CN102437421A - 一款应用于uhf频段rfid***的抗金属标签天线 - Google Patents
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Abstract
本发明一款应用于UHF频段RFID***的抗金属标签天线，涉及射频识别电子标签技术领域。天线主要由金属底板、介质板以及位于介质板上表面的天线结构三部分组成。天线结构在介质板上表面，金属底板在介质板下表面，天线结构通过金属过孔和金属底板连通。该天线结构主要由不对称的金属辐射面和连接辐射面并平行于馈线的开路线组成。芯片两边的馈线分别连接金属辐射面以及金属过孔。天线的辐射面不对称，使得电流路径不同，从而使得天线的双频逼近同一谐振点，从而扩大天线带宽。本发明抗金属标签天线同时获得了高增益和较大的带宽，在美国频段902MHz～928MHz内，其理论读取距离在16米以上。该抗金属天线可应用在识读距离大的场合中，如车牌识别。
Description
技术领域
本发明涉及一种射频识别电子标签，其特征是工作于超高频段、应用在车牌上。
背景技术
射频识别(Radio Frequency Identification，简称RFID)是一种通过无线射频方式进行非接触式的双向数据通信，从而对目标加以识别的技术。射频识别***一般由阅读器(Reader)和电子标签(Tag)组成。电子标签由片上天线和芯片组成，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。天线是RFID***中至关重要的装置，RFID***通过射频天线来实现发射、接收电磁波，从而实现阅读器对电子标签的识别。
射频识别***主要工作在低频、高频、超高频和微波频段。低频和高频射频***通过电感耦合的方式完成识别，读取距离近。而超高频和微波射频***通过电磁波传递的方式完成识别，读取距离较远。目前，国际标准推荐超高频(Ultra High Frequency，简称UHF)频段RFID设备的使用频率是860MHz～960MHz。其中，北美使用的频段是902MHz～928MHz，欧洲使用的频段是865MHz～868MHz。中国***于2007年四月发布了UHF频段RFID***应用规定，中国采用840MHz～845MHz和920MHz～925MHz作为UHF频段RFID***使用频段，无线发射设备的功率规定为2W ERP。电子标签分为有源标签和无源标签，有源标签自身携带电池为其与阅读器通信提供能量，而无源标签则通过标签天线接收从阅读器发送的电磁波获得能量激活芯片。
超高频段的射频对金属非常敏感，当超高频标签放置在金属表面时，标签的读取距离会迅速减小，甚至不能读取。这是因为金属这样的边界条件改变了标签天线的辐射效率、阻抗匹配和方向图。而相当一部分的超高频射频应用中，需要将标签贴于金属表面，如车辆、集装箱和金属盒等等。因为平面天线结构标签制作成本低，更适合大规模生产，所以研究平面结构的抗金属标签天线很有实际价值。而目前现有的可应用在金属背景的平面结构标签天线的识读距离一般在10m以内，已有的天线要么带宽好增益很低，要么增益高带宽很窄。如何克服这个问题是本发明的研究重点。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明针对车牌的具体应用提出一种宽带、高增益的超高频抗金属标签天线。该抗金属天线具有宽带、高增益特性，其可置于高3mm、平面大小为90mm*65mm的金属腔体中。该天线可形成谐振双频，-3dB带宽为900MHz～944MHz，在915MHz处的增益达4.77dBi。采用合适的读写器，本发明抗金属天线在美国902MHz～928MHz频段内的理论识读距离大于16米。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是设计一款应用于UHF频段RFID***的抗金属标签天线，其包括金属底板、介质板、金属过孔和天线结构。天线结构在介质板上表面，金属底板在介质板的下表面，天线结构通过金属过孔和金属底板连通。其中，天线结构包含不对称的金属辐射面、第一馈线、第二馈线、连接辐射面且平行于馈线的两段开路线。第一馈线右侧和第二馈线左侧连接标签芯片，第一馈线左侧通过打孔方式实现短路，第二馈线右侧连接不对称的辐射面。天线的辐射面不对称，使得电流路径不同，从而使得天线的双频逼近同一谐振点，扩大了天线带宽。通过加入馈线附近的两段开路线，增加了电流路径，有益于天线辐射模式的扩展。
与现有技术相比，本发明有如下的优点和有益效果：
(1)本发明一款应用于UHF频段RFID***的抗金属标签天线以辐射面不对称的方式，使得电流路径不同，通过调节使得天线的双频逼近同一谐振点附近，扩大了天线带宽。
(2)本发明一款应用于UHF频段RFID***的抗金属标签天线通过金属过孔，连接平面天线结构和金属接地板，增大了天线增益。
(3)本发明一款应用于UHF频段RFID***的抗金属标签天线应用在金属腔体中，具有体积小、结构简单等特点。
(4)本发明一款应用于UHF频段RFID***的抗金属标签天线在900MHz-940MHz范围内的理论读取距离大于16m，可应用于高速行驶的车辆识别***中。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
图1是一款应用于UHF频段RFID***抗金属标签天线结构示意图；
图2是一款应用于UHF频段RFID***抗金属标签天线俯视图；
图3是一款应用于UHF频段RFID***抗金属标签天线侧视图；
