CN108429004A - 射频识别rfid标签天线及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种射频识别RFID标签天线,包括:介质基板、介质底板、天线辐射板,其中,介质基板、介质底板和天线辐射板形成长方形的微带贴片结构,以便集中电流,使电流流向统一;天线辐射板上对称开设一对T形槽,以便增加电流路径和感性电抗;一对T形槽之间设置用于使不同输入阻抗的天线与不同阻抗的RFID标签芯片相匹配的馈点。本发明的天线,具有宽频带、小型化特性,适用于不同国家和地区的超高频频段RFID标准,贴在金属物体表面时标签天线具有一定的稳定性,能达到五米以上的通信距离,可以达到节约生产和人力成本的目的。此外,本发明还提供一种射频识别RFID标签天线的实现方法。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域,涉及一种射频识别RFID标签天线及其实现方法。
背景技术
射频识别(RFID,Radio Frequency Identification)技术是自动识别技术的一种,通过无线射频方式进行非接触双向数据通信,对目标加以识别并获取相关数据的一种技术。RFID技术不需要人工干预、不需要直接接触、不需要光学可视即可完成信息输入和处理,可工作于各种恶劣环境,可识别高速运动物体,并且可同时识别多个物体。
将普通的标签天线直接安置在金属物体表面上时,其增益、输入阻抗等各项性能全都会发生较大的变化。针对这种情况,目前大多数作法是将标签放置在距离金属物体表面一定高度之上,但这样做会使得成本增加,标签性能非常的不稳定,其加工和安装亦不便等负面影响。
RFID天线性能设计的好坏直接决定了整个RFID***性能的优劣,包括***的读取距离、成本等。目前现阶段的研究主要集中在超高频段和微波频段的天线技术。标签天线与标签芯片之间的阻抗匹配是关键问题之一,良好的阻抗匹配可实现更长的读取距离。从制造成本来看,在保证天线性能不变的情况下,要求标签天线和读写器天线的尺寸尽可能的小。众所周知,RFID产品的制造必须遵守使用者所在国家和地区标准机构制定的标准,故标准的差异性使得产品的设计和生产更加复杂和昂贵。例如在欧洲,RFID确定的超高频段(UHF,Ultra-high frequency)为866-869MHz、在日本和一些亚洲国家为952-955MHz、,而我国***公布的800/900MHz频段RFID技术应用规定(试行)则将800/900MHz频段划分为两个频段840-845MHz和920-925MHz用于RFID应用。因此,如何设计具有宽频带特性的小型化标签天线以适用于不同国家和地区的标准是一个技术挑战。
另外一个问题就是,由于电磁波会被金属反射,从而导致基于自由空间设计的RFID标签天线的性能在金属表面上会变得不稳定。因此,如何设计可应用于金属环境中的标签天线也是一个技术难题。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷,提出一种射频识别RFID标签天线,具有宽频带、小型化特性,适用于不同国家和地区的超高频频段RFID标准,贴在金属物体表面时标签天线具有一定的稳定性,能达到五米以上的通信距离,可以达到节约生产和人力成本的目的。此外,本发明还提供一种射频识别RFID标签天线的实现方法。
为了实现本发明的上述目的,本发明一方面提供一种射频识别RFID标签天线,包括:介质基板;设置于介质基板下层的介质底板,其下表面用于贴覆在金属物体的上表面;设置于介质基板上层的天线辐射板;其中,所述介质基板、介质底板和天线辐射板形成长方形的微带贴片结构;所述天线辐射板上对称开设一对T形槽;所述一对T形槽之间设置用于使不同输入阻抗的天线与不同阻抗的RFID标签芯片相匹配的馈点。
其中,所述T形槽为其开口开设于所述天线辐射板的长侧端的开口槽。
其中,所述开口槽的长臂沿着所述天线辐射板的长度方向延伸。
