CN114665259A - 一种适用于金属液体互耦环境下的超宽频带标签天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于金属液体互耦环境下的超宽频带标签天线，属于射频识别电子标签技术领域。包括天线导体结构和标签芯片；天线导体结构由弯折双L型臂、双T匹配网络和中心螺旋偶极子构成平面结构，为一个对称的类偶极子；双T匹配网络包括第一上馈线、第一下馈线、第二上馈线和第二下馈线；弯折双L型臂包括馈线第一连接馈线、左臂外馈线和右臂外馈线；中心螺旋偶极子包括第二连接馈线、左臂内馈线和右臂内馈线。本发明在自由环境时，‑3dB带宽为550MHz‑1300MHz，实现覆盖840‑960MHz超高频段，且在工作频率915MHz时，具有11‑j143Ω的输入阻抗；在915MHz处的回波损耗为‑47.3dB。

Description

一种适用于金属液体互耦环境下的超宽频带标签天线
技术领域
本发明属于射频识别技术领域，具体涉及工作在超高频段适用于金属、液体、互耦环境的标签天线。
背景技术
射频识别（RFID）***基于电磁波反向散射原理的无线传输***，相对于传统的条形码技术，射频识别（RFID）具有识别距离远、读取速度快、识别过程无需“可视化”条件以及人工参与等众多优势，其最大的优势是RFID的标签具有重复读写功能，其芯片容纳数据能力强，能够克服传统识别技术中的“可视化”、近距离等诸多缺点。不过在RFID技术快速发展的过程中，在展现其众多优势的同时，其弊端也是我们不可忽视的，这些弊端阻碍了这项技术的发展，是目前这项技术广泛推广的巨大障碍，由于电磁波通信的复杂性，标签之间的相互影响，外在环境如金属、液体等对波对标签自身的影响，严重的降低标签数据的无误可靠性，解决这些问题，是接下来这项技术发展的关键。
在RFID标签的实际使用中，往往是同时使用多个标签，其应用环境或金属、或液体或其他，当标签临近这些介质时，这些介质的非线性干扰和互耦分布标签间的耦合效应同时作用于RFID***，导致***性能显著变化。近年来，对标签在不同环境中的应用研究颇多，如标签在金属中的应用，在液体中的应用以及多标签环境中的应用，先前的研究多数以单一环境的影响出发，对于普遍适用于金属、液体、互耦环境下的标签研究较少。
其次，对于自由环境中，各个国家对超高频段定义范围不同，每个国家都有自己的频率分配。例如，中国的超高频频段为840-845MHz、920-925MHz，欧洲的为866-869MHz，北美和南美为902-928MHz，日本为950-956MHz。目前研究的标签主要以915MHz为中心频段，主要频率覆盖范围是北美和南美的902-928MHz，无法覆盖全球840-960MHz超高频段。有鉴于此，有必要提出一种新型的适用于金属、液体、互耦环境下的标签天线。
发明内容
为了解决天线适用性问题，使天线能够在多种工作环境正常适用，本发明提供一种适用于金属液体互耦环境下的超宽频带标签天线。
一种适用于金属液体互耦环境下的超宽频带标签天线包括天线导体结构和标签芯片11；所述天线导体结构由弯折双L型臂、双T匹配网络和中心螺旋偶极子构成平面结构，为一个对称的类偶极子；
所述双T匹配网络包括第一上馈线1、第一下馈线2、第二上馈线3和第二下馈线4；第一下馈线2的一端固定连接着第一上馈线1的中部构成T形结构；第二下馈线4的一端固定连接着第二上馈线3的中部构成T形结构；第一下馈线2的另一端和第二下馈线4的另一端之间连接着标签芯片11，构成两个闭合环；
弯折双L型臂包括馈线第一连接馈线5、左臂外馈线7和右臂外馈线10；第一连接馈线5的两端分别连接着左臂外馈线7的一端和右臂外馈线10的一端，左臂外馈线7和右臂外馈线10对称形成门字形结构；左臂外馈线7上开设有开口的L型槽，右臂外馈线10上开设有开口的L型槽；所述L型槽使左臂外馈线7和右臂外馈线10分别形成两根粗细不一的长馈线，增加了开路线的长度；左臂外馈线7的L型槽的开口端与右臂外馈线10的L型槽的开口端相对应；
