CN102110871A - 适用于金属表面的射频识别标签天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于金属表面的射频识别标签天线，包括相互贴合的上层介质板和下层介质板，以及设置在上层介质板的上表面的金属层、标签芯片端口和设置在下层介质板的下表面的金属接地板；所述标签芯片端口设置于所述上层介质板的中轴线上，其两侧与所述微带馈电回路相连，通过所述微带馈电回路与所述微带辐射单元相连；所述微带辐射单元的两侧边缘处分别通过短路臂与所述金属接地板相连构成PIFA结构。本发明天线在保持较小天线尺寸的惜况下，在谐振频率(915MHz)处与标签芯片共轭匹配，使标签芯片获得最大功率，在UHF频段，回波损耗比较低，且具有较好的阻抗带宽和辐射特性。
Description
技术领域
本发明属于射频识别技术领域，具体涉及一种适用于金属表面的超高频(UHF)射频识别(RFID)标签天线。
背景技术
近年来，RFID技术在很多领域中得到了广泛的应用，它是一种基于射频原理实现的非接触式自动识别技术。RFID***的工作频率有低频100-500KHz，高频13.56MHz，超高频段860-960MHz，以及微波频段2.45GHz和5.8GHz。天线作为射频识别的空中接口在RFID***中扮演了十分重要的角色。由于标签是被粘贴在被识别物体上的，所以要求标签的面积要足够的小，这就要求标签天线具有小尺寸。在无源RFID***中，要求天线与芯片共轭匹配，从而为芯片提供最大效率，同时提高天线的效率。此外，标签芯片的阻抗通常不是50欧姆，表现为电阻很小，而电抗很大。设计RFID标签天线时，还应使天线结构尽可能简单和易集成。然而，这样的设计往往会带来一些不利的影响，比如说频段窄，效率低。如何使得天线在所需频段保持一定性能的前提下实现天线的小型化，已成为国际研究的热点之一。
目前大部分标签天线，当将其置于金属物体表面时，由于高电导率物体表面切向的电场接近为零，标签两端将不会产生所需要的电势差，这样天线就无法正常工作。对于常用的微带天线，可采用PIFA(平面倒F天线)结构来减小天线的尺寸，同时减小金属物体对天线性能的影响。但是大部分PIFA的接地板尺寸要比介质层大，而且介质层通常为空气层，这样降低了天线的牢固性，此外这类天线的阻抗一般都是50欧姆，不适用于RFID标签天线。为了能够满足不同的匹配要求，天线需要能对输入阻抗在一定范围内进行调整，这样就需要设计一个用于阻抗匹配的结构。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种体积小的适用于金属表面的射频识别标签天线，该天线与标签芯片在中心频率能够达到共轭匹配，在UHF频段有较低的回波损耗。
技术方案：本发明所述的适用于金属表面的射频识别标签天线，包括相互贴合的上层介质板和下层介质板，以及设置在上层介质板的上表面的金属层、标签芯片端口和设置在下层介质板的下表面的金属接地板，所述金属层由微带辐射单元和微带馈电回路两部分组成，所述微带辐射单元由两个矩形微带辐射贴片以上层介质板的中轴线为对称轴对称设置而成；所述标签芯片端口设置于所述上层介质板的中轴线上，其两侧与所述微带馈电回路相连，通过所述微带馈电回路与所述微带辐射单元相连；所述微带辐射单元的两侧边缘处分别通过短路臂与所述金属接地板相连构成PIFA结构。
本发明天线的谐振频率为915MHz，且在UHF频段具有较低的回波损耗和良好的辐射特性。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
1.本发明标签天线中，对称的微带辐射贴片的边缘通过短路臂与金属接地板相连构成PIFA结构，该结构一方面减小了天线的尺寸，另一方面也使得该天线在放置于金属物体表面时减小金属对天线性能的影响，从而适合作为金属表面的标签天线；微带辐射单元的两侧边缘连接短路臂能够使得在辐射单元的中间能同时形成电场的最大值和最小值；
2.本发明通过调节微带辐射单元的长度和宽度以及微带馈电回路的结构和尺寸使得天线在中心频率与芯片共轭匹配，且在UHF频段天线性能良好，保证天线传输到芯片的功率达到最大；
3.本发明采用两层介质板结构，可以降低回波损耗和增加带宽；
4.本发明金属接地板与下层介质板的尺寸相同，有利于提高天线的牢固性；
5.本发明天线能有效覆盖UHF的要求频段，即840：960MHz，且具有结构简单、体积小和成本低的特点。
综上所述，本发明天线在保持较小天线尺寸的情况下，在谐振频率(915MHz)处与标签芯片共轭匹配，使标签芯片获得最大功率，在UHF频段，回波损耗比较低，且具有较好的阻抗带宽和辐射特性，当其用于金属标签时，天线性能在UHF工作频段几乎没有什么影响，还易于与其它电路进行集成。
附图说明
图1(a)是本发明天线的俯视图。
图1(b)是本发明天线的左视图。
图2(a)是本发明天线电阻特性仿真图。
图2(b)是本发明天线电抗特性仿真图。
图3是本发明天线的回波损耗仿真图。
图4是本发明天线的增益仿真图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1、2所示为天线的结构示意图，(a)是俯视图，(b)是侧视图。本发明天线包括两层相互贴合的介质板，上层介质板1和下层介质板2，以及设置在上层介质板1的上表面的金属层、标签芯片端口5和设置在下层介质板2的下表面的金属接地板7，其中，上层介质板1上表面的金属层由微带辐射单元3和微带馈电回路4两部分组成，微带辐射单元3由两个矩形微带辐射贴片以上层介质板1的中轴线为对称轴对称设置而成；标签芯片端口5设置于上层介质板1的中轴线上，其左右两侧与微带馈电回路4相连，通过微带馈电回路4与微带辐射单元3相连；微带辐射单元3的两侧边缘处分别接有一个短路臂6，短路臂6与下层介质板2下表面的金属接地板7相连构成PIFA结构。
作为比较优选的方案，本发明中，上层介质板1采用RF4板材，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02，板材的厚度为1.6mm。下层介质板2采用泡沫材料，介电常数为1.03，损耗角正切值为0.0001，板材厚度为3mm。金属层和金属接地板的金属材料为铜，厚0.018mm。标签天线端口5为天线负载端口，即连接标签芯片，该天线采用的标签芯片为ALN-9338-R，微带辐射单元3、微带馈电回路4、短路臂6的尺寸通过合理设计，可使得标签芯片端口的特性阻抗与标签芯片的特性阻抗共轭匹配。采用两层介质的结构是为了降低回波损耗和增加带宽。接地板与介质板具有相同的尺寸，这样有利于提高天线的牢固性。
图2为本发明天线的阻抗特性仿真图，(a)是天线电阻特性仿真图，(b)是天线电抗特性仿真图。从图中可以看到，该天线在915MHz的阻抗值为ZA＝6.09+j126.65Ω，芯片在这一频率的阻抗值为ZC＝6.2-j127Ω，且天线输入阻抗的实部和虚部的变化较为缓慢，由此可见，标签天线与芯片在915MHz附近能实现较好的共轭匹配。
图3为本发明天线的回波损耗仿真图。从图中可以看到，该天线谐振在915MHz，此处实现了很好的阻抗匹配。S11＜-10dB的频率范围为800MHz：1GHz，即阻抗带宽为200MHz(21.9％)，能补偿标签置于物体时产生的频率偏移。
图4为本发明天线增益仿真图。从图中可以看到，该天线的最大增益为-0.78dB，H面实现全向辐射，从而保证天线在任何角度都能被读写器捕获。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (5)
1.一种适用于金属表面的射频识别标签天线，包括相互贴合的上层介质板(1)和下层介质板(2)，以及设置在上层介质板(1)的上表面的金属层、标签芯片端口(5)和设置在下层介质板(2)的下表面的金属接地板(7)，其特征在于：所述金属层由微带辐射单元(3)和微带馈电回路(4)两部分组成，所述微带辐射单元(3)由两个矩形微带辐射贴片以上层介质板(1)的中轴线为对称轴对称设置而成；所述标签芯片端口(5)设置于所述上层介质板(1)的中轴线上，其两侧与所述微带馈电回路(4)相连，通过所述微带馈电回路(4)与所述微带辐射单元(3)相连；所述微带辐射单元(3)的两侧边缘处分别通过短路臂(6)与所述金属接地板(7)相连构成PIFA结构。
2.根据权利要求1所述的适用于金属表面的射频识别标签天线，其特征在于：所述金属接地板(7)的尺寸与所述下层介质板(2)的尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的适用于金属表面的射频识别标签天线，其特征在于：所述上层介质板(1)为FR4板材，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02，板材的厚度为1.6mm。
4.根据权利要求1所述的适用于金属表面的射频识别标签天线，其特征在于：所述下层介质板(2)为泡沫材料，介电常数为1.03，损耗角正切值为0.0001，板材厚度为3mm。
5.根据权利要求1所述的适用于金属表面的射频识别标签天线，其特征在于：所述金属层和金属接地板(7)的金属材料为铜，厚0.018mm。
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