作的射频识别抗金属标签可以同时覆盖中国超高频射频识别的两个频带或北美和欧洲超高频射频识别的两个频带。

附图说明

图1是双频带抗金属超高频射频识别标签天线结构示意图；

图2是覆盖中国超高频射频识别频率范围的双频带天线阻抗示意图；

图3是覆盖中国超高频射频识别频率范围的双频带天线反射系数示意图；

图4是覆盖北美和欧洲超高频射频识别频率范围的双频带天线阻抗示意图；

图5是覆盖北美和欧洲超高频射频识别频率范围的双频带天线反射系数示意图；

图中：金属地面1、金属辐射面2、基板3、矩形凹槽4、第一馈线5、第二馈线6、过孔7、射频识别芯片8、U形隙缝9。

具体实施方式

本发明通过调节天线的尺寸可以实现两个频带的频率及阻抗的灵活调节，从而实现抗金属超高频射频识别标签天线的双频带特性。

如图1所示，双频带抗金属超高频射频识别标签天线包括金属地面1、金属辐射面2、基板3、矩形凹槽4、第一馈线5、第二馈线6、过孔7、射频识别芯片8和U形隙缝9，基板3为长方形，金属辐射面2位于基板3上表面，金属地面1位于基板3下表面，金属辐射面2靠近短边的一侧嵌有矩形凹槽4，矩形凹槽4中间设有第一馈线5、第二馈线6，第一馈线5一端与第二馈线6一端之间设有射频识别芯片8，第一馈线5另一端与金属辐射面2相连接，第二馈线6上设有过孔7，过孔7上端与第二馈线6相连接，过孔7下端与金属地面1相连接，金属辐射面2靠近长边的两侧上嵌有一对U形隙缝9。

所述的金属辐射面2与矩形凹槽4、第一馈线5、第二馈线6、射频识别芯片8、U形隙缝9同属于基板3的上表面，矩形凹槽4与U形隙缝9由金属辐射面2蚀刻而成。U形隙缝9包括一个中间的肩和连接在两端的臂，U形隙缝9的肩与金属辐射面2的长边平行，U形隙缝9的臂与金属辐射面2的短边平行，臂与肩成直角，U形隙缝9的开口朝向金属辐射面2内部。矩形凹槽4的长边与金属辐射面2的长边平行，矩形凹槽4的中轴线与金属辐射面2的中轴线重合。第一馈线5、第二馈线6、过孔7、射频识别芯片8位于矩形凹槽4的中轴线上。过孔7贯穿基板3，过孔7内壁为导电金属壁，使得第二馈线6与金属地面1电连接。

对于超高频射频识别标签，其芯片一般是复阻抗。为了实现天线与芯片的最大能量传输，则需要天线的输入阻抗与芯片阻抗共轭匹配，即，实部相等、虚部相反。这就要求天线输入阻抗的实部和虚部都具有灵活的调节的能力。

该双频带抗金属超高频射频识别标签天线的频率及阻抗可通过天线的尺寸参数来进行调节。通过调节金属辐射面2的长度可以调节第一频带的频率。通过增加矩形凹槽4的深度可以降低第一频带天线阻抗的振荡幅度，而增加第二馈线6的芯片8和过孔7之间部分的长度可以增加天线阻抗虚部，从而实现天线的阻抗与芯片的阻抗在第一频带的共轭匹配。通过调节金属辐射面2上的U形隙缝9的臂长则可以调节第二频带的频率。通过调节U形隙缝9的宽度和U形隙缝9距离金属辐射面2边缘的距离可以调节第二频带天线阻抗的振荡幅度，从而实现天线的阻抗与芯片的阻抗在第二频带的共轭匹配。

实施例1

本方案为覆盖中国超高频射频识别频率范围的双频带抗金属标签天线。基板采用FR4材料，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为2mm，长边边长为L，短边边长为40mm。金属地面和金属辐射面都为金属铜。金属辐射面短边的矩形凹槽的宽度为10mm，凹槽的深度为L_inset。连接金属辐射面和芯片的第一馈线的宽度为3mm，长度为8mm。射频识别芯片选用的是TI公司的RI-UHF-STRAP-08，915MHz的阻抗约为13-j60Ω。第二馈线的宽度为3mm，长度为L_inset-10mm，第二馈线连接过孔和芯片的部分长度为L_s。过孔的直径为2mm，内壁为金属铜。U形隙缝的臂长为L_arm，U形隙缝的宽度为d_w，距离金属辐射面2的边的距离为d_e。

为了使标签工作在中国超高频射频识别的两个频段840MHz～845MHz和920MHz～925MHz，需要标签天线与芯片在这两个频带都具有良好的阻抗匹配，即，共轭匹配。通过合理调节天线尺寸参数L、L_inset、L_s、L_arm、d_e和d_w，可以使得天线在840MHz～845MHz和920MHz～925MHz两个频带处实现阻抗匹配，从而实现双频带特性。为了便于天线的阻抗匹配，采用有限元电磁场仿真方法来对该天线进行仿真和优化。

