CN101330170B - 超短间距准八木抗金属天线及利用该天线的电子标签 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种超短间距准八木抗金属天线，包括依次叠合而成的引向振子、第一介质板、有源振子、第二介质板、反射器；引向振子、有源振子为刻蚀有多折合振子图形的金属薄层；反射器为金属薄层。有源振子、引向振子以及反射器金属薄层相互平行；有源振子及引向振子错列分布，其法向中心轴线互不重合。本发明将金属物体存在时导致的干扰能量转化为可利用成分以增大RFID设备的读写距离；同时不存在EBG那样的复杂结构，而是采用了由简单的印刷电路方式即可实现的平面折合结构，制作方便；再则，采用的高频介质板也是国产化可大批量生产的产品，造价低廉。另外，本发明与传统八木天线相比，在保持高增益的同时，具备天线几何尺寸大幅缩小和抗金属性能。

Description

超短间距准八木抗金属天线及利用该天线的电子标签

技术领域

本发明属于无线通讯技术领域，涉及一种天线，尤其涉及一种超短间距准八木抗金属天线；与此同时，本发明还涉及利用该超短间距准八木抗金属天线制作的电子标签。

背景技术

八木天线系上世纪由日本人八木和宇田发明，由反射器、有源振子和引向振子组成。有源振子处于反射器与引向振子之间，有源振子指向引向振子的方向为天线的辐射方向，而有源振子指向反射器的方向与辐射方向相反。反射器长度比有源振子稍长，起向有源振子反射来波的作用。引向器可以有数个，每根长度均略短于有源振子。引向器越多，辐射方向越尖锐，增益越高，但随之而来的是体积和自重的增加，以及成本加大等问题。

现有的八木天线中，振子间距大致为0.25倍真空工作波长，振子长度一般为0.5倍真空工作波长。该天线广泛应用于无线通讯领域，但天线尺寸在现代无线通讯领域，尤其在射频识别(Radio Frequency Identity，RFID)领域已显过大，无法满足实际使用的需要。多年来，人们始终致力于八木天线的小型化工作。

本发明还涉及RFID技术；RFID技术是利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据的自动识别技术。RFID应用领域日益扩大，现已涉及到人们日常生活的各个方面，同时对信息的传输速率、识别距离、防碰撞性提出了更高的要求，推动着RFID往更高的使用频率上发展(900MHz，2.45GHz，5.8GHz)。

RFID标签天线主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型(又称“对称振子型”)三种。天线的结构和环境因素对天线性能有很大影响。天线的结构决定了天线方向图，阻抗特性，驻波比，天线增益，极化方向和工作频段等特性。天线特性也受到所贴附物体形状及物理特性的影响。在RFID实际的应用中，有相当部分的场合都不可避免的要和金属体打交道。传统技术中，金属的密距耦合效应将使天线性能参数改变，导致标签无法在具有金属表面的物体上(例如钢质货架、集装箱、汽车、钢板等)正常工作，而只能使用于非金属表面(例如塑料、木材等)或增大天线与金属物体的距离来保证天线的性能。但是，射频识别应用最为广泛的物流行业中，多涉及金属物品，金属敏感性这一缺点大大限制了RFID技术在物流行业的普及。当前，业界和学术界对此问题已展开大量研究，取得了一些成果。

第一种解决方案是通过调整标签天线与金属表面的距离实现。当标签离金属表面的距离为0.25λ₀时，天线处及远场位置，金属表面造成的反射波和工作用电磁波将同相叠加，天线的性能将得以保持甚至改善。但该方法不可避免的衍生问题是天线的厚度与体积大大增加，不便于天线以标签形式固定在物体表面使用。

