CN107257009A - 抗金属标签天线及标签 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抗金属标签天线及标签，该标签天线包括基板和天线结构。天线结构设置于基板，天线结构包括辐射部、反射部和连接部。辐射部形成于基板的一端，辐射部上具有馈电部。反射部形成于基板的另一端且呈封闭状，反射部对辐射部辐射的能量进行反射。连接部设置于基板且电性连接辐射部和反射部。

Description

抗金属标签天线及标签
技术领域
本发明涉及射频识别技术领域，且特别涉及一种抗金属标签天线及标签。
背景技术
目前，无源UHF RFID技术已被广泛应用于各行业。而RFID技术结合传感器技术所开发的无源UHF RFID传感芯片，使之在电力等工业行业领域有了更为广泛和深入的应用。在电力环网柜中，工作电压常在10KV以上，电缆中关键节点常常伴有高温发热现象，而这些节点常常是电力事故的重要隐患点，因此应用具有测温功能的RFID标签可以对关键节点进行实时监控，从而预防事故的产生，大大降低事故的发生率。
电力柜中的关键节点常常位于T型电缆接头处，T型电缆接头用于电缆分接箱的主网***或作为环网柜的进出线电缆接头，既可连接600A以上高压套管、多联组合插座，也可与600A以上母线套管、后T型电缆接头组合连接，形成多路电缆分支，T型电缆接头一般分前插和后插，搭配绝缘堵头以实现绝缘、密封和分流的作用。T型电缆接头一般包含导电杆、螺栓、平垫、弹垫、螺母、绝缘堵头(内部含有垫片等金属部件)和压接端子等多种金属结构，而金属结构对天线的能量具有反射作用，加上T型电缆接头中狭小的类圆柱形体积空间，这对标签天线的设计带来巨大的挑战。
自由空间条件下，阅读器和电子标签之间的识别距离由以下公式决定：
在Pth(RFID芯片的最小触阈值功率)和EIRP(与读卡器有关的增益参数) 一定的条件下，识别距离R主要由标签天线的增益Gtag和传输系数τ决定。在 Pth(RFID芯片的最小触阈值功率)和EIRP(与读卡器有关的增益参数)一定的条件下，识别距离R主要由标签天线的增益Gtag和传输系数τ决定。
目前的抗金属标签多为矩形平面结构，即便是最小的矩形平面结构标签也无法放置在T型电缆接头中。主流的小型化柔性标签可以勉强放置在T型电缆接头狭小的圆柱体积空间中，但是由于金属零件的影响，增益Gtag低，传输系数τ小，识别距离R非常近，甚至无法被识别到。因此针对电力应用，需要对标签天线进行特殊的设计。
发明内容
本发明为了克服现有抗金属标签抗金属效果差的问题，提供一种抗金属标签天线及标签。
为了实现上述目的，本发明提供一种抗金属标签天线，该标签天线包括基板和天线结构。天线结构设置于基板，天线结构包括辐射部、反射部和连接部。辐射部形成于基板的一端，辐射部上具有馈电部。反射部形成于基板的另一端且呈封闭状，反射部对辐射部辐射的能量进行反射。连接部设置于基板且电性连接辐射部和反射部。
于本发明一实施例中，辐射部呈圆环状，馈电部为沿圆环的径向贯穿辐射部的馈电槽。
于本发明一实施例中，反射部呈圆环状，反射部的圆环宽度大于辐射部的圆环宽度。
于本发明一实施例中，辐射部和反射部的圆环宽度以及周长与连接在馈电部上的标签芯片的阻抗相匹配。
于本发明一实施例中，基板上具有至少一个过线孔，连接部穿过至少一个过线孔电性连接辐射部和反射部。
于本发明一实施例中，连接部为设置于基板侧壁上并延伸至基板两端的金属带，金属带电性连接辐射部和反射部。
于本发明一实施例中，基板呈圆柱状，基板的中心具有沿基板的轴向贯穿基板的安装孔，基板的外径大于或等于反射部的最大宽度。
于本发明一实施例中，辐射部和反射部印刷于基板，且辐射部和反射部的材质分别为金属或导电合金，基板为FR-4环氧玻璃纤维板、塑料板、陶瓷板或泡沫板中的任一种。
本发明另一方面还提供一种抗金属标签，该金属标签包括上述任一项所述的标签天线以及连接在馈电部上的标签芯片。
综上所述，本发明提供的抗金属标签天线及标签与现有技术相比，具有以下优点：
通过在基板的两端分别形成辐射部和反射部并设置反射部呈封闭状，辐射部辐射的能量经反射部反射后进行叠加从而提高天线的增益，大幅度提高标签天线的识别距离。并且当抗金属标签天线附着于金属物件时，反射部可屏蔽反射部一侧的金属部件的影响，进一步提高识别距离，达到抗金属的效果。
此外，通过设置辐射部和反射部的宽度和周长与连接在馈电部上的标签芯片的阻抗相匹配来提高天线的传输系数，从而提高标签天线的识别距离。进一步的，也可通过增加基板的厚度来使得经反射部反射后的能量与辐射部反射的能量能在远程进一步叠加来提高天线的增益，以获得更远的识别距离且标签天线结构简单，特别适合大批量生产。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1所示为本发明一实施例提供的抗金属标签天线的俯视图。
