CN108776829A - 医疗检测用超高频rfid标签 - Google Patents

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Abstract

本发明为远程医疗监护***用超高频RFID标签，包括介质基板，开槽贴片天线，柔性介质基板，标签芯片，左侧粘性铜胶带，右侧粘性铜胶带，金属地，上侧T型槽，下侧T型槽，左侧微带馈线，右侧微带馈线；标签芯片的两端分别焊接在左侧微带馈线和右侧微带馈线的两开路端位置，左侧粘性铜胶带和右侧粘性铜胶带分别粘贴在柔性介质基板上表面的左右两侧，左侧粘性铜胶带的两端分别与开槽贴片天线的左端、金属地的左端短路相连，右侧粘性铜胶带的两端分别与开槽贴片天线的右端、金属地的右端短路相连，金属地由矩形粘性铜胶带粘贴在柔性介质基板下表面形成。

Description

医疗检测用超高频RFID标签
技术领域
本发明涉及通信天线以及可穿戴设备的技术领域，具体的，其展示一种远程医疗监护***用超高频RFID标签。
背景技术
近年来远程医疗监护***已经发展为全球性的讨论话题与研究热点，并且成为高度发达国家和地区面临的最重要业务之一，但是，许多国家的远程监护***还没有完全被开发出来。因此，设计一款优良的RFID跟踪***，比如给病人配戴在手腕上的柔性RFID标签是非常有必要的。人体穿戴的RFID标签，必须是可弯折并且能够承受人体自身带来的体效应，这是因为人体内部的介电常数是非常复杂的，比如皮肤，脂肪，肌肉，和骨头等，这些人体组织能够吸收或者减轻RFID标签发射/接受的电磁波。此外，可穿戴RFID标签是直接贴在人体上的，因此，标签的电长度、阻抗匹配和辐射效率将会因为体效应造成一定的恶化。
现有技术提出了许多改善RFID标签性能的方法。例如，采用有源RFID标签的方法可以增加读写距离，然而，额外的电源不但增加了标签的成本也增大了标签的体积。
因此，有必要提供一种远程医疗监护***用超高频RFID标签来解决上述问题。
发明内
本发明的目的是提供一种远程医疗监护***用超高频RFID标签。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：
一种远程医疗监护***用超高频RFID标签，包括介质基板，开槽贴片天线，柔性介质基板，标签芯片，左侧粘性铜胶带，右侧粘性铜胶带，金属地，上侧T型槽，下侧T型槽，左侧微带馈线，右侧微带馈线；其中，开槽贴片天线设置在介质基板的上表面，柔性介质基板紧贴在介质基板的下表面，上侧T型槽和下侧T型槽对称设置在开槽贴片天线上，标签芯片的两端分别焊接在左侧微带馈线和右侧微带馈线的两开路端位置，左侧粘性铜胶带和右侧粘性铜胶带分别粘贴在柔性介质基板上表面的左右两侧，左侧粘性铜胶带的两端分别与开槽贴片天线的左端、金属地的左端短路相连，右侧粘性铜胶带的两端分别与开槽贴片天线的右端、金属地的右端短路相连，金属地由矩形粘性铜胶带粘贴在柔性介质基板下表面形成。
进一步的，所述的介质基板，其特征在于优选比较薄的聚四氟乙烯（FR4）材料，厚度为0.4 mm，标签使用过程中发生形变、时仍然可以保持天线频率的稳定性，同时使用比较薄的介质基板可以减少标签的体积和重量。
进一步的，所述的开槽贴片天线由矩形贴片挖去一对对称的T型槽构成；所述的T型槽由对应设置的上侧T型槽和下侧T型槽构成，上侧T型槽挖设于矩形贴片的上侧，下侧T型槽挖设于矩形贴片的下侧；所述上侧T型槽和所述下侧T型槽，对称设置在开槽贴片天线上，以开槽贴片天线的中心线呈轴对称。
