CN101465468A

CN101465468A - 带有ebg结构的射频识别电子标签天线

Info

Publication number: CN101465468A
Application number: CNA2009100366549A
Authority: CN
Inventors: 胡斌杰; 王辰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2009-06-24

Abstract

本发明公开了带有EBG结构的射频识别电子标签天线，包括三T型辐射贴片天线和EBG结构，三T型辐射贴片天线位于EBG结构上端；三T型辐射贴片天线的左辐射贴片和右辐射贴片位于上介质层的上表面，通过一个T型缝隙分隔，T型缝隙为位于上介质层的上表面的一个倒T型缺口，缺口的左右两侧分别设有左T型缝隙和右T型缝隙；下层的EBG结构包括上层介质和下层介质，在上层介质的上表面均匀地间隔设有3×4个正方形铜片，在上层介质和下层介质两层中间夹层均匀地间隔设有4×5个方形铜片；本发明天线带宽大，不仅可以工作于非金属表面，而且能够方便应用于金属表面上，具有带宽特性、对环境敏感度低、阅读距离远的特点。

Description

带有EBG结构的射频识别电子标签天线

技术领域

本发明涉及一种射频识别电子标签天线，具体是涉及一种可应用在超高频段(UHF)范围内，可以同时工作于北美(866-869MHz)以及欧洲频段(902-928MHz)，并可方便应用于多种环境下的射频识别电子标签天线。

背景技术

射频识别(RFID)技术，是一种通过无线射频方式进行非接触式的双向数据通信，对目标加以识别并获取相关信息的自动识别技术。射频识别技术(RFID)在近几年内被迅速推广，广泛应用于物流、仓库等的物品识别的场合，帮助该类行业信息化、高速化收集、管理物品的信息，以实现对物品的高效率的管理和调度。射频识别***主要由阅读器、中间件以及电子标签三部分所组成。电子标签由片上天线及集成芯片组成，通过电磁波与阅读器进行数据交换，具有智能读写和加密通信功能。天线以电磁波形式把前端射频信号功率进行收发，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化。在RFID***中，电子标签天线承担接收能量的作用，对整个RFID***起关键作用。周期波导结构，指边界条件沿传播方向周期性的出现完全相同的不均匀性，已经被广泛用于许多微波元部件中，如滤波器、天线、放大器等。人们将光学领域的带隙结构引入到微波电路，即电磁带隙(EBG，electromagnetic band-gap)结构。由于EBG周期结构的最主要的特征是某一频率范围内的波不能在此周期性结构中传播，也就是此种结构本身存在“禁带”。因此，将EBG用于微带天线时具有抑制表面波和抑制谐波、改善天线的增益与带宽，同时可以减弱周围环境对天线影响等作用。

目前微波段RFID标签天线在设计和应用中存在三大难点。第一，全球各地区对UHF RFID频率段的规定不同，例如840MHz～845MHz(中国)、920MHz～925MHz(中国)、866MHz～869MHz(欧洲)、902MHz～928MHz(美国)等。随着全球物流的发展，贴着RFID标签的物品要在全球范围内被轻易识别，就必须要求RFID标签天线自身具备能覆盖上述各频率段的宽工作频率带宽的特性。但是，RFID标签芯片的输入阻抗通常有着很大的容性电抗和较小的电阻，构成了谐振频率点处的高Q值效应。所以，要把RFID标签天线设计成能克服此高Q值效应而具有宽工作频率带宽的特性是一个不好解决的难题。第二，RFID标签在实际应用中会被粘贴于不同电介质属性的各种物品的表面。物品的不同的电介质属性会对RFID标签天线的性能产生不同程度的恶化。尤其是金属物品所带来的性能恶化尤为严重，会导致RFID标签没法被识别，降低了RFID***对物品的识别成功率。而传统的柔性板天线在金属表面无法工作，这就需要设计能工作与金属表面的天线RFID标签天线，而创造性的将RFID天线与EBG结构结合则可以解决对环境的敏感问题。第三，由于环境的复杂性，导致了电子标签阅读距离的减小。为了增加电子标签的有效阅读距离，有必要提高标签天线的增益以便满足上述需求。目前所用的微带天线，虽然能在金属表面工作，但天线的增益低，其阅读距离较短。因此有必要设计增益较高的天线满足实际需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种使整个天线的增益和阅读距离都可以达到指标要求，可以应用在超高频频段射频识别***阅读器中，且可以工作于多种环境下的带有EBG结构的射频识别电子标签天线。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

带有EBG结构的射频识别电子标签天线，包括三T型辐射贴片天线和EBG结构，三T型辐射贴片天线位于EBG结构上端；所述三T型辐射贴片天线的左辐射贴片和右辐射贴片位于上介质层的上表面，通过一个T型缝隙分隔，且关于T型缝隙对称；左辐射贴片和右辐射贴片分别通过左短路片和右短路片连接到第一铜皮地板；左短路片和右短路片分别位于第一铜皮地板左右两侧；T型缝隙为位于上介质层的上表面的一个倒T型缺口，缺口的左右两侧分别设有左T型缝隙和右T型缝隙，T型缝隙下部中央设有铜皮匹配网络，左辐射贴片和右辐射贴片分别通过左微带线和右微带线连接至铜皮匹配网络，铜皮匹配网络上设有天线输入端口。

所述下层的EBG结构包括上层介质和下层介质，在上层介质的上表面均匀地间隔设有3×4个正方形铜片，在上层介质和下层介质两层中间夹层均匀地间隔设有4×5个方形铜片，上层介质上表面处的一正方形铜片的中心位于夹层每四个正方形铜片的中心处；下层介质的下表面贴有第二铜皮地板，上层介质的正方形铜片与下层介质的方形铜片都通过过孔与第二铜皮地板连接。

为进一步实现本发明目的，所述左辐射贴片和右辐射贴片优选为铜片。

所述三T型辐射贴片天线优选位于EBG结构上端1-2mm。

所述正方形铜片和方形铜片的边长都优选为25mm-30mm。

所述T型缝隙的纵向缺口部分宽度为5mm-10mm。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和积极效果：

(1)将标签天线置于EBG结构上，利用EBG结构的反射特性，可以降低金属表面对天线性能的影响，从而使置于EBG结构之上的天线不但可以很好的工作于自由空间，也可以正常工作于金属表面。

(2)EBG结构具有高阻抗表面的特性，从而可以减小表面波损耗，提高了天线的增益。

(3)本发明能够用于超高频(UHF)频段的射频识别***，可同时涵盖欧洲的866～869MHz的射频识别***和北美的902～928MHz的射频识别***，在自由空间和金属表面阅读距离都达到6米以上。

(4)标签天线最上层的贴片上形成的三个T型缝隙。两铜皮短路分别位于第一铜皮地板左右两侧上方且相互对称。铜皮匹配网络，缝隙大小满足电子标签天线的阻抗与相连的标签芯片阻抗相匹配。EBG结构包括周期性的两层正方形金属贴片和地板以及它们之间的介质。这种结构使天线对金属环境的敏感度降低，因此可以同时工作于自由空间与金属两种环境中。

附图说明

图1为本发明带有EBG结构的射频识别电子标签天线的结构示意图。

图2为图1中贴片天线的俯视图。

图3为图1中下层EBG结构的一个单元晶格结构示意图。

图4为图1中下层EBG结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、2所示，带有EBG结构的射频识别电子标签天线包括三T型辐射贴片天线和EBG结构，三T型辐射贴片天线位于EBG结构上端，二者之间为了加工方便设有1到2毫米的间隔。其中，三T型辐射贴片天线包括上介质层1、下介质层2、第一铜皮地板3、带有3个T型缝隙和匹配网的左辐射贴片4、右辐射贴片5、左短路片6和右短路片7。左辐射贴片4和右辐射贴片5为铜片，位于上介质层1的上表面，通过一个大的T型缝隙18分隔，且关于T型缝隙18对称；左辐射贴片4和右辐射贴片5分别通过左短路片6和右短路片7连接到第一铜皮地板3；左短路片6和右短路片7分别位于第一铜皮地板3左右两侧。T型缝隙18为位于上介质层1的上表面的一个倒T型缺口，缺口的左右两侧分别设有一个小的左T型缝隙16和右T型缝隙17，T型缝隙18下部中央设有铜皮匹配网络8，左辐射贴片4和右辐射贴片5分别通过左微带线19和右微带线20连接至铜皮匹配网络8，铜皮匹配网络8上设有天线输入端口9，射频识别天线的芯片贴于天线输入端口9。左辐射贴片4和右辐射贴片5之间的T型缝隙18的纵向缺口部分宽度为5mm-10mm(即T型缝隙18的“T”型竖线部分宽度)，该宽度起到调节中心频率和调节实部匹配的作用，该宽度在5-10mm范围内变化时，中心频率也随之在915MHz左右变化。缺口越宽，中心频率越高，实部越小；反之，缺口越窄，中心频率点将往左偏移，实部越大。通过调节天线和芯片的匹配，可以增大天线的带宽，从而使之完整覆盖欧洲的866～869MHz的射频识别***和北美的902～928MHz的射频识别***。左T型缝隙16和右T型缝隙17起到增大电流电长度的作用，表现在天线的整体性能上，即扩大的带宽并降低的回波损耗。还可以通过调节匹配网络8的尺寸，来调节整个天线的输入阻抗，使之与放置在端口9处的芯片的阻抗达到匹配。

如图3、4所示，下层的EBG结构包括上层介质10和下层介质11，在上层介质10的上表面均匀地间隔设有3×4个正方形铜片12，在上层介质10和下层介质11两层中间夹层均匀地间隔设有4×5个方形铜片13，上层介质10上表面处的一正方形铜片12的中心位于夹层每四个正方形铜片的中心处。下层介质11的下表面贴有第二铜皮地板14，上层介质10的正方形铜片12与下层介质11的方形铜片13都通过过孔与第二铜皮地板14连接。通过调整正方形铜片12和方形铜片13的尺寸，以及上层介质10和下层介质11两层介质板的介电常数来调节EBG结构的中心频率。正方形铜片12和方形铜片13的边长为25mm-30mm。EBG的这种结构使其具有高表面阻抗的特性，EBG结构使得某一特定频率范围内的波不能在此结构中传播，从而抑制表面波，提高天线的性能，并减小了金属对天线的影响，使天线工作于多种环境中。同时，由于三个T型缝隙的存在，起到增大电流电长度的作用，表现在天线的整体性能上，即扩大的带宽并降低的回波损耗同时增大了阅读距离，使天线在自由空间和金属表面阅读距离都达到6米以上。

接收RFID读写器天线发射过来的电磁波信号时，两块镜像对称的左辐射贴片4和右辐射贴片5的表面被激励起对称平衡的电流分布，该电流经过铜皮匹配网络8的分流和调整作用，使天线输入端口9处的天线输入阻抗与所连接的RFID标签芯片的输入阻抗共轭匹配，最终令此标签天线所接收的信息能量以电流的形式最大程度地馈给RFID标签芯片的输入端，以激活RFID标签芯片并使之工作。在向RFID读写器天线发送电磁波信号时，以反向散射的通信方式应答RFID读写器，标签天线调制反射RFID读写器天线发送来的无调制载波信号，当中RFID标签芯片按照要发送的应答信息来控制天线输入端口9的短路和阻抗共轭匹配状态，天线输入端口9的短路状态令左辐射贴片4和右辐射贴片5对RFID读写器天线发送来的无调制载波信号呈现高反射状态，天线输入端口9的阻抗共轭匹配状态令左辐射贴片4和右辐射贴片5对RFID读写器天线发送来的无调制载波信号呈现低反射状态，通过这两种状态，标签天线对反射回去的载波信号实现不同调制深度的幅移键控调制，RFID读写器天线接收此反射回来的已调制信号。对于一般天线放置于金属上，由于电磁波入射到金属环境会产生180°相移的反射波，这种反射波会影响天线的辐射模式以及谐振频率，从而使天线不能正常工作于我们所需要的模式下。而在三T型天线下方附有EBG结构之后，因为EBG结构在一定的频段范围内，具有-180°—180°的反射相位，即可以通过调节EBG结构的尺寸，使之在我们所需要的频段范围内，实现0°的相移，即消除下方金属环境对天线的影响。同时，由于EBG结构的高阻抗特性，减小了表面波传输所带来的损耗，从而最终达到高增益，远阅读距离的特点。

本发明能够用于超高频(UHF)频段的射频识别***，可同时涵盖欧洲的866～869MHz的射频识别***和北美的902～928MHz的射频识别***，阅读距离都可以达到6米以上。本发明能够可靠方便应用于金属表面，具有损耗低，阅读距离远等优点。

Claims

1、带有EBG结构的射频识别电子标签天线，其特征在于包括三T型辐射贴片天线和EBG结构，三T型辐射贴片天线位于EBG结构上端；所述三T型辐射贴片天线的左辐射贴片和右辐射贴片位于上介质层的上表面，通过一个T型缝隙分隔，且关于T型缝隙对称；左辐射贴片和右辐射贴片分别通过左短路片和右短路片连接到第一铜皮地板；左短路片和右短路片分别位于第一铜皮地板左右两侧；T型缝隙为位于上介质层的上表面的一个倒T型缺口，缺口的左右两侧分别设有左T型缝隙和右T型缝隙，T型缝隙下部中央设有铜皮匹配网络，左辐射贴片和右辐射贴片分别通过左微带线和右微带线连接至铜皮匹配网络，铜皮匹配网络上设有天线输入端口。

2、根据权利要求1所述的带有EBG结构的射频识别电子标签天线，其特征在于：所述左辐射贴片和右辐射贴片为铜片。

3、根据权利要求1所述的带有EBG结构的射频识别电子标签天线，其特征在于：所述三T型辐射贴片天线位于EBG结构上端1mm-2mm。

4、根据权利要求1所述的带有EBG结构的射频识别电子标签天线，其特征在于：所述正方形铜片和方形铜片的边长都为25mm-30mm。

5、根据权利要求1所述的带有EBG结构的射频识别电子标签天线，其特征在于：所述T型缝隙的纵向缺口部分宽度为5mm-10mm。