图4是一款应用于UHF频段RFID***抗金属标签天线的阻抗曲线图，图中实线表示电阻，虚线表示电抗；
图5是一款应用于UHF频段RFID***抗金属标签天线的反射系数曲线图；
图6是一款应用于UHF频段RFID***抗金属标签天线的增益随频率变化曲线图；
图7是一款应用于UHF频段RFID***抗金属标签天线的理论读取距离随频率变化曲线图；
图中，1为辐射面，2、3为凹槽内开路线，4为第二馈线，5为第一馈线，6为金属过孔，7为标签芯片，8为金属底板，9为天线层，10为介质板。
具体实施方式
本方案为覆盖美国超高频射频识别频率、应用于识读距离大于16m的车牌识别场合的抗金属标签天线。本发明的标签天线通过采用短路短截线实现超高频抗金属标签天线的设计，标签芯片采用NXP G2型号超高频射频标签，芯片在915MHz时的阻抗为(16-j*148)Ohm。下面针对本发明抗金属标签天线并结合附图进行详细说明。
本发明一款应用于UHF频段RFID***抗金属标签天线，天线结构包含：1、辐射面2、开路线3、开路线4、第二馈线5、第一馈线6、金属过孔7、标签芯片。辐射面1和馈线4和5之间形成凹槽，调节凹槽的嵌入深度和宽度可以改变天线的谐振频率和匹配程度。第一馈线的右侧有金属过孔6，穿过介质板10与金属底板8连通。天线的辐射面关于馈线4和5不对称，使得电流路径不同，通过尺寸调节，可将天线的双频移至同一谐振点附近，从而扩大天线带宽。而凹槽中与馈线平面的两段开路线，增加了电流路径，益于天线辐射模式的扩展。
本发明一款应用于UHF频段RFID***抗金属标签天线，介质基板采用聚四氟乙烯材料，相对介电常数为3.38，损耗角正切为0.002，介质板厚度为3.04mm。1、辐射面2、开路线3、开路线4、第二馈线5、第一馈线7、标签芯片同属于介质基板10的上表面，而金属底板8属于介质基板10的下表面。上、下表面通过金属过孔6连通。
对于超高频射频识别标签，其芯片阻抗一般是复数。为了实现天线与芯片之间的最大能量传输，需要天线的输入阻抗和芯片阻抗共轭匹配，即实部相等、虚部相反。这也就要求标签天线的输入阻抗的实部和虚部都有一定的调节能力。对于该抗金属标签天线，其属于微带贴片结构，串联了一段短路短截线。由射频电路知识可知，通过调节第二馈线5的长度，可以改变短路点的位置，从而调节电抗分量。而凹槽的嵌入深度和宽度对该天线的阻抗都有较大影响，所以可以通过调节以上结构实现天线与芯片的匹配。
本发明一款应用于UHF频段RFID***抗金属标签天线的辐射面1的总长度为86mm，宽度为57mm。辐射面中的凹槽嵌入深度为30mm，宽度为14mm。第一馈线的长度为4.6mm，宽度为3mm。第二馈线的长度为22.4mm，宽度为3mm。开路线3和4的长度为19mm，宽度为1mm。该抗金属标签天线的辐射面采用了不对称的结构，这样利于带宽扩展。通过HFSS电磁仿真，天线的阻抗曲线、反射系数曲线分别如图4和5。从图中可以看出，天线在915MHz附近形成了谐振双频，从阻抗特性来看，主要是因为电抗曲线在该频率附近上下波动。该抗金属天线的-3dB带宽为900MHz～944MHz，符合美国RFID频段的要求。天线的增益随频率的变化曲线如图6，可以看出，在美国频段902MHz～928MHz，增益在4.5dBi以上。
本发明一款应用于UHF频段RFID***抗金属标签天线放置在车牌中，四周的高度为3mm，可认为工作在3mm嵌入深度的金属腔体中。采用GSIT公司生产的读写器天线，其天线增益为12dBi水平极化，接入天线功率0.5W。考虑到该抗金属天线极化方式也为线极化，所以只要放置的位置合理，便可以减小由极化带来的能量损耗。图7给出了不考虑极化损耗时，该抗金属天线的理论读取距离。可以看出，在美国902MHz～928MHz频段，该天线的识读距离大于16米。
上述方案只是本发明的一种具体实施方式，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)
1.一款应用于UHF频段RFID***的抗金属标签天线，其特征在于包含上层天线结构、中层介质板和下层金属底板，上层的天线通过金属过孔(6)与下层的底板连通。上层的天线结构包含不对称的金属辐射面(1)、第一馈线(5)、第二馈线(4)、连接辐射面且平行于馈线的两段开路线(2)和(3)。从馈源看去，该天线的辐射面不对称，这样使得天线的电流路径不对称，从而增加了天线的辐射模式。不对称的辐射面(1)中间形成凹槽，调节凹槽的嵌入深度和宽度可以调节天线谐振频率和匹配度。第一馈线(5)和第二馈线(6)中间连接标签芯片(7)，第一馈线(5)的另一端短路。
2.根据权利要求1所述的一款应用于UHF频段RFID***的抗金属标签天线，其特征在于，该天线第一馈线(5)通过金属过孔和金属底板连通，形成了短路短截线。
3.根据权利要求1所述的一款应用于UHF频段RFID***的抗金属标签天线，其特征在于，辐射面(1)关于馈源不对称，通过调节辐射面的形状和大小，将谐振双频调至同一谐振频率附近，扩大天线的带宽。
4.根据权利要求1所述的一款应用于UHF频段RFID***的抗金属标签天线，其特征在于，不对称的辐射面(1)中间形成凹槽，在凹槽中增加两条开路线，增大了耦合，改善了匹配情况。
5.根据权利要求1所述的一款应用于UHF频段RFID***的抗金属标签天线，其特征在于，可根据实际应用情况调整介质板的厚度，以及天线与应用物体的一体化。
6.根据权利要求1所述的一款应用于UHF频段RFID***的抗金属标签天线，其特征在于，馈电的位置可视具体应用情况而调整。
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