中心螺旋偶极子包括第二连接馈线6、左臂内馈线8和右臂内馈线9；所述左臂内馈线8和右臂内馈线9结构相同，方向相反；所述左臂内馈线8包括口字型馈线，口字型馈线的一侧边连接着L型馈线，口字型馈线中相对应的另一侧边连接着短馈线；所述右臂内馈线9包括口字型馈线，口字型馈线的一侧边连接着L型馈线，口字型馈线中相对应的另一侧边连接着短馈线；所述第二连接馈线6的两端分别连接着左臂内馈线8的L型馈线和右臂内馈线9的L型馈线；
所述第一连接馈线5和第二连接馈线6平行；所述第一上馈线1的两端分别连接着第一连接馈线5和第二连接馈线6；所述第二上馈线3的两端分别连接着第一连接馈线5和第二连接馈线6；
所述超宽频带标签天线在自由环境时，-3dB带宽为550MHz-1300MHz，实现覆盖840-960MHz超高频段，且在工作频率915MHz时，具有11-j143Ω的输入阻抗；在915MHz处的回波损耗为-47.3dB。
进一步地技术方案如下：
所述芯片11为射频识别芯片，型号为Monza4。
所述天线导体结构材料为铜，厚度为0.2mm。
本发明相对于现有技术具有的有益技术效果体现在以下方面：
（1）本发明的超宽频带标签天线在自由环境时-3dB带宽为550MHz-1300MHz，良好覆盖世界840-960MHz超高频段，且在915MHz处的回波损耗为-47.3dB。
（2）本发明利用自身中心螺旋偶极子环形结构在超宽频带标签天线表面形成环流、增加超宽频带标签天线环境适应性、减少金属对超宽频带标签天线性能影响；利用弯折双L型臂，在不增加天线尺寸的情况下增加超宽频带标签天线馈线长度，增加超宽频带标签天线阻抗的调节范围；利用双T匹配网络中两个类“口”字形闭合环的结构，通过调节上下“口”字大小，在不改变天线尺寸的情况下实现方便调节超宽频带标签天线阻抗，稳定超宽频带标签天线中心频段处阻抗，增加天线带宽，由此减弱了不同环境对标签频偏的影响，提高超宽频带标签天线在不同环境下的适用性；从而使本发明超宽频带标签天线具有超宽频带，从而增加超宽频带标签天线在互耦条件以及液体环境的适用性。
（3）本发明的超宽频带标签天线经过测试表明，在金属环境、液体环境、以及标签互耦环境下，标签在中心频点处的传输系数均大于0.8，在自由环境中，中心频点的传输系数基本为1。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为图1的俯视结构图。
图3为本发明超宽频带标签天线的辐射贴片长度、宽度尺寸标注图。
图4为本发明超宽频带标签天线在自由环境下的功率反射函数图（S11）。
图5为本发明超宽频带标签天线的阻抗曲线图，图中实线表示电阻，虚线表示电抗。
图6为本发明超宽频带标签天线的EH平面图。
图7为本发明超宽频带标签天线的三维方向增益图。
图8为本发明超宽频带标签天线在金属环境中的仿真模型。
图9为本发明超宽频带标签天线在液体环境中的仿真模型。
图10为本发明超宽频带标签天线在互耦环境中的仿真模型。
图11为本发明超宽频带标签天线在多种工作环境中的回波损耗图。
图12为本发明超宽频带标签天线在多种工作环境环境中的阻抗图。
图13为同类型偶极子标签Alien-9640在多种工作环境中的功率传输系数图。
图14.为本发明超宽带标签天线在多种工作环境中的功率传输系数图。
图1和图2中序号：第一上馈线1、第一下馈线2、第二上馈线3、第二下馈线4、第一连接馈线5、第二连接馈线6、左臂外馈线7、左臂内馈线8、右臂内馈线9、右臂外馈线10、芯片11、L型槽12。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，一种适用于金属液体互耦环境下的超宽频带标签天线包括天线导体结构和标签芯片11。天线导体结构为平面结构，包括弯折双L型臂、双T匹配网络和中心螺旋偶极子，为一个对称的类偶极子。天线导体结构材料为铜，厚度为0.2mm。芯片11为射频识别芯片，型号为Monza4。