进一步的，所述上侧T型槽和所述下侧T型槽是均由一节垂直于矩形贴片长边的窄槽和一节平行于矩形贴片长边的宽槽组成；窄槽和宽槽的尺寸与天线的谐振频率紧密相关，可以调节T型槽的窄槽和宽槽的尺寸参数来获得满足阻抗匹配以及所需的天线谐振频率。其中，增加T型槽的宽槽长度可以有效的使天线往低频方向调节谐振频率，增加T型槽的宽槽宽度可以使天线有效地往高频方向调节谐振频率，增加T型槽的窄槽宽度可以使天线有效地往高频方向调节谐振频率。
进一步的，所述的柔性介质基板，其特征在于利用柔性介质基板作为衬底使得整个标签能够承受较大的弯曲度。
进一步的，开槽贴片天线紧贴在柔性介质基板的上表面，使得标签在正常使用情况下，开槽贴片天线不会受到因标签弯折带来的影响，保持了标签天线的频率稳定性，符合穿戴式天线的基本要求；柔性介质基板优选的是柔性PVC材料，所述的柔性介质基板的材料不限于柔性PVC材料，可使用具有相似性能的其他类型材料。
进一步的，左侧粘性铜胶带和右侧粘性铜胶带分别粘贴在柔性介质基板上表面的左右两侧，左侧粘性铜胶带的两端分别与开槽贴片天线的左端、金属地的左端短路相连，右侧粘性铜胶带的两端分别与开槽贴片天线的右端、金属地的右端短路相连，左侧粘性铜胶带、右侧粘性铜胶带、金属地与开槽贴片天线短路相连之后共同构成一个开槽式腔体辐射器，由此产生的感抗可以有效的抵消标签芯片自身的容抗，有利于调节开槽贴片天线与标签芯片的共轭匹配。
进一步的，所述的左侧粘性铜胶带和右侧粘性铜胶带都是矩形，增加左侧粘性铜胶带和右侧粘性铜胶带的长度可以有效的降低标签天线的谐振频率。
进一步的，所述的金属地是由一片矩形粘性铜胶带粘贴在柔性介质基板的下表面构成，粘性铜胶带可以方便的粘贴在柔性介质基板的下表面形成金属化地，并且可以方便地与左侧粘性铜胶带、右侧粘性铜胶带的两端短路相连。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)体积小，结构简单，适用于可穿戴设备等应用场合；
2）利用柔性介质基板作为衬底使得整个标签能够承受较大的弯曲度，同时，开槽贴片天线使用的是硬质FR4介质基板，使得标签在正常使用情况下，不会受到因标签弯折带来的影响，很好地保持了标签的频率稳定性，符合穿戴式天线的基本要求；
3)可以通过设计T型槽的参数即可调节谐振频率以及有利于达到阻抗匹配；其四是本发明的柔性超高频RFID标签具有阅读距离远的优点，在自由空间的情况下标签最大阅读距离达到8 m，安置在人体手腕上时的最大阅读距离达到6.6 m。
附图说明
图1为本发明超高频RFID标签的横截面示意图。
图2为本发明超高频RFID标签的平面结构示意图。
图3为本发明超高频RFID标签的三维结构示意图。
图4为本发明超高频RFID标签贴在手腕模型上的示意图。
图5为本发明超高频RFID标签的平面结构示意图
图6为本发明超高频RFID标签天线在自由空间以及贴在手腕上的仿真和测量回波损耗随频率变化的曲线。
图7为本发明超高频RFID标签天线的回波损耗随T型槽的宽槽长度Sl 变化的曲线。
图8为本发明超高频RFID标签天线的回波损耗随T型槽的宽槽宽度Sw变化的曲线。
图9为本发明超高频RFID标签天线的回波损耗随T型槽的窄槽宽度Sg变化的曲线。
图10为本发明超高频RFID标签天线的回波损耗随粘性铜胶带长度d变化的曲线。
图11为本发明超高频RFID标签天线平面型情况下的仿真辐射方向图。
图12为本发明超高频RFID标签天线贴在手腕模型上的仿真辐射方向图。
图13本发明超高频RFID标签天线贴在猪肉上的测试装置。
图14本发明超高频RFID标签天线测试装置示意图。
图15为本发明超高频RFID标签的测量最大读取距离。
图16为本发明超高频RFID标签天线在y-z平面的测量读取距离。
具体实施方式
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左端”、“右端”“上表面”、“下表面”、“左侧”、“右侧” 、“上侧”、“下侧”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不能认定为所指示的元件或者装置是特定的方位。