图2所示为图1所示的抗金属标签天线的仰视图。
图3所示为图1所述的抗金属标签天线的剖视图。
图4所示为图1所示的抗金属标签天线中，金属过孔位于不同角度下，天线阻抗实部随频率的变化曲线。
图5所示为图1所示的抗金属标签天线中，金属过孔位于不同角度下，天线阻抗虚部随频率的变化曲线。
图6所示为本发明一实施例提供的抗金属标签的俯视图。
图7所示为图6所示的抗金属标签中，金属过孔位于角度an＝70度条件下的增益方向图。
具体实施方式
如图1至图3所示，本实施例提供的抗金属标签天线201包括基板10和天线结构20。天线结构20设置于基板10，天线结构20包括辐射部1、反射部2 和连接部3。辐射部1形成于基板10的一端，辐射部1上具有馈电部11。反射部2形成于基板10的另一端且呈封闭状，反射部2对辐射部1辐射的能量进行反射。连接部3设置于基板10且电性连接辐射部1和反射部2。
本实施例提供的抗金属标签天线中，封闭状的反射部2既可将辐射部1发射的能量进行反射，反射的能量与辐射部1辐射的能量相叠加从而增加辐射部1 的辐射能量，大大提高标签天线的增益，使其即使应用金属环境中也能具有较大的识别距离；同时，反射部2还可屏蔽位于反射部2一侧的金属对辐射部1的增益的影响，达到抗金属的效果。
于本实施例中，辐射部1和反射部2均呈圆环状，该设置使得辐射部1和反射部2表现的电流呈环状分布，可部分屏蔽穿过其中的金属导体影响，使标签天线更加具有抗金属性能。进一步的，设置反射部2的圆环宽度大于辐射部1的圆环宽度，基板10的外径大于或等于反射部2的最大宽度。该设置使得反射部2 能大量反射辐射部1发射的能量，从而大大提高天线的增益。优选的，辐射部1 的外径为13毫米，内径为11毫米，辐射部1的圆环宽度为2毫米。反射部2的外径为13毫米，内径为6毫米，反射部2的圆环宽度为7毫米。然而，本发明对此不作任何限定。在实际使用中辐射部1和反射部2的宽度和周长会影响天线结构20阻抗，为实现天线阻抗和标签芯片的阻抗匹配，需要对辐射部1和反射部2的宽度和周长进行优化设计。具体而言，若标签芯片在工作频率915MHz 时具有re-j*im(天线的输入阻抗是一个复数，re为实部，im为虚部，j为虚单元) 的输入阻抗，因此在设计辐射部1和反射部2的宽度和周长时，应尽可能的使天线结构20的阻抗接近re+j*im。阻抗匹配可大大减小信号能量在传输过程中的损耗，大幅度提高信号的读取距离。
于其它实施例中可通过改基板10的厚度来进一步提高标签天线的增益。具体而言，当基板10的厚度d＝0.25λ时辐射部1发射的波与反射部2反射的波在远程叠加，进一步提高标签的识别距离，λ为辐射部1发射的波在基板介质传输的介质波长。
于本实施例中，馈电部11为沿圆环的径向贯穿辐射部1的馈电槽。优选的，设置馈电槽的具体结构为矩形，矩形馈电槽的长度为2毫米，为方便焊接标签芯片，设置矩形馈电槽的宽度略大于标签芯片的最大宽度，于本实施例中，矩形馈电槽的宽度也为2毫米。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，馈电部的形状可为其它与标签芯片的形状相匹配的馈电槽或馈电口，相应的尺寸也可根据标签芯片的尺寸而设计。
于本实施例中，基板10上具有至少一个沿基板的轴向贯穿基板的过线孔，于本实施例中，基板10上具有一个过线孔。然而，本发明对此不作任何限定。连接部3通过过线孔电连接辐射部1和反射部2。于本实施例中，辐射部1和反射部2印刷于基板10上，因此设置过线孔为金属过线孔。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，连接部可为设置于基板侧壁上并延伸至基板两端的金属带，金属带电性连接辐射部和反射部。
于本实施例中，金属过线孔的半径为0.5毫米。然而，本发明对此不作任何限定。由于连接部3属于天线结构20的一部分，连接部3的阻抗为天线阻抗的一部分，因此在进行阻抗匹配设计时需要考虑连接部3的具体连接方式。
自由空间条件下，阅读器和电子标签之间的识别距离由以下公式决定：
在Pth(RFID芯片的最小触阈值功率)和EIRP(与读卡器有关的增益参数) 一定的条件下，识别距离R主要由标签天线的增益Gtag和传输系数τ决定。在 Pth(RFID芯片的最小触阈值功率)和EIRP(与读卡器有关的增益参数)一定的条件下，识别距离R主要由标签天线的增益Gtag和传输系数τ决定。标签天线 201和标签芯片202之间的阻抗匹配直接影响了传输系数τ。