参见图2，双T匹配网络包括第一上馈线1、第一下馈线2、第二上馈线3和第二下馈线4。第一下馈线2的一端固定连接着第一上馈线1的中部构成T形结构；第二下馈线4的一端固定连接着第二上馈线3的中部构成T形结构；第一下馈线2的另一端和第二下馈线4的另一端之间连接着标签芯片11，构成两个闭合环。
参见图2，弯折双L型臂包括馈线第一连接馈线5、左臂外馈线7和右臂外馈线10。第一连接馈线5的两端分别连接着左臂外馈线7的一端和右臂外馈线10的一端，左臂外馈线7和右臂外馈线10对称形成门字形结构。左臂外馈线7上开设有开口的L型槽12，右臂外馈线10上开设有开口的L型槽12；所述L型槽12使左臂外馈线7和右臂外馈线10分别形成两根粗细不一的长馈线，增加了开路线的长度；左臂外馈线7的L型槽的开口端与右臂外馈线10的L型槽的开口端相对应。
参见图2，中心螺旋偶极子包括第二连接馈线6、左臂内馈线8和右臂内馈线9。左臂内馈线8和右臂内馈线9结构相同，方向相反。左臂内馈线8包括口字型馈线，口字型馈线的一侧边连接着L型馈线，口字型馈线中相对应的另一侧边连接着短馈线；右臂内馈线9包括口字型馈线，口字型馈线的一侧边连接着L型馈线，口字型馈线中相对应的另一侧边连接着短馈线；第二连接馈线6的两端分别连接着左臂内馈线8的L型馈线和右臂内馈线9的L型馈线。
参见图2，第一连接馈线5和第二连接馈线6平行。第一上馈线1的两端分别连接着第一连接馈线5和第二连接馈线6；第二上馈线3的两端分别连接着第一连接馈线5和第二连接馈线6。
参见图3，超宽频带标签天线的整体尺寸为L1*W1为76mm*29mm，馈线中其他尺寸如下。双T匹配网络中，第一上馈线1、第二上馈线3的上长W5=16mm、下长W6=5mm、宽W3=1.2mm，第一下馈线2、第二下馈线4的总长L4=22mm；双折叠L型臂中，第一连接馈线长L1=76mm，左臂外馈线7、右臂外馈线10的尺寸为W1=29mm、W2=19mm、W4=5.2mm、L2=15.4mm、L8=6mm、L9=2.4mm；中心螺旋结构中，第二连接馈线6长为L6=56mm，左臂内馈线8、右臂内馈线9的尺寸为W7=10mm、W8=4mm、L3=14mm、L5=11.6mm、L7=3.2mm。
下面使用电磁暂态仿真软件HFSS分别测试本发明超宽频带标签天线在自由、金属、液体、互耦环境下的工作性能。环境参数设置在下文中会给出具体描述。
当本发明超宽频带标签天线工作在自由环境下，即超宽频带标签天线单独处于自由空间之内，其中自由空间是指相对介电常数与相对磁导率均为1的均匀介质所存在的空间，空间中没有其他干扰源。实验中通过定义辐射边界条件，辐射边界将会吸收整个射频识别***的电磁波，本质上可以把辐射边界看成是延伸到空间无限远处，在HFSS中设置了辐射边界条件后，软件会自动模拟本发明超宽频带标签天线处于自由空间下的辐射场。通过调节弯折双L型臂、双T匹配网络和螺旋偶极子结构来调节天线的阻抗和谐振频率，本发明超宽频带标签天线在自由环境下的回波损耗曲线如图4所示，从图4中可以看出，天线的谐振频率为915MHz、在此频率下的回波损耗为-47.3dB，该天线的-3dB带宽为550MHz-1300MHz，具有超宽频带特性。本发明超宽频带标签天线在自由环境下的的阻抗曲线如图5所示，其中实线为天线阻抗实部，虚线为天线阻抗虚部，从图5可以看出在915MHz处天线的阻抗为10.7+j141.8Ω，和标签芯片Monza4完美匹配，并且天线阻抗在整个中心频段处均呈现稳定状态。图6为本发明超宽频带标签天线在自由环境下的EH平面辐射仿真图，其中外线为915MHz时E面主射方向theta(θ)=0的仿真辐射图，内线为915MHz时H面主射方向theta(θ)=90的仿真辐射图；图7为本发明超宽频带标签天线在自由环境下、工作频率为915MHz时的三维方向增益图。从图6、7可以看出，在915MHz工作频率处时天线取得的最大增益为0.88dBi，达到了设计要求。