本发明的描述中，所给出的结构尺寸为优选参数，参照本发明的实施例，修改各个部件的参数可以进一步得到实际所需的性能。
实施例1：
参照图1-图5，本发明柔性超高频RFID标签由以下各个部分组成：介质基板1、开槽贴片天线2、柔性介质基板3、标签芯片4、左侧粘性铜胶带5、右侧粘性铜胶带6、金属地7、上侧T型槽8、下侧T型槽9、左侧微带馈线10、右侧微带馈线11；其中，开槽贴片天线2在介质基板1的上表面，柔性介质基板3紧贴在介质基板1的下表面，上侧T型槽8和下侧T型槽9对称设置在开槽贴片天线2上，标签芯片4的两端分别焊接在左侧微带馈线10和右侧微带馈线11的两开路端位置，左侧粘性铜胶带5和右侧粘性铜胶带6分别粘贴在柔性介质基板3上表面的左右两侧，左侧粘性铜胶带5的两端分别与开槽贴片天线2的左端、金属地7的左端短路相连，右侧粘性铜胶带6的两端分别与开槽贴片天线2的右端、金属地7的右端短路相连，金属地7是由矩形粘性铜胶带粘贴在柔性介质基板3的下表面形成。
介质基板1，优选比较薄的聚四氟乙烯（FR4）材料，厚度为0.4 mm，其优点在于标签使用过程中发生形变（如：弯折、挤压等。）时仍然可以保持天线频率的稳定性，同时使用比较薄的介质基板可以减少标签的体积和重量。图6所示是本发明超高频RFID标签天线在自由空间以及戴在手腕上的仿真和测量回波损耗随频率变化的曲线，可以看出本超高频RFID标签天线在自由空间和戴在手腕上时，在中心频率 915 MHz附近仍然保持稳定的工作带宽。
介质基板1的材料类型不限于聚四氟乙烯（FR4）材料，可利用具有相似性能的其他类型材料。
开槽贴片天线2，由介质基板1，上侧T型槽8，下侧T型槽9，左侧微带馈线10，右侧微带馈线11共同组成，其中，T型槽8位于开槽贴片天线2的上侧，T型槽9位于开槽贴片天线2的下侧，所述T型槽是由一节垂直于矩形贴片长边的窄槽以及平行于矩形贴片长边的宽槽组成，所述T型槽的窄槽和宽槽的尺寸与天线的谐振频率紧密相关，可以调节T型槽的窄槽和宽槽的尺寸参数来获得满足阻抗匹配以及所需的天线谐振频率。参照图5所示，所述T型槽的宽槽长度设置为Sl、宽槽宽度设置为Sw、窄槽宽度设置为Sg；图7为本发明超高频RFID标签天线的回波损耗随T型槽的宽槽长度Sl 变化的曲线，可以看出天线的谐振频率随着宽槽长度Sl增大而降低，证明了宽槽长度Sl可以有效地使天线往低频方向调节谐振频率。图8为本发明超高频RFID标签天线的回波损耗随T型槽的宽槽宽度Sw变化的曲线，可以看出天线的谐振频率随着宽槽宽度Sw增大而升高，证明了宽槽宽度Sw可以有效地使天线往高频方向调节谐振频率。图9为本发明超高频RFID标签天线的回波损耗随T型槽的窄槽宽度Sg变化的曲线，可以看出天线的谐振频率随着窄槽宽度Sg增大而升高，证明了窄槽宽度Sg可以有效地使天线往高频方向调节谐振频率。
柔性介质基板3，利用柔性介质基板3作为衬底使得整个标签能够承受较大的弯曲度。进一步地，开槽贴片天线2紧贴在柔性介质基板3的上表面，使得标签在正常使用情况下，开槽贴片天线2不会受到因标签弯折带来的影响，保持了标签的频率稳定性，符合穿戴式天线的基本要求。进一步地，柔性介质基板3优选的是柔性PVC材料，厚度为1.2 mm，介电常数为2.75。所述的柔性介质基板3的材料不限于柔性PVC材料，可利用具有相似性能的其他类型材料。
标签芯片4，其所选标签芯片名称为Alien Higgs 4, 封装形式为SOT232package, 阻抗值为8 ̶ j142 Ω。
金属地7是由一片矩形粘性铜胶带粘贴在柔性介质基板3的下表面构成，，粘性铜胶带可以方便的粘贴在柔性介质基板3的下表面形成金属化地，并且可以方便地与左侧粘性铜胶带5、右侧粘性铜胶带6的两端短路相连，形成开放式金属腔。