其中,所述T形槽的短臂与长臂垂直连接,且沿着所述天线辐射板的宽度方向朝短侧端延伸。
其中,所述一对T形槽的一对短臂相背伸出。
其中,所述馈点设置于所述一对T形槽的一对长臂之间。
其中,所述馈点位于所述天线辐射板的长侧端至T形槽设置短臂处之间的部分上。
此外,本发明还提供一种射频识别RFID标签天线的实现方法,包括:
在介质基板的下表面设置介质底板;
在介质基板的上表面设置天线辐射板;
其中,将所述天线辐射板制作为长方形,以便集中电流,使电流流向统一;
其中,在所述天线辐射板上对称开设一对T形槽,以便增加电流路径和感性电抗,确保微带贴片结构贴在金属物体表面时可与RFID标签芯片匹配良好;
其中,在所述一对T形槽之间设置用于使不同输入阻抗的天线与不同阻抗的RFID标签芯片相匹配的馈点。
优选的,通过改变所述一对T形槽长臂的长度和宽度,调节天线的输入阻抗。
优选的,通过调节所述馈点在所述一对T形槽之间的位置,调节天线的输入阻抗。
与现有技术相比,本发明的射频识别RFID标签天线及其实现方法具有如下优点:
1、本发明的射频识别RFID标签天线采用长方形的微带贴片结构,可以实现集中电流的目的,使电流流向统一,进而达到提高天线增益的目的。
2、本发明的射频识别RFID标签天线,在天线辐射板上开对称双T形槽,一方面可以集中电流流向,尽量避免环流的出现,进而提高天线增益和通信距离,另一方面切断了原先辐射板上的表面电流路径,使电流绕槽边曲折流过而路径变长,在天线等效电路中相当于引入了级联电感,使得天线输入阻抗呈现较大的感性电抗,可与阻抗呈现较大容性电抗的标签芯片达到良好的匹配,即保证标签天线贴在金属物体表面时仍能和标签芯片达到良好的匹配,再有就是开槽可以延长电流路径,进而实现减小天线尺寸的目的。
3、本发明的射频识别RFID标签天线,设计时,在两个对称的T形槽之间的馈电位置可以改变,使得标签天线输入阻抗在较大范围内变动,保证其贴在金属物体表面时仍可以与更多阻抗不同的标签芯片进行匹配,增强天线的通用性。
4、本发明的射频识别RFID标签天线的实现方法,可以通过改变一对T形槽长臂的长度和宽度来调节天线的输入阻抗,通过调节馈点在一对T形槽之间的位置来调节天线的输入阻抗,以使天线与阻抗不同的标签芯片匹配,实现宽带宽及防金属型性的目的,使其适用于不同国家和地区的超高频频段RFID标准,满足不同国家和地区的RFID标准差异性需求;且贴在金属物体表面时天线具有一定的稳定性,能达到五米以上的通信距离,可达到节约生产和人力成本的目的。
附图说明
图1为本发明的射频识别RFID标签天线的结构示意图。
图2为本发明的射频识别RFID标签天线的天线辐射板的结构示意图。
图3为本发明的射频识别RFID标签天线的仿真结构示意图。
图4a为本发明的射频识别RFID标签天线的输入阻抗实部RA随T形槽长臂长度l1变化的仿真曲线图。
图4b为本发明的射频识别RFID标签天线的输入阻抗虚部XA随T形槽长臂长度l1变化的仿真曲线图。
图5a为本发明的射频识别RFID标签天线的输入阻抗实部RA随T形槽长臂宽度w1变化的仿真曲线图。
图5b为本发明的射频识别RFID标签天线的输入阻抗虚部XA随T形槽长臂宽度w1变化的仿真曲线图。
图6为本发明针对Alien公司的ALN-9338-R标签芯片所设计的射频识别RFID标签天线的输入阻抗曲线图。
图7为本发明针对Alien公司的ALN-9338-R标签芯片所设计的射频识别RFID标签天线的回波损耗曲线图。
图8本发明针对Alien公司的ALN-9338-R标签芯片所设计的射频识别RFID标签天线的辐射方向图。
附图9a为针对Alien公司的ALN-9338-R标签芯片所设计的射频识别RFID标签天线的输入阻抗实部RA随着金属物体表面尺寸变化的曲线图。