于本实施例提供的抗金属标签中，金属过线孔的位置直接影响了标签天线 201的阻抗。以标签芯片沿径向方向的中心线为基准线，过金属过线孔的圆心和基板的圆心的直线与基准线之间的夹角为金属过线孔在基板上的角度an。如图4 所示，当金属过孔位于角度an＝50,60,70条件下，标签天线阻抗的实部re(Z(1,1)) 随频率的变化曲线。从图中可得915Mhz处标签天线阻抗的实部分别为5.5、7.6 和9.6欧姆，图4中对应的曲线分别为m1、m2和m3。如图5所示，当金属过孔位于角度an＝50,60,70条件下，标签天线阻抗的虚部im(Z(1,1))随频率的变化曲线。从图中可得，915Mhz处标签天线阻抗的虚部分别为256.2、197.8和159.3 欧姆，图5中对应的曲线分别为m4、m5和m6。在进行阻抗匹配优化设计时，可确定天线结构20中辐射部1、反射部2和金属过线孔的位置而选择与天线结构20的阻抗的标签芯片来实现阻抗匹配。也可通过调节金属过线孔在基板上的位置或辐射部1的尺寸和反射部2的尺寸来匹配某一特定的标签芯片。相对于辐射部1的尺寸和反射部2的尺寸，金属过线孔的位置的改变更加简单，即更容易使标签天线在915Mhz频率处的阻抗调整至标签芯片的共轭阻抗附近，传输系数大大提高，从而大幅提高识别距离。
于本实施例中，天线结构20由铜材料制成。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，天线结构20可由金、银、铝等其它金属材料制成或焊锡等导电合金制成。于本实施例中，基板10为FR-4环氧玻璃纤维板。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，基板10可为塑料板、陶瓷板或泡沫板。
与上述抗金属标签天线相对应的，本实施例还提供的一种抗金属标签200，如图6所示，该标签200包括本实施例所述的抗金属标签天线201和连接在馈电部11上的标签芯片202。于本实施例中，标签芯片202通过绑定的方式连接馈电部11上。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，标签芯片202 可通过焊接的方式连接在馈电部11上。
如图7所示，当金属过线孔的角度an＝70且与标签芯片202阻抗匹配时，本实施例提供的抗金属标签的最大增益可达-3.3924dBi，远远超过多数小型化抗金属标签。
综上所述，本发明提供的抗金属标签天线及标签通过在基板的两端分别形成辐射部和反射部并设置反射部呈封闭状，辐射部辐射的能量经反射部反射后进行叠加从而提高天线的增益，大幅度提高标签天线的识别距离。并且当抗金属标签天线附着于金属物件时，反射部可屏蔽反射部一侧的金属部件的影响，进一步提高识别距离，达到抗金属的效果。
此外，通过设置辐射部和反射部的宽度和周长与连接在馈电部上的标签芯片的阻抗相匹配来提高天线的传输系数，从而提高标签天线的识别距离。进一步的，也可通过增加基板的厚度来使得经反射部反射后的能量与辐射部反射的能量能在远程进一步叠加来提高天线的增益，以获得更远的识别距离且标签天线结构简单，特别适合大批量生产。
虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (9)

1.一种抗金属标签天线，其特征在于，包括：
基板；
天线结构，设置于所述基板，所述天线结构包括：
辐射部，形成于所述基板的一端，所述辐射部上具有馈电部；
反射部，形成于所述基板的另一端且呈封闭状，所述反射部对所述辐射部辐射的能量进行反射；
连接部，设置于所述基板且电性连接辐射部和反射部。
2.根据权利要求1所述的抗金属标签天线，其特征在于，所述辐射部呈圆环状，所述馈电部为沿圆环的径向贯穿辐射部的馈电槽。
3.根据权利要求1所述的抗金属标签天线，其特征在于，所述反射部呈圆环状，所述反射部的圆环宽度大于辐射部的圆环宽度。
4.根据权利要求1所述的抗金属标签天线，其特征在于，所述辐射部和反射部的圆环宽度以及周长与连接在馈电部上的标签芯片的阻抗相匹配。
5.根据权利要求1所述的抗金属标签天线，其特征在于，所述基板上具有至少一个过线孔，所述连接部穿过至少一个过线孔电性连接所述辐射部和反射部。
6.根据权利要求1所述的抗金属标签天线，其特征在于，所述连接部为设置于所述基板侧壁上并延伸至基板两端的金属带，金属带电性连接所述辐射部和反射部。
7.根据权利要求1所述的抗金属标签天线，其特征在于，所述基板呈圆柱状，所述基板的中心具有沿基板的轴向贯穿基板的安装孔，所述基板的外径大于或等于反射部的最大宽度。
8.根据权利要求1所述的抗金属标签天线，其特征在于，所述辐射部和反射部印刷于所述基板，且所述辐射部和反射部的材质分别为金属或导电合金，基板为FR-4环氧玻璃纤维板、塑料板、陶瓷板或泡沫板中的任一种。
9.一种抗金属标签，其特征在于，包括：
权利要求1-8任一项所述的标签天线；以及
连接在馈电部上的标签芯片。
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