微带馈线共有两根，分为左侧微带馈线10和右侧微带馈线11，，两根微带馈线共同把将T-型槽8和T-型槽9隔开，左侧微带馈线10和右侧微带馈线11的两开路端分别用来焊接标签芯片，值得注意的是，左侧微带馈线10和右侧微带馈线11的宽度要兼顾所选标签芯片的封装尺寸来决定。
在本实施例中，开槽贴片天线2，左侧粘性铜胶带5，右侧粘性铜胶带6，金属地7通过短路焊接，构成开槽式腔体辐射器。
在本实施例中，将金属地7与柔性介质基板3上表面的左侧粘性铜胶带5、右侧粘性铜胶带6短路相连所得到的感抗，可以有效的抵消标签芯片自身的容抗。
本实施例中，左侧粘性铜胶带10和右侧粘性铜胶带11均为矩形，其长度值的大小可以有效的影响标签天线的谐振频率，参照图5所示，左侧粘性铜胶带10和右侧粘性铜胶带11的长度设置为d，图10为本发明超高频RFID标签天线的回波损耗随粘性铜胶带长度d变化的曲线，由图可以看出，增加d的值可以有效地降低标签天线的谐振频率。
实施例2：
为了证明本柔性超高频RFID标签的优异性能，对该标签天线的辐射方向图进行了仿真，以及对标签的阅读距离进行了实际测量，其结果参照图11-图14。
在本实施例中，首先对图3和图4所示的两种情况进行标签天线辐射方向图的仿真，其中，图3所示是没有弯折即平面型的标签天线，图4所示是标签天线贴在手腕模型上，在仿真时，手腕模型近似为一个圆柱体，从外到内，分别是皮肤，脂肪，肌肉，骨络。图11展示了本发明超高频RFID标签天线平面型情况下的归一化仿真辐射方向图，从图11可以看出，标签天线在x-z平面具有很好的全向性，在y-z所在平面具有很好的侧向（指向±z方向）辐射性能，最后，在x-y所在平面，标签天线具有明显的双向辐射性能。图12展示了本发明超高频RFID标签天线贴在手腕模型上的归一化仿真辐射方向图。由图12可以看出，x-z和y-z所在平面的-z方向的信号强度比+z方向的下降约5-6 dB，这是由于人体手腕吸收了部分往手腕方向传播的电磁波造成的，同时，由于人手手腕的效应，在+z方向的信号峰值也从-4.62dBi 降低到了-6.87 dBi。
在本实施例中，为了准确测量本柔性超高频RFID标签的最大阅读距离，采用商业测试工具“Voyantic Tagformance Pro”进行了两次一体化测试。第一次测试，如图13所示，使用一块新鲜的猪肉代***手腕，这是由于新鲜猪肉易于获得并且它的电特性与真实的人体手腕非常相似。图14展示了测量的装置示意图，使用一个增益为7.2 dBi的标准线性水平极化天线作为发射天线，其输入功率低于0.5W (27 dBm)，在本次测量中天线的有效全向辐射功率为2.63 W (34.2 dBm)；第二次测试，使用与第一次相同的装置，区别在于测试过程中不使用新鲜猪肉，仅仅测量平面型标签天线。图15展示了平面型标签天线在没有贴在猪肉上以及贴在猪肉上的最大读取距离随频率变化的曲线，从图中可以看出，在900-930MHz频率范围内，标签的阅读距离在6.6-8.0 m范围之间。图16展示了在915 MHz频率下平面型标签天线在没有贴在猪肉上以及贴在猪肉上的方向平面图（y-z平面），从图中可以看出，平面型标签天线在没有贴在猪肉上即在自由空间情况下，在+z方向达到最大的阅读距离为8 m，在侧向最小阅读距离为2.2 m，在标签天线贴在猪肉的情况下，标签所能达到的最远阅读距离为7.18 m，最小为2 m。本实施例证明了本柔性超高频RFID标签的具有阅读距离远、方向性好的优异性能。