附图9b为针对Alien公司的ALN-9338-R标签芯片所设计的射频识别RFID标签天线的输入阻抗虚部XA随着金属物体表面尺寸变化的曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明,应当理解,以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,为本发明的射频识别RFID标签天线的结构示意图,由图可知,本发明的标签天线包括:介质基板2;设置于介质基板2下层的介质底板3,其下表面用于贴覆在金属物体的上表面;设置于介质基板2上层的天线辐射板1。
其中,本发明的介质基板2、介质底板3和天线辐射板1均采用长方形的板,以便介质基板2、介质底板3和天线辐射板1三者组装在一起时形成长方形的微带贴片结构,从而集中电流,使电流流向统一,进而达到提高天线增益的目的。
其中,如图2所示,本发明在天线辐射板1上对称开设一对T形槽,即第一T形槽5和第二T形槽6。优选的,T形槽为其开口开设于天线辐射板1的长侧端的开口槽,开口槽的长臂沿着天线辐射板1的长度方向延伸,T形槽的短臂与长臂垂直连接,沿着天线辐射板1的宽度方向朝天线辐射板1的短侧端延伸,一对T形槽的一对短臂相背伸出,且一对T形槽关于天线辐射板1的中心线对称。设计时,通过改变第一、二T形槽长臂的长度和宽度,可以方便地调节该标签天线的输入阻抗ZA,从而有利于该标签天线跟阻抗不同的标签芯片进行良好的匹配,也便于适用于不同尺寸的金属物体表面。
本发明通过在天线辐射板1上开设对称的一对T形槽,可以实现如下三个目的:一、可以集中电流流向,尽量避免环流的出现,进而提高天线增益和通信距离;二、切断了天线辐射板上的表面电流路径,使电流绕槽边曲折流过而路径变长,在天线等效电路中相当于引入了级联电感,使得天线输入阻抗呈现较大的感性电抗,可与阻抗呈现较大容性电抗的标签芯片达到良好的匹配,即保证标签天线贴在金属物体表面时仍能和标签芯片达到良好的匹配;三、在天线辐射板上开设T形槽可以延长电流路径,进而实现减小天线尺寸的目的。
其中,如图2所示,本发明在一对T形槽之间设置用于使不同输入阻抗的天线与不同阻抗的RFID标签芯片相匹配的馈点,该馈点设置于一对T形槽的一对长臂之间,优选的,馈点位于天线辐射板的长侧端至T形槽设置短臂处之间的部分上。设计时,通过改变两个对称的T形槽之间的馈点位置,使得标签天线输入阻抗在较大范围内变动,保证其贴在金属物体表面时仍可以与更多阻抗不同的标签芯片进行匹配,增强天线的通用性。
如图3所示,为采用本发明的射频识别RFID标签天线进行仿真时的结构示意图。仿真时采用的标签天线总尺寸仅为L×W=30mm×110mm,介质基板2材料选用标签天线设计中最常用的FR-4材料,基板厚度为1.6mm,其相对介电常数为εr=4.4,损耗角正切为tanδ=0.02,保证了天线的小型化和低成本。图3中,l1代表的是天线辐射板上所开设的第一、二T形槽长臂的长度,w1代表的是所开第一、二T形槽长臂的宽度,通过改变第一、二T形槽长臂的长度和宽度,可以方便地调节该标签天线的输入阻抗ZA,从而有利于该标签天线跟阻抗不同的标签芯片进行良好的匹配,也便于适用于不同尺寸的金属物体表面。
附图4a为本发明所设计的射频识别RFID标签天线的输入阻抗实部RA随T形槽长臂的长度l1变化的仿真曲线图,附图4b为本发明所设计的射频识别RFID标签天线的输入阻抗虚部XA随T形槽长臂的长度l1变化的仿真曲线图。
从附图4a、4b中可以看出,当T形槽的长臂长度l1分别取值为82mm、83mm、84mm时,在整个UHF频段840-960MHz之间,天线输入阻抗的实部和虚部均发生改变,随着T形槽的长臂长度l1的增大,天线输入阻抗的实部与虚部均增大,而且增加幅度较大。由此可见,通过改变T形槽的长臂长l1可以在较大范围内对防金属型标签天线的输入阻抗进行调节,以使得其可与阻抗不同的标签芯片之间得到良好的共轭匹配状态。
附图5a为本发明的射频识别RFID标签天线的输入阻抗实部RA随T形槽长臂的宽度w1变化的仿真曲线图,附图5b为本发明的射频识别RFID标签天线的输入阻抗虚部XA随T形槽长臂的宽度w1变化的仿真曲线图。