第二种方法是在金属物体和天线之间填充高介电常数物质和特殊结构(如电磁带隙(Electromagnetic Band-Gap，EBG)结构)。通过该结构使金属物体和天线之间的电磁波波长缩短，以此使反射波变成有助于天线正常工作的电磁波。如公开号为CN201047949的中国专利利用聚四氟乙烯作为基板，该基板进一步粘贴于有机玻璃基板上来形成金属体与天线之间的填充物；公开号为CN1866610的中国专利结合了电磁带隙结构的优点及高介微波材料的各自的优点，制造的天线抑制了因高介微波材料表面波引起的能量损耗，提高了天线的辐射效率与增益；申请号为PCT/JP2007/001287的国际专利也是利用EBG结构来实现抗金属RFID天线的案例之一。然而，本方法利用的EBG结构复杂，加工制造难度大，这势必带来造价昂贵等问题；采用过高介电常数物质做填充物，虽可有效缩短电磁波波长，但不同物质交界面上过大的介电常数差值，会在交界面上即刻引起电磁波的较大反射，致使引入填充物以缩短电磁波波长的初衷无法达成；采用相对空气较高的介电常数物质做填充物，虽可克服上述不足，但由于波长的缩短效应由公式(1～2)决定，故仅仅凭此单一技术在极短的距离内(如＜0.02真空波长)来弱化反射波影响，其效果极其有限，更遑论对反射波加以利用。

${\mathrm{\λ}}_1={\mathrm{\λ}}_0/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}---\left(1\right)$

上述公式中，λ₀为真空中的工作波长，λ₁为介质填充物中的电磁波波长，ε_r为介质填充物的相对介电常数，ε_eff为等效的相对介电常数，h为介质填充物的厚度而w则为填充物所包裹的振子天线的宽度。

电磁波吸波胶片的研制也为问题的解决提供了一种途径。当电磁波通过吸波材料时，与材料中的吸波介质发生磁环路谐振，产生环路涡流，由此将电磁能转换成热能予以损耗。当该材料存在于天线与金属物体之间时，由天线到金属体的入射波和金属体由此而产生的反射波均将被吸波材料削弱，最终使位于吸波材料前的天线和基于天线而构造而成的电子标签因没有受到金属表面的干扰而能正常工作。电磁吸波材料的种类较多，有高分子涂层材料中的多晶铁纤维隐身涂料、导电高聚物洗波涂料、手征吸波涂料、雷达洗波胶片、泡沫吸波材料、铁氧体吸波胶片等。它们多应用于造价昂贵的屏蔽装置或航天设备上，相对于廉价的电子标签而言，存在造价和热耗等问题，如专利号为6486783的美国专利就是利用泡沫吸波材料解决问题的案例之一。

由此可见，现有的天线不能有效适应现代物流业中电子标签的需要，需要提供一种既廉价、又可以解决金属敏感性问题的天线及标签。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种既廉价、又可以解决金属敏感性问题超短间距准八木抗金属天线。

另外，本发明还提供利用上述天线的电子标签。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明的目的在于对八木天线小型化、尤其是薄膜化，并使其具备良好的抗金属性能，满足包括抗金属标签在内的现代无线通讯的需要。本发明中，以介电常数高于空气介电常数数倍、厚度小于0.0125倍真空工作波长的介质板为基础，通过介质板的多层叠装，在叠装体的层间和上外表面适当位置处植入刻蚀有多折合振子图形的金属薄层，在下表面以完整金属薄层覆盖来实现。该天线属印刷式准八木天线范畴，天线振子间距离由传统的0.25倍真空工作波长缩减为0.0125倍真空工作波长，振子长度较传统长度亦有47％以上的缩减，使天线尺寸满足RFID的要求，且具备结构简单、制造方便的特点。该天线安装于金属表面或其附近时，可维持天线正常性能不变，在ISO/IEC 18000-4规定的频带范围内提供5dBi以上的天线增益，并保持很高的阻抗与方向图稳定性。

本发明的基本原理：首先确定金属底板为待设计天线的有机组成部分，该金属板的功效之一是将金属物体对天线的干扰预先引入。鉴于定向天线，尤其是八木天线中含有金属反射器以提高天线辐射的定向性这一特点，这里将待设计天线的形式定为八木天线结构，并以金属板替代传统八木天线的反射器，由此将金属物体对天线的干扰预先引入的同时，还可将干扰转化为提高天线增益的电磁能，增大RFID设备的读卡距离。

本发明提供一种超短间距准八木抗金属天线，包括依次叠合而成的引向振子、第一介质板、有源振子、第二介质板、反射器；所述第一介质板、第二介质板的介电常数大于空气介电常数，小于等于20倍空气介电常数；所述反射器为金属薄层；所述引向振子、有源振子为刻蚀有多折合振子图形的金属薄层。

作为本发明的一种优选方案，所述有源振子、引向振子以及反射器金属薄层相互平行；所述有源振子及引向振子错列分布，其法向中心轴线互不重合。

作为本发明的一种优选方案，所述引向振子和有源振子的折合振子数目不同。

作为本发明的一种优选方案，所述有源振子为双折合振子，所述引向振子为四折合振子。

作为本发明的一种优选方案，所述第一介质板、第二介质板的厚度为0.0125倍真空工作波长以下。

作为本发明的一种优选方案，所述天线的总厚度为0.025倍真空工作波长以下；引向振子和有源振子的振子长度均小于0.3倍真空工作波长；所述第一介质板、第二介质板及反射器的长度及宽度分别大致为所述引向振子长度及宽度的两倍。

作为本发明的一种优选方案，所述有源振子的馈电端口位于有源振子的边条中间、或位于有源振子中央导条的中间。

一种利用上述超短间距准八木抗金属天线制作的电子标签。

本发明的有益效果在于：首先，本发明没有像吸波材料方案那样将本已弱小而更显宝贵的反射波电磁能损耗掉，而是将这视为干扰的能量转化为可利用成分以增大RFID设备的读写距离。其次，本发明不存在EBG那样的复杂结构，而是采用了由简单的印刷电路方式即可实现的平面折合结构，制作方便；同时，采用的高频介质板也是国产化可大批量生产的产品，造价低廉。再则，本发明涉及的天线无论是增益、尺寸、还是方向图和阻抗的稳定性方面均可同时满足抗金属条件下RFID以及其它无线通讯的要求。本发明与传统八木天线相比，在保持高增益的同时，具备天线几何尺寸大幅缩小和抗金属性能。

本发明的天线可安装于金属表面或其附近并在ISO/IEC 18000-4规定的带宽范围内维持天线增益在5dBi以上，保持天线输入阻抗与方向图的稳定，具备良好的抗金属性。

附图说明

图1是本发明天线的上外表面引向器印刷电路俯视图。

图2是本发明天线中间层有源振子印刷电路仰视图(边条馈电)。

图3是本发明天线中间层有源振子印刷电路仰视图(中央馈电)。

图4是本发明天线的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

请参阅图1至图4，本发明揭示了一种超短间距准八木抗金属天线，由两层作为介质板的高频覆铜板(如聚四氟乙烯覆铜板)叠合而成。第一层为双面覆铜板，该覆铜板的上下面分别印刷出引向振子1和有源振子2；第二层为单面覆铜板，覆铜面为下底面并直接用作反射器3。由此，本发明包括依次叠合而成的引向振子1、第一介质板4、有源振子2、第二介质板5、反射器3。

所述引向振子1、有源振子2为刻蚀有多折合振子图形的金属薄层；所述引向振子和有源振子的折合振子数目不同；本实施例中，所述有源振子为双折合振子，所述引向振子为四折合振子。所述反射器3为金属薄层。有源振子2、引向振子1以及反射器3金属薄层相互平行；有源振子2及引向振子1错列分布，其法向中心轴线互不重合。

本实施例对介质板的材质进行了确定。第一介质板4、第二介质板5的介电常数大于空气介电常数，小于等于20倍空气介电常数；如介电常数为3.5的聚四氟乙烯板。

图2及图3介绍了有源振子的馈电端口的安装方式。

如图2所示，叠装体中间层有源振子(边条馈电)印刷电路结构包括：有源振子2-双折合振子、焊盘6、焊盘7、第一介质板4。两个焊盘可用于与RFID标签芯片或其它收发射机的连接，位于有源振子2边缘导条的中间。

如图3所示，叠装体中间层有源振子(中央馈电)印刷电路结构包括：有源振子2-双折合振子、焊盘6、焊盘7、第一介质板4。两个焊盘可用于与RFID标签芯片或其它收发射机的连接，位于有源振子2中间导条的中间。

通过上述工作，所述第一介质板4、第二介质板5的厚度可在0.0125倍真空工作波长以下。所述天线的总厚度为0.025倍真空工作波长以下；引向振子和有源振子的振子长度均小于0.3倍真空工作波长；所述第一介质板、第二介质板及反射器的长度及宽度分别大致为所述引向振子长度及宽度的两倍。

