CN103022649A - 一款应用于uhf频段rfid***的阻抗可调标签天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频识别电子标签领域，具体涉及一种应用于UHF频段、阻抗可调节的宽带标签天线。该标签结构具有超高频射频识别、阻抗可调谐、双频带谐振、高增益等优点。标签结构包含：1、天线辐射体；2、介质板；3、标签芯片。天线辐射体包含两个近距离的偶极子和一个∏型匹配网络，通过调节∏型匹配网络的高度和宽度来匹配阻抗从(5-j50)到(80-j400)变化的芯片，使之在中国UHF频段范围内能实现良好的共轭匹配。

Description

一款应用于UHF频段RFID***的阻抗可调标签天线

技术领域

本发明涉及射频识别电子标签领域，具体涉及一种应用于UHF频段、阻抗可调节的宽带标签天线。

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，而日本使用的频段是952MHz～954MHz。中国***于2007年4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。本发明是基于无源标签的设计理论，以下分析本发明的技术背景及其必要性：

首先，中国UHF频段的范围为840MHz～845MHz和920MHz～925MHz，中间相差75MHz，这就对RFID***的天线设计和实际应用带来了很大的问题。例如，当一个在840MHz～845MHz范围内谐振非常理想的标签天线遇到一个920MHz～925MHz频段内工作的读写器或者920MHz～925MHz范围的应用背景时，标签的读取距离会迅速减小，甚至不能读取，这是因为两者的应用频段没有处于同一有效范围内。本发明所设计的天线是覆盖840MHz～845MHz和920MHz～925MHz两个频段的，具有很强的频段适应性。

其次，目前现有的天线设计技术，不能兼顾宽带宽特性和阻抗可调谐特性，例如有些天线的设计方案具有很理想的带宽性能，但是阻抗可调谐的范围非常有限，这就限制了同一结构的标签天线针对多种不同应用环境中的调谐价值。因此，如何解决这一设计难题就成为了本发明的研究重点。

再次，因为平面天线结构标签制作成本低，更适合大规模批量生产，所以研究平面结构的双频带标签天线具有很高的实际商业价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有天线在兼顾带宽、增益和阻抗可调方面的不足，针对具体实际应用提出一种宽带宽、高增益的超高频阻抗可调谐标签天线。该阻抗可调谐天线具有宽带宽、高增益等特性，平面大小为101.8mm*22.3mm。例如，该天线在匹配NXP超高频射频芯片时，形成的谐振双频-10dB带宽为834MHz～978MHz，在915MHz处的反射系数为-14dB，增益达2.55dBi。

本发明应用于UHF频段RFID***的阻抗可调谐标签天线，包括介质板和天线结构。天线结构在介质板上表面，馈线加在内部偶极子的中间位置，使内部偶极子的结构参数较之于外部偶极子的结构参数，对谐振双频带产生更大的影响，便于具体应用环境中的结构参数调节。

与现有天线结构相比，本发明有如下的优点和有益效果：

(1)本发明阻抗可调谐标签天线包含两个近距离的偶极子和一个∏型匹配网络，以辐射对称的方式，使得电流路径对称，性能稳定可靠；

(2)本发明阻抗可调谐标签内外两个偶极子形成两个并列的谐振单元，将谐振双频调至中心频率附近，以扩展天线的带宽，从而使天线呈现出很好的宽带特性；

(3)本发明阻抗可调谐标签结构中含有可调节的开放型∏型匹配网络，调节∏型匹配网络的宽度和高度，能够使天线与阻抗从(5-j50)到(80-j400)变化的芯片达到共轭匹配；