当本发明超宽频带标签天线工作在金属环境下，即超宽频带标签天线临近空间存在金属干扰。当超宽频带标签天线工作环境存在金属介质，金属表面会反射电磁波，从而影响超宽频带标签天线工作性能。如图8所示，在距离超宽频带标签天线40mm的位置设置金属片，模拟超宽频带标签天线处于金属环境，金属片大小为100mm*40mm。参见图11，本发明超宽频带标签天线在金属、液体、互耦环境中的回波损耗仿真图，其中虚线为金属环境下超宽频带标签天线的回波损耗曲线。从图11可以看出，当超宽频带标签天线工作在金属环境下时，标签谐振频段会从915MHz向高频略微偏移，且谐振频率处的回波损耗会从自由环境下的-47.3dB升高至-35dB左右。参见图12，超宽频带标签天线在金属、液体、互耦环境中的阻抗变化图，其中虚线为金属环境下超宽频带标签天线的阻抗变化曲线。可以看到在950MHz附近，金属环境下标签阻抗实部、虚部会大幅抬升，虽然金属环境下超宽频带标签天线阻抗的变化明显，但在中心频率915MHz附近仍能与芯片保持较高的阻抗匹配程度。整体来说，工作在金属环境下的超宽频带标签天线回波损耗仍在正常范围之内，其超宽频带带宽基本不变，能与芯片能保持较高的阻抗匹配程度，由此可以看出本发明超宽频带标签天线在金属环境中的适应性。
当本发明超宽频带标签天线工作在液体环境下，即超宽频带标签天线临近空间存在液体干扰，当超宽频带标签天线工作环境存在液体介质，液体表面会吸收电磁波，从而影响超宽频带标签天线工作性能。如图9所示，在距离超宽频带标签天线40mm的位置设置矩形液体，模拟超宽频带标签天线处于液体环境，液体尺寸为100mm*40mm*5mm。参见图11，本发明超宽频带标签天线在金属、液体、互耦环境中的回波损耗仿真图，其中点线为液体环境下超宽频带标签天线的回波损耗曲线。从图11可以看出，当超宽频带标签天线工作在液体环境下时，标签谐振频段会从915MHz向低频偏移至850MHz附近，且谐振频率处的回波损耗会从自由环境下的-47.3dB下降至-27.5dB左右。参见图12，超宽频带标签天线在金属、液体、互耦环境中的阻抗变化图，其中点线为液体环境下超宽频带标签天线的阻抗变化曲线。可以看到液体环境下标签天线阻抗虚部、实部都会发生减小且峰值随频率偏移，但在中心频率处仍可以与标签芯片Monza4保持较好的阻抗匹配。整体来说，工作在液体环境下的超宽频带标签天线回波损耗比自由环境下更好，超宽频带标签天线的-10dB工作带宽基本不变，与芯片阻抗匹配程度较高，由此可以看出本发明超宽频带标签天线在液体环境中的适应性。
当本发明超宽频带标签天线工作在互耦环境下，即超宽频带标签天线临近空间存在互耦干扰，互耦干扰导致阵列天线单元间耦合能量的矢量和随扫描角变化，在特定频率和方向上可能产生较大的功率反射。如图10所示，用同型号的两个超宽频带第一天线、第二天线，模拟标签天线处于互耦环境，其中两个天线的间距为40mm。参见图11，本发明超宽频带标签天线在金属、液体、互耦环境中的回波损耗仿真图，其中实线为互耦环境下超宽频带标签天线的回波损耗曲线。从图11可以看出，当超宽频带标签天线工作在互耦环境下时，超宽频带标签天线标签的谐振频率会向高频偏移至950MHz，但它可在870MHz-970MHz频段内保持-40dB以下的回波损耗，且谐振频率处的回波损耗会从自由环境下的-47.3dB降低至-57dB左右。参见图12，超宽频带标签天线在金属、液体、互耦环境中的阻抗变化图，其中实线为互耦环境下超宽频带标签天线的阻抗变化曲线。可以看到互耦环境下标签天线阻抗实部、虚部可在较宽频段内接近标签芯片的实部、虚部。整体来说，工作在互耦环境下的超宽频带标签天线回波损耗比自由环境下效果更好，超宽频带标签天线的-10dB工作带宽基本不变，和芯片阻抗匹配程度比自由环境下更高，由此可以看出本发明超宽频带标签天线在互耦环境中的适应性。