以下是对天线小型化原因的具体分析：

在反射器为金属薄板基础上，将有源振子、引向振子用折合数大于1的多折合振子予以实现，使反射器与有源振子的间距、有源振子与引向振子的间距缩小到0.025λ₀。

在反射器、有源振子和引向振子之间插入介电常数高于空气介电常数数倍的介质板，根据背景技术中的公式(1～2)可知，介质板中电磁波的波长将小于真空中的电磁波波长。当ε_r＝3.5时，ε_eff＝2.54，由此介质板中的电磁波波长只有真空中的0.6275倍，而八木天线的结构尺寸可进一步缩减为：

振子间距≈0.6275×0.025λ₀＝0.01569λ₀    (3)

振子长度≈0.6275×0.47λ₀＝0.282λ₀       (4)

上述尺寸仍不能满足RFID在天线厚度方面追求薄膜化的要求。为此本发明引入错列振子技术，将反射振子(反射器)、有源振子和引向振子(引向器)由传统的沿轴线对称分布变异为错列分布，使天线振子间距进一步缩减为0.012λ₀。对2.45GHz的工作频率而言，天线的振子间距缩减到1.5mm，而天线的总厚度则缩减到3mm。

为使本发明涉及的天线的阻抗满足常规50欧姆以及增益达到5dBi以上的要求，在维持反射器为金属板、有源振子为双折合振子的同时，进一步可将引向振子设计为更多折合数振子，如四折合振子。至此完成了发明所涉及天线的整体设计。

基于上述原理，引申出新型的超短间距准八木抗金属天线，该天线采用印刷电路的制作方式，介质板材采用高频单、双面敷铜板，如介电常数为3.5的聚四氟乙烯板。

本发明和其他抗金属标签天线的实现方法相比，其特点显著而突出。首先，本发明没有像吸波材料方案那样，将本已弱小而更显宝贵的反射波电磁能损耗掉，而是将这视为干扰的能量转化为可利用成分以增大RFID设备的读写距离。其次，本发明不存在EBG那样的复杂结构，而是采用了由简单的印刷电路方式即可实现的平面折合结构，制作方便；同时，采用的高频介质板也是国产化可大批量生产的产品，造价低廉。再则，本发明涉及的天线无论是增益、尺寸、还是方向图和阻抗的稳定性方面均可同时满足抗金属条件下RFID以及其它无线通讯的要求。本发明与传统八木天线相比，在保持高增益的同时，具备天线几何尺寸大幅缩小和抗金属性能。

本发明的超短间距准八木抗金属天线可以用来制作物流用的电子标签，当然不限于物流业。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种超短间距准八木抗金属天线，包括依次叠合而成的引向振子、第一介质板、有源振子、第二介质板、反射器；其特征在于：

所述第一介质板、第二介质板的介电常数大于空气介电常数，小于等于20倍空气介电常数；所述反射器为金属薄层；所述引向振子、有源振子为刻蚀有多折合振子图形的金属薄层；所述有源振子、引向振子以及反射器金属薄层相互平行；所述有源振子及引向振子错列分布，其法向中心轴线互不重合。

2.根据权利要求1所述的超短间距准八木抗金属天线，其特征在于：所述引向振子和有源振子的折合振子数目不同。

3.根据权利要求2所述的超短间距准八木抗金属天线，其特征在于：所述有源振子为双折合振子，所述引向振子为四折合振子。

4.根据权利要求1所述的超短间距准八木抗金属天线，其特征在于：所述第一介质板、第二介质板的厚度为0.0125倍真空工作波长以下。

5.根据权利要求1所述的超短间距准八木抗金属天线，其特征在于：所述天线的总厚度为0.025倍真空工作波长以下；引向振子和有源振子的振子长度均小于0.3倍真空工作波长；所述第一介质板、第二介质板及反射器的长度及宽度分别大致为所述引向振子长度及宽度的两倍。

6.根据权利要求1所述的超短间距准八木抗金属天线，其特征在于：所述有源振子的馈电端口位于有源振子的边条中间、或位于有源振子中央导条的中间。

7.一种电子标签，其特征在于：该电子标签包括利用权利要求1至6任意一项所述超短间距准八木抗金属天线。

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