(4)本发明阻抗可调谐标签连接内外两个偶极子的匹配网络在∏型结构的基础上，可以根据应用需求有多种形状(X型，椭圆形，圆形等)的改进。

(5)本发明阻抗可调谐标签的外部偶极子具有可调谐性，可以根据不同的应用背景弯折成任意形状，同时使标签天线的面积具有可调谐性。

附图说明

图1是UHF频段RFID阻抗可调谐标签天线俯视图；

图2是UHF频段RFID阻抗可调谐标签天线侧视图；

图3是UHF频段RFID阻抗可调谐标签的等效电路图；

图4是UHF频段RFID阻抗可调谐标签天线与相应阻抗芯片匹配时的反射系数曲线图；

图5是UHF频段RFID阻抗可调谐标签天线在匹配阻抗为(14.8-j*128)欧的芯片时，增益随频率变化曲线图；

具体实施方式

本方案为覆盖中国UHF频段(840MHz～845MHz和920MHz～925MHz)RFID***使用的超高频射频识别、阻抗可调谐、双频带谐振的高增益标签天线。本发明的标签天线通过采用∏型匹配网络来实现超高频、阻抗可调、高增益标签天线的设计，标签芯片采用NXP超高频射频芯片，芯片在915MHz时的阻抗为(14.8-j*128)Ohm。下面针对本发明标签天线并结合附图进行详细说明。

本发明UHF频段RFID阻抗可调谐标签天线，标签结构包含：1、天线辐射体2、介质板3、标签芯片。UHF频段RFID阻抗可调谐标签天线俯视图和侧视图分别如图1和图2所示，UHF频段RFID阻抗可调谐标签的等效电路图如图3所示。本发明UHF频段RFID阻抗可调谐标签天线，介质基板采用碳氢化合物陶瓷基材，相对介电常数为3.38，损耗角正切为0.0021，介质板厚度为0.51mm。

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。为了使某种结构的天线能够与多种市面主流的芯片共轭匹配，就要求标签天线输入阻抗的实部和虚部都有一定的调节能力。对于该发明的双频带标签天线，其属于微带贴片结构，由射频电路知识可知，通过调节∏型匹配网络的宽度，可以改变内外两个偶极子并联电感的大小，从而调节阻抗中的电抗分量。同时内部偶极子的电路宽度和外部偶极子的电路长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。调节UHF频段RFID阻抗可调谐标签天线中匹配网络的高度和宽度(附图1中T1和T3值的大小)，可使天线的阻抗和相应的芯片阻抗在中国UHF频段范围内达到良好的匹配。

本发明UHF频段RFID***双频带标签天线的辐射面的总长度为101.8mm，宽度为22.3mm。通过HFSS电磁仿真，天线的反射系数曲线和增益随频率变化曲线分别如图4和图5。从图4中可以看出，天线在915MHz附近形成了谐振双频；从图5中可以看出，天线具有较大增益，能有效提高读取距离。

上述方案只是本发明的一种具体实施方式，本领域普通技术人员可以根据实际情况确定多种实现结构及其实现方式，因此，本发明的范围不应由该描述来限定。本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明范围的任何结构修改或局部变形，均属于本发明权利要求限定的范围。

Claims (6)

1.一款应用于UHF频段RFID***的阻抗可调标签天线，其特征在于：标签天线包含两个近距离的偶极子和一个∏型匹配网络。

2.根据权利要求1所述的应用于UHF频段RFID***的阻抗可调标签天线，其特征在于：内外两个偶极子形成两个并列的谐振单元，将谐振双频调至中心频率附近，以扩展天线的带宽，从而使天线呈现出良好的宽带特性。

3.根据权利要求1所述的应用于UHF频段RFID***的阻抗可调标签天线，其特征在于：标签天线结构中含有可调节的开放型∏型匹配网络，调节∏型匹配网络的宽度和高度，能够使天线与阻抗从(50-j50)到(80-j400)变化的芯片达到共轭匹配。

4.根据权利要求1所述的应用于UHF频段RFID***的阻抗可调标签天线，其特征在于：连接内外两个偶极子的匹配网络在∏型结构的基础上，可以根据应用需求有多种形状(X型，椭圆形，圆形等)的改进。

5.根据权利要求1所述的应用于UHF频段RFID***的阻抗可调标签天线，其特征在于：外部偶极子具有可调谐性，可以根据不同的应用背景弯折成任意形状，同时使标签天线的面积具有可调谐性。

6.根据权利要求1所述的应用于UHF频段RFID***的阻抗可调标签天线，其特征在于：在内部偶极子的中间位置连接馈线，使内部偶极子的结构参数较之于外部偶极子的结构参数，对谐振双频带产生更大的影响。

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