从附图5a、5b中可以看出,当T形槽长臂的宽度w1分别取值为0.5mm、1.0mm、1.5mm,在整个UHF频段840-960MHz之间,天线输入阻抗的实部和虚部均发生改变,随着T形槽的长臂宽w1的增大,天线输入阻抗的实部与虚部均呈现增大的趋势。由此图还可看出,T形槽的长臂宽w1增大到1mm时,再使其增大已对天线输入阻抗的实部影响不大;但是,天线输入阻抗的虚部对w1较为敏感,随着w1的增大不断增大。因此,通过改变T形槽的长臂宽w1亦可使得防金属型标签天线输入阻抗的实部和虚部在一定范围内变动,进而可与部分阻抗不同的标签芯片实现共轭匹配。
针对Alien公司的ALN-9338-R标签芯片(该标签芯片在915MHz的表现阻抗为11-j422欧姆),通过仿真软件优化设计可得,当l1=85mm,w1=1mm时,本发明所设计的射频识别RFID标签天线与标签芯片之间可以达到良好的匹配状态,天线性能最佳。
附图6为针对Alien公司的ALN-9338-R标签芯片所设计的防金属型标签天线的输入阻抗曲线图。在915MHz处,防金属标签天线的输入阻抗ZA=8.30+j122.56欧姆,接近Alien公司的ALN-9338-R标签芯片在915MHz的表现阻抗为6.2-j127欧姆的共轭阻抗,故本文所设计的防金属型标签天线可与该标签芯片可以实现良好的匹配。而且从图中还可看出,在全球整个UHF频段840-960MHz内,天线输入阻抗的实部变化范围约在3.05-20.33欧姆之间,虚部变化范围约在73.84-187.11欧姆之间,可以满足多数UHF频段标签芯片的匹配要求。
附图7为针对Alien公司的ALN-9338-R标签芯片所设计的防金属型标签天线的回波损耗曲线图。由此图可以看出,在全球整个UHF频段840-960MHz内,S11均小于-10dB,且最低点920MHz对应的S11为-38.92dB,可见防金属型标签天线与Alien公司的ALN-9338-R标签芯片达到了良好的共轭匹配状态。若选取其他一些阻抗不同的标签芯片与该防金属型标签天线进行匹配,亦可在该频段内取得良好的匹配状态。
附图8为针对Alien公司的ALN-9338-R标签芯片所设计的防金属型标签天线的辐射方向图。通常情况下,为使得标签具有良好的可读性,减小对特殊放置方向的依赖,一般都要求标签天线的辐射方向图具有良好的全向性。由此图可以看出,在phi=0deg方向上,该标签天线具有良好的全向性,符合标签天线的应用要求。利用RFID标签天线的距离计算公式可计算出该标签天线的最大理论读取距离:
上式中,λ为自由空间波长,Pt为读写器发射功率,Gt为读写器天线的增益,Gr为标签天线的增益,Pth为标签芯片门限激活功率,χ为读写器天线与标签天线之间的极化匹配系数,τ为功率传输系数。从图中还可看出,标签天线的最大辐射增益Gr约为-1.96dBi,根据以上公式可以计算出该标签天线的最大理论读取距离可达6.6m。
从图6、7、8可以看出,本发明所设计的新型UHF频段射频识别防金属型标签天线在全球整个UHF频段840—960MHz内,S11均小于-10dB,辐射方向图具有良好的全向性,最大理论读取距离可长达6.6m,而且通过调整T形槽的长度l1和宽度w1,可以在很大范围内调整该标签天线的输入阻抗。
附图9a为针对Alien公司的ALN-9338-R标签芯片所设计的防金属型标签天线的输入阻抗实部RA随着金属物体表面尺寸变化的曲线图,附图9b为针对Alien公司的ALN-9338-R标签芯片所设计的防金属型标签天线的输入阻抗虚部XA随着金属物体表面尺寸变化的曲线图。
由图9a、9b可以看出,随着金属物体表面面积的增大,天线输入阻抗的实部和虚部曲线走向一致,且只有细微的变化。可见,当该防金属型标签天线贴在不同尺寸的金属物体表面时,仍能与标签芯片实现良好的阻抗匹配。证明该天线在金属物体表面上工作时仍具有一定的稳定性,并能达到五米以上的通信距离。
需要说明的是,本发明中的RFID,其英文全写为Radio FrequencyIdentification,中文为射频识别;本发明中的UHF,其英文全写为Ultra-high frequency,中文为超高频段。