为了凸显本发明超宽频带标签天线在多种环境中的适应性，做了本发明超宽频带标签天线与同类型折叠偶极子标签Alien-9640性能对比实验。如图13、图14所示的实验结果可以明显看出，两种偶极子标签处于液体环境中时中心频段会向低频偏移且传输系数降低，天线与芯片匹配程度下降，Alien-9640标签传输系数整体低于0.7，而本发明超宽频带标签天线能够在中心频段附近维持0.8左右的传输系数。在金属与标签互耦环境中，Alien-9640标签会发生频偏与传输系数下降，与液体环境中情况相似。本发明超宽带标签天线在金属环境中时，中心频段会向高频偏移，但在中心频段附近传输系数能够维持在0.9以上甚至接近1，且在互耦环境中时，本发明超宽频带标签天线的功率传输系数能够在很宽的一段频带内接近1，标签性能比自由环境中还要出色。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于金属液体互耦环境下的超宽频带标签天线，其特征在于：包括天线导体结构和标签芯片（11）；所述天线导体结构由弯折双L型臂、双T匹配网络和中心螺旋偶极子构成平面结构，为一个对称的类偶极子；
所述双T匹配网络包括第一上馈线（1）、第一下馈线（2）、第二上馈线（3）和第二下馈线（4）；第一下馈线（2）的一端固定连接着第一上馈线（1）的中部构成T形结构；第二下馈线（4）的一端固定连接着第二上馈线（3）的中部构成T形结构；第一下馈线（2）的另一端和第二下馈线（4）的另一端之间连接着标签芯片（11），构成两个闭合环；
弯折双L型臂包括馈线第一连接馈线（5）、左臂外馈线（7）和右臂外馈线（10）；第一连接馈线（5）的两端分别连接着左臂外馈线（7）的一端和右臂外馈线（10）的一端，左臂外馈线（7）和右臂外馈线（10）对称形成门字形结构；左臂外馈线（7）上开设有开口的L型槽，右臂外馈线（10）上开设有开口的L型槽；所述L型槽使左臂外馈线（7）和右臂外馈线（10）分别形成两根粗细不一的长馈线，增加了开路线的长度；左臂外馈线（7）的L型槽的开口端与右臂外馈线（10）的L型槽的开口端相对应；
中心螺旋偶极子包括第二连接馈线（6）、左臂内馈线（8）和右臂内馈线（9）；所述左臂内馈线（8）和右臂内馈线（9）结构相同，方向相反；所述左臂内馈线（8）包括口字型馈线，口字型馈线的一侧边连接着L型馈线，口字型馈线中相对应的另一侧边连接着短馈线；所述右臂内馈线（9）包括口字型馈线，口字型馈线的一侧边连接着L型馈线，口字型馈线中相对应的另一侧边连接着短馈线；所述第二连接馈线（6）的两端分别连接着左臂内馈线（8）的L型馈线和右臂内馈线（9）的L型馈线；
所述第一连接馈线（5）和第二连接馈线（6）平行；所述第一上馈线（1）的两端分别连接着第一连接馈线（5）和第二连接馈线（6）；所述第二上馈线（3）的两端分别连接着第一连接馈线（5）和第二连接馈线（6）；
所述超宽频带标签天线在自由环境时，-3dB带宽为550MHz-1300MHz，实现覆盖840-960MHz超高频段，且在工作频率915MHz时，具有11-j143Ω的输入阻抗；在915MHz处的回波损耗为-47.3dB。
2.根据权利要求1所述一种适用于金属液体互耦环境下的超宽频带标签天线，其特征在于：所述芯片（11）为射频识别芯片，型号为Monza4。
3.根据权利要求1所述一种适用于金属液体互耦环境下的超宽频带标签天线，其特征在于：所述天线导体结构材料为铜，厚度为0.2mm。
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