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种远程医疗监护***用超高频RFID标签，其特征在于：包括介质基板，开槽贴片天线，柔性介质基板，标签芯片，左侧粘性铜胶带，右侧粘性铜胶带，金属地，上侧T型槽，下侧T型槽，左侧微带馈线，右侧微带馈线；其中，开槽贴片天线设置在介质基板的上表面，柔性介质基板紧贴在介质基板的下表面，上侧T型槽和下侧T型槽对称设置在开槽贴片天线上，标签芯片的两端分别焊接在左侧微带馈线和右侧微带馈线的两开路端位置，左侧粘性铜胶带和右侧粘性铜胶带分别粘贴在柔性介质基板上表面的左右两侧，左侧粘性铜胶带的两端分别与开槽贴片天线的左端、金属地的左端短路相连，右侧粘性铜胶带的两端分别与开槽贴片天线的右端、金属地的右端短路相连，金属地由矩形粘性铜胶带粘贴在柔性介质基板下表面形成。
2.根据权利要求1所述的一种远程医疗监护***用超高频RFID标签，其特征在于：所述的介质基板，其特征在于优选比较薄的聚四氟乙烯(FR4)材料，厚度为0.4mm，标签使用过程中发生形变、时仍然可以保持天线频率的稳定性，同时使用比较薄的介质基板可以减少标签的体积和重量。
3.根据权利要求2所述的一种远程医疗监护***用超高频RFID标签，其特征在于：所述的开槽贴片天线由矩形贴片挖去一对对称的T型槽构成；所述的T型槽由对应设置的上侧T型槽和下侧T型槽构成，上侧T型槽挖设于矩形贴片的上侧，下侧T型槽挖设于矩形贴片的下侧；所述上侧T型槽和所述下侧T型槽，对称设置在开槽贴片天线上，以开槽贴片天线的中心线呈轴对称。
4.根据权利要求3所述的一种远程医疗监护***用超高频RFID标签，其特征在于：所述上侧T型槽和所述下侧T型槽是均由一节垂直于矩形贴片长边的窄槽和一节平行于矩形贴片长边的宽槽组成；窄槽和宽槽的尺寸与天线的谐振频率紧密相关，可以调节T型槽的窄槽和宽槽的尺寸参数来获得满足阻抗匹配以及所需的天线谐振频率；其中，增加T型槽的宽槽长度可以有效的使天线往低频方向调节谐振频率，增加T型槽的宽槽宽度可以使天线有效地往高频方向调节谐振频率，增加T型槽的窄槽宽度可以使天线有效地往高频方向调节谐振频率。
5.根据权利要求4所述的一种远程医疗监护***用超高频RFID标签，其特征在于：所述的柔性介质基板，其特征在于利用柔性介质基板作为衬底使得整个标签能够承受较大的弯曲度。
6.根据权利要求5所述的一种远程医疗监护***用超高频RFID标签，其特征在于：开槽贴片天线紧贴在柔性介质基板的上表面，使得标签在正常使用情况下，开槽贴片天线不会受到因标签弯折带来的影响，保持了标签天线的频率稳定性，符合穿戴式天线的基本要求；柔性介质基板优选的是柔性PVC材料，所述的柔性介质基板的材料不限于柔性PVC材料，可使用具有相似性能的其他类型材料。
7.根据权利要求6所述的一种远程医疗监护***用超高频RFID标签，其特征在于：左侧粘性铜胶带和右侧粘性铜胶带分别粘贴在柔性介质基板上表面的左右两侧，左侧粘性铜胶带的两端分别与开槽贴片天线的左端、金属地的左端短路相连，右侧粘性铜胶带的两端分别与开槽贴片天线的右端、金属地的右端短路相连，左侧粘性铜胶带、右侧粘性铜胶带、金属地与开槽贴片天线短路相连之后共同构成一个开槽式腔体辐射器，由此产生的感抗可以有效的抵消标签芯片自身的容抗，有利于调节开槽贴片天线与标签芯片的共轭匹配。
8.根据权利要求7所述的一种远程医疗监护***用超高频RFID标签，其特征在于：所述的左侧粘性铜胶带和右侧粘性铜胶带都是矩形，增加左侧粘性铜胶带和右侧粘性铜胶带的长度可以有效的降低标签天线的谐振频率。
9.根据权利要求8所述的一种远程医疗监护***用超高频RFID标签，其特征在于：所述的金属地是由一片矩形粘性铜胶带粘贴在柔性介质基板的下表面构成，粘性铜胶带可以方便的粘贴在柔性介质基板的下表面形成金属化地，并且可以方便地与左侧粘性铜胶带、右侧粘性铜胶带的两端短路相连。
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