此外,本发明还提供一种射频识别RFID标签天线的实现方法,包括:
在介质基板2的下表面设置介质底板3;
在介质基板2的上表面设置天线辐射板1;
其中,将天线辐射板1制作为长方形,以便集中电流,使电流流向统一;
其中,在天线辐射板1上对称开设一对T形槽,以便增加电流路径和感性电抗,确保微带贴片结构贴在金属物体表面时可与RFID标签芯片匹配良好;
其中,在一对T形槽之间设置用于使不同输入阻抗的天线与不同阻抗的RFID标签芯片相匹配的馈点4。
其中,在介质基板2的下表面设置介质底板3、上表面设置天线辐射板1的方法可以采用现有技术的制作方法,在此不再重述。
优选的,制作本发明的标签天线时,通过改变一对T形槽长臂的长度和宽度,调节天线的输入阻抗,并通过调节馈点4在一对T形槽之间的位置,调节天线的输入阻抗。
采用本发明的方法,制作长方形的微带贴片结构,并在天线辐射板1上开对称双T形槽以及在两个对称的T形槽之间进行馈电的方式,可以实现标签天线宽频带特性、小型化、防金属型性的特点,故可满足不同国家和地区的RFID UHF频段的差异性需求和贴在金属物体表面上天线正常工作的需求。
综上所述,本发明所提出的防金属型标签天线通过采用长方形微带贴片结构,并在天线辐射板上开对称双T形槽以及在两个对称的T形槽之间进行馈电的方式来设计具有宽频带特性的小型化防金属型标签天线,使其适用于不同国家和地区的超高频频段RFID标准,而且贴在金属物体表面时天线具有一定的稳定性,并能达到五米以上的通信距离。因此从另外角度来看也可以达到节约生产和人力成本的目的。
以上是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种射频识别RFID标签天线,包括:
介质基板;
设置于介质基板下层的介质底板,其下表面用于贴覆在金属物体的上表面;
设置于介质基板上层的天线辐射板;
其特征在于:
所述介质基板、介质底板和天线辐射板形成长方形的微带贴片结构;
所述天线辐射板上对称开设一对T形槽;
所述一对T形槽之间设置用于使不同输入阻抗的天线与不同阻抗的RFID标签芯片相匹配的馈点。
2.根据权利要求1所述的标签天线,其特征在于,所述T形槽为其开口开设于所述天线辐射板的长侧端的开口槽。
3.根据权利要求2所述的标签天线,其特征在于,所述开口槽的长臂沿着所述天线辐射板的长度方向延伸。
4.根据权利要求3所述的标签天线,其特征在于,所述T形槽的短臂与长臂垂直连接,且沿着所述天线辐射板的宽度方向朝短侧端延伸。
5.根据权利要求4所述的标签天线,其特征在于,所述一对T形槽的一对短臂相背伸出。
6.根据权利要求2所述的标签天线,其特征在于,所述馈点设置于所述一对T形槽的一对长臂之间。
7.根据权利要求6所述的标签天线,其特征在于,所述馈点位于所述天线辐射板的长侧端至T形槽设置短臂处之间的部分上。
8.一种射频识别RFID标签天线的实现方法,包括:
在介质基板的下表面设置介质底板;
在介质基板的上表面设置天线辐射板;
其中,将所述天线辐射板制作为长方形,以便集中电流,使电流流向统一;
其中,在所述天线辐射板上对称开设一对T形槽,以便增加电流路径和感性电抗,确保微带贴片结构贴在金属物体表面时可与RFID标签芯片匹配良好;
其中,在所述一对T形槽之间设置用于使不同输入阻抗的天线与不同阻抗的RFID标签芯片相匹配的馈点。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,通过改变所述一对T形槽长臂的长度和宽度,调节天线的输入阻抗。
10.根据权利要求8或9所述的方法,其特征在于,通过调节所述馈点在所述一对T形槽之间的位置,调节天线的输入阻抗。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180821 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |