CN112151935A - 一种液体不敏感超高频rfid柔性标签天线 - Google Patents

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张祎明
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Abstract

本发明涉及一种液体不敏感超高频RFID柔性标签天线，其包括折叠偶极子臂、多环路匹配结构、射频识别芯片以及柔性介质基板。所述折叠偶极子臂与多环路匹配结构通过机械雕刻覆铜的柔性介质基板形成，在中心放置射频识别芯片。由于多环路匹配结构的阻抗调节作用，使得标签天线在空气中与射频芯片的阻抗匹配良好，并且在液体表面上工作时阻抗失配的程度也大大减小。此外，调节偶极子臂可以显著的提升标签天线具有较高的增益，使得其阅读距离在空气中以及液体表面分别可以达到8米和5.6米。本发明专利成本低、易于制造，解决了传统RFID标签天线不能工作于液体表面的难题。同时，柔性介质基板可以使标签天线与任意瓶体或者罐体进行共形，使其能够方便的与被识别物体进行配套。

Description

一种液体不敏感超高频RFID柔性标签天线
技术领域
本发明涉及无线射频识别技术领域，具体地说，涉及一种液体不敏感超高频RFID柔性标签天线。
背景技术
射频识别即RFID（Radio Frequency Identification）技术是一种通过无线电讯号对特定物体内的存储芯片进行读写，而无需在识别***与特定物体中建立机械或者光学接触的技术。由于RFID***在读写的过程中具有穿透性强、可多次读写、数据的记忆容量大，无源标签成本低，体积小，使用方便，可靠性和寿命高等优点，在仓储，物流等方面获得了广泛的应用。常见的无源RFID频段有高频（HF:13.56MHz）以及超高频（UHF:860-960MHz）,由于超高频的RFID识别***具有更远的阅读距离，因此超高频是目前RFID技术使用的主流频段。
RFID标签天线作为射频识别***中重要的组件，其性能的好坏决定着整个识别***的阅读能力。然而，随着RFID应用环境的多样化，其自身也暴露出一定短板。诸如当RFID标签天线在贴附于装有液体的瓶体外，由于液体的作用会使标签天线自身的阻抗值发生改变，从而使其与射频芯片的阻抗值不匹配。通常，标签天线在设计过程中需要将阻抗值与射频芯片的阻抗值达到共轭匹配，以实现能量传输的最大化。而当标签天线与射频芯片的阻抗发生失配的情况时，标签天线辐射的能量过低甚至天线本身根本无法谐振，即发生了标签天线无法被***读取的情况。因此，设计一款能够同时在液体环境中与空气环境中工作良好的超高频RIFD标签天线一直是RFID***中重点研究的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是如何使超高频RFID标签天线同时在液体表面与空气中保持良好的工作性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种工作于超高频频段，在空气与液体表面均工作良好的RFID柔性标签天线。所采用的技术方案是：一种偶极子标签天线，包括折叠偶极子臂、多环路匹配结构、柔性介质基板、射频识别芯片。折叠偶极子臂与多环路匹配结构均为铜质导体相互连接，其覆于柔性介质基板上方，中心连接射频识别芯片。
所述的折叠偶极子臂应分为左折叠偶极子臂和右折叠偶极子，且左右折叠偶极子臂的长度相同。
所述的折叠偶极子臂的长度总和应为工作频段所对应的频率的四分之一。
所述的多环路匹配结构每一环的线宽由内到外应依次递增，以第一环路为最宽。
优选的，所述的多环路匹配结构至少应有两个，以三环路匹配结构为最佳。
优选的，所述的柔性介质基板可由其他类型的柔性基板所替代，以聚酰亚胺材质的柔性介质基板为最优。
本发明的有益效果：本发明采用了多环路匹配结构使标签天线对外界的环境改变而引起的阻抗值的变化程度大大减小，可以在空气以及液体表面工作良好。
本发明采用折叠偶极子臂作为标签天线的辐射体，在显著减小了标签天线尺寸的同时保持了较高的增益，可以使其在915MHz频率下在空气和液体表面的最大读取距离分别为8m和5.6m。
附图说明
图1是本发明的结构及工作示意图；
图2是本发明的阻抗带宽图；
图3是本发明在915MHz时工作于液体表面上的增益方向图；
图4是本发明在915MHz时工作于空气中的增益方向图；
图1至图4中的附图标记说明：1-折叠偶极子臂；11-左折叠偶极子臂；12-右折叠偶极子臂；2-多环路匹配结构；21-第一环路匹配结构；22-第二环路匹配结构；23-第三环路匹配结构；3-射频识别芯片；4-柔性介质基板。
具体实施方式
下面结合附图，具体实施方式对本发明做进一步的详细说明，并不是把本发明的实施范围限制于此。
如图1所示，本发明公开了一种液体不敏感超高频RFID柔性标签天线，包括：1-折叠偶极子臂；11-左折叠偶极子臂；12-右折叠偶极子臂；2-多环路匹配结构；21-第一环路匹配结构；22-第二环路匹配结构；23-第三环路匹配结构；3-射频识别芯片；4-柔性介质基板。标签天线顶层由机械雕刻覆铜介质基板形成折叠偶极子臂以及多环路匹配结构，折叠偶极子臂为标签天线提供辐射体，折叠偶极子臂为标签天线与射频识别芯片提供匹配电路。射频识别芯片通过熔融焊锡将引脚与标签天线连接，用以读写数据。标签天线底层为柔性聚酰亚胺介质基板，此处统称为柔性介质基板或介质基板，本领域技术人员应可理解，制造商可能会将同一组件不加以区分。
进一步的，为了提升标签天线的阻抗带宽以及减小外界环境对标签天线阻抗值的影响，可以通过增加匹配环路方式实现此目的。由于越靠近外层的匹配环路具有更大的电长度即电感量，因而越靠近外侧的匹配环路具有更窄的线宽即更小的电容量。为了保证加工时有一定的加工余量并且减小标签天线的尺寸，匹配环路的个数以三组为最优，同时其线宽值应控制在0.2mm~0.5mm内。
进一步的，折叠偶极子臂的总长度应约为22mm，为了保证标签天线的增益同时减小其体积，相邻弯折的臂之间的距离应在2mm以上。
图2为本发明功率反射系数
Figure DEST_PATH_IMAGE002
图。标签天线的工作带宽可以等同的表示为功率波反射系数小于-6 dB部分的带宽。在已知射频识别芯片的输入阻抗值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
以及标签天线的输入阻抗值
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，可以通过公式计算出功率反射系数的值，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE008
代表标签天线输入阻抗值的共轭。计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
通过数值计算，实施例所能工作的带宽为863 MHz至963 MHz，覆盖了超高频射频识别的工作频段。
图3为本发明的增益方向图。通过仿真实验，标签天线在
Figure DEST_PATH_IMAGE012
以及
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，即在正对标签天线的方向上的实际增益值可以达到-5.6 dBi。
在RFID***中，在已知阅读器天线与标签天线之间的极化失配因子
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，标签天线的实际增益
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，标签天线的等效全向辐射功率EIPR，射频识别芯片的唤醒功率
Figure DEST_PATH_IMAGE020
以及标签天线在工作频率时所对应的波长，便可计算出标签天线所能被读取到的最大距离
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。其中假定没有出现极化失配的情况，即极化失配因子为1，等效全向辐射功率在中国地区被标定为4 W, 射频识别芯片的唤醒功率为-20 dBm。计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
本发明经过测试，在915MHz工作频率下，本实施例的阅读距离可以在含有液体的瓶体表面达到5.6m，在空气环境中达到8m以上，均符合理论预期。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所说仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种液体不敏感超高频RFID柔性标签天线，包括折叠偶极子臂、多环路匹配结构、射频识别芯片以及柔性介质基板；所述折叠偶极子臂与多环路匹配结构为相互连接的铜质导体，并覆于柔性介质基板上方，中心置有射频识别芯片；
所述的多环路匹配结构至少包括一个匹配环路，且该环路的谐振频率应与标签天线的工作频率相同；
所述柔性介质基板需使用单面金属覆层，除辐射金属片以外不能再有其他金属材料；
所述柔性介质基板应对其性质，诸如：厚度、介电常数、正切损耗角有严格的控制。
2.根据权利要求1所述的液体超高频RFID柔性不敏感标签天线，其特征在于：所述的标签天线的工作频带应位于超高频(UHF Band)即860~960MHz中。
3.根据权利要求1所述的液体超高频RFID柔性不敏感标签天线，其特征在于：折叠偶极子臂的总长度应为工作频率所对应波长的四分之一。
4.根据权利要求1所述的液体超高频RFID柔性不敏感标签天线，其特征在于：所述的多环路匹配结构的每一个环路的谐振频率均应与标签天线的工作频率相同。
5.根据权利要求1所述的液体超高频RFID柔性不敏感标签天线，其特征在于：射频识别芯片为一二端口器件，且端口之间的距离大于1mm。
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