通过调节金属辐射面的长度L，即可以调节第一频带的频率至840MHz～845MHz频带附近。而第一频带处的阻抗匹配可以通过调节L_inset和L_s来实现。通过增加L_inset，可以有效降低第一频带处阻抗的振荡幅度。而增加L_s，可以增加天线阻抗虚部值。因此，为了实现芯片阻抗的共轭值，可以先通过增加L_inset来降低天线阻抗，主要是降低天线阻抗的实部，再通过增加L_s以抬高天线阻抗的虚部。当第一频带进行阻抗调节的时候，第二频带的阻抗实部基本不受影响。

对于第二频带，通过调节U形隙缝的臂长L_arm来改变第二频带的谐振频率。随着L_arm的增加，第二频带的频率向第一频带的频率靠近。而调节U形隙缝的宽度d_w和离辐射面边缘的距离d_e，则可以改变第二频带处的阻抗振荡幅度。当同时减小d_w和d_e时，第二频带处阻抗的振荡幅度也相应减小。通过调节L_arm、d_w和d_e，则可以有效实现第二频带在920MHz～925MHz频带的阻抗匹配。当第二频带进行阻抗调节的时候，第一频带的阻抗基本不受影响。

由上可见，通过改变L、L_inset、L_s、L_arm、d_e、d_w可以实现两个频带频率及阻抗的灵活调节。通过有限元方法的仿真和优化，最终采用L＝88.4mm，L_inset＝40mm，L_s＝18mm，L_arm＝8.8mm，d_e＝1mm，d_w＝0.6mm。在该尺寸下天线仿真的阻抗和反射系数分别如图2、图3所示，天线匹配在840MHz～845MHz和920MHz～925MHz两个频带，符合中国超高频射频识别规范的频率要求。

实施例2

本方案为覆盖北美和欧洲超高频射频识别频率范围的双频带抗金属标签天线。北美使用的频率为902MHz-928MHz，欧洲使用的频率为865MHz-868MHz。为了使得设计的抗金属标签天线能同时覆盖北美和欧洲超高频射频识别频率范围，只要调节第一频带与第二频带的频率，使两个频带分别工作在北美和欧洲超高频射频识别的频率范围。第一频带的频率主要是由金属辐射面的长度L调节，而第二频带的频率由U形隙缝的臂长L_arm调节。天线阻抗匹配方法与实施例1相同。

取L＝86mm，L_inset＝38mm，L_s＝17mm，L_arm＝9.5mm，d_e＝1mm，d_w＝0.6mm，其他参数与实施例1相同，天线在该尺寸下仿真的阻抗和反射系数分别如图4、图5所示。天线匹配在865MHz～868MHz和902MHz～928MHz两个频带，符合欧洲和北美超高频射频识别规范的频率要求。

上述方案只是本发明的两种具体实施方式，在符合本发明的特征下可以有多种不同应用方案，但这些应用方案只要符合本发明的特征，都应属于本发明的权利保护范围。

Claims (6)

1.一种双频带抗金属超高频射频识别标签天线，其特征在于包括金属地面(1)、金属辐射面(2)、基板(3)、矩形凹槽(4)、第一馈线(5)、第二馈线(6)、过孔(7)、射频识别芯片(8)和U形隙缝(9)，基板(3)为长方形，金属辐射面(2)位于基板(3)上表面，金属地面(1)位于基板(3)下表面，金属辐射面(2)靠近短边的一侧嵌有矩形凹槽(4)，矩形凹槽(4)中间设有第一馈线(5)、第二馈线(6)，第一馈线(5)一端与第二馈线(6)一端之间设有射频识别芯片(8)，第一馈线(5)另一端与金属辐射面(2)相连接，第二馈线(6)上设有过孔(7)，过孔(7)上端与第二馈线(6)相连接，过孔(7)下端与金属地面(1)相连接，金属辐射面(2)靠近长边的两侧上嵌有一对U形隙缝(9)。

2.根据权利要求1所述的一种双频带抗金属超高频射频识别标签天线，其特征在于所述的金属辐射面(2)与矩形凹槽(4)、第一馈线(5)、第二馈线(6)、射频识别芯片(8)、U形隙缝(9)同属于基板(3)的上表面，矩形凹槽(4)与U形隙缝(9)由金属辐射面(2)蚀刻而成。

3.根据权利要求1所述的一种双频带抗金属超高频射频识别标签天线，其特征在于所述的U形隙缝(9)包括一个中间的肩和连接在两端的臂，U形隙缝(9)的肩与金属辐射面(2)的长边平行，U形隙缝(9)的臂与金属辐射面(2)的短边平行，臂与肩成直角，U形隙缝(9)的开口朝向金属辐射面(2)内部。

4.根据权利要求1所述的一种双频带抗金属超高频射频识别标签天线，其特征在于所述的矩形凹槽(4)的长边与金属辐射面(2)的长边平行，矩形凹槽(4)的中轴线与金属辐射面(2)的中轴线重合。

5.根据权利要求1所述的一种双频带抗金属超高频射频识别标签天线，其特征在于所述的第一馈线(5)、第二馈线(6)、过孔(7)、射频识别芯片(8)位于矩形凹槽(4)的中轴线上。

6.根据权利要求1所述的一种双频带抗金属超高频射频识别标签天线，其特征在于所述的过孔(7)贯穿基板(3)，过孔(7)内壁为导电金属壁，使得第二馈线(6)与金属地面(1)电连接。

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