CN101593866A - 带有t型匹配网络的介质谐振uhf rfid标签天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线，包括上层介质谐振体，中层介质基板，下层介质基板和底层铜皮地板，上层介质谐振体与中层介质基板之间为铜皮馈电线，中层介质基板与下层介质基板之间为微带匹配线，微带匹配线与开路短接线组成T型匹配网络，铜皮馈电线通过过孔与微带匹配线相连接，过孔穿过下层介质基板与底层地板相连接，馈电端口处连接RFID标签芯片。本发明可工作于UHF频段的射频识别系统中，带宽覆盖866MHz～869MHz，或902MHz～928MHz，不仅可以方便实现芯片与天线的阻抗匹配，而且能够方便应用于金属表面等多应用环境中，具有体积小，增益高，加工容易，成本低的特点。

Description

带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线
技术领域
本发明涉及一种射频识别电子标签天线，具体是涉及一种可应用在UHF频段，即：860MHz～960MHz频段内，带有T型匹配网络、可方便应用于金属表面的高增益射频识别电子标签天线。
背景技术
射频识别(RFID)技术，是一种通过无线射频方式进行非接触式的双向数据通信，对目标加以识别并获取相关信息的自动识别技术。射频识别技术(RFID)在近几年内被迅速推广，广泛应用于物流、仓库等的物品识别的场合，帮助该类行业信息化、高速化收集、管理物品的信息，以实现对物品的高效率的管理和调度。射频识别系统主要由阅读器、中间件以及电子标签三部分所组成。电子标签由片上天线及集成芯片组成，通过电磁波与阅读器进行数据交换，具有智能读写和加密通信功能。天线以电磁波形式把前端射频信号功率进行收发，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化。在RFID系统中，电子标签天线承担接收能量的作用，对整个RFID系统起关键作用。
射频识别的工作频率包括低频，高频，超高频及微波频段，其中高频和超高频的应用最为广泛。但UHF RFID标签天线在设计和应用中却遇到三大难点：
第一，阻抗匹配问题。由于小型化、低成本化的要求，RFID标签天线通常与标签芯片进行直接匹配。而UHF RFID标签芯片通常具有小电阻、大容抗的阻抗特性，这给天线与芯片间的匹配带来了很大困难。因此有必要设计合适的馈电电路，以满足阻抗匹配的要求。
第二，应用环境问题。RFID标签在实际应用中会被粘贴于不同电介质属性的物品表面。物品的不同的电介质属性会对RFID标签天线的性能产生不同程度的恶化。尤其是金属物品所带来的性能恶化尤为严重，会导致RFID标签没法被识别，降低了RFID系统对物品的识别成功率。而传统的柔性板天线在金属表面无法工作，这就需要设计能工作与金属表面的天线RFID标签天线。
第三，小型化和阅读距离问题。由于RFID标签天线需要贴附于被测物上，因此要求其尺寸足够小，便于贴附应用。而标签天线一般尺寸较小，其增益一般较低，目前所用的微带天线，虽然能在金属表面工作，但在小型化的要求下天线的增益低，其阅读距离较短。因此有必要设计小尺寸、高增益的天线满足实际需要。
在RFID标签天线的设计中，应该充分考虑上述几个需求，设计符合实际需求的加工容易、成本低廉的标签天线。
发明内容
本发明的目的在于针对现在设计中遇到的难点，提供一种能方便进行阻抗匹配，可以应用于金属表面，具有高增益、体积小、结构简单的UHF RFID电子标签天线。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线，包括上层介质谐振体，中层介质基板，下层介质基板和底层铜皮地板；上层介质谐振体与中层介质基板之间设有铜皮馈电线，铜皮馈电线设置在中层介质基板的上表面一端，铜皮馈电线上表面要贴附于上层高介电常数谐振体的下表面；中层介质基板与下层介质基板之间设有微带匹配线，微带匹配线贴在下层介质基板的上表面，微带匹配线一端通过中层介质基板中的过孔与铜皮馈电线相连，另一端在馈电端口处接标签芯片；左开路短接线和右开路短接线关于微带匹配线对称设置在下层介质基板的上表面，分别与微带馈电线垂直相交，组成T型匹配网络，使天线辐射体与芯片阻抗匹配；馈电端口一端为微带馈电线，另一端为铜皮，铜皮贴附在下层介质基板的上表面，通过下层介质基板中的过孔连通底层地板；底层铜皮地板贴附在下层介质基板的下表面；在UHF频段内，馈电端口处的输入阻抗实部可调范围为1Ω～100Ω，虚部可调范围为1Ω～200Ω。
所述的带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线，上层介质谐振体采用高介电常数材料，通过改变其介电常数、尺寸的大小可对天线谐振频率进行调整，以满足谐振频率在超高频频段或其他频段响应要求。
所述上层介质谐振体的介电常数可调范围为20～120，边长为30mm～100mm，厚度为10mm～20mm。
所述铜皮馈电线宽度及长度可调，宽度为8mm～15mm，长度为4mm～8mm。
所述微带匹配线的长度小于四分之一波长，通过调整微带匹配线、左开路短接线和右开路短接线的尺寸，以及左开路短接线、右开路短接线与微带匹配性的连接位置，以调整馈电端口处的输入阻抗。
所述微带匹配线的宽度为3mm～5mm，长度为35mm～45mm；左开路短接线长度可调范围为15mm～25mm，左开路短接线宽度可调范围为5mm10mm，T型连接点与馈电端口的距离可调范围为25mm～35mm。右开路短接线调整方法同左开路短接线。
上层介质谐振体与中层介质基板之间、中层介质基板与下层介质基板之间用胶水进行粘合，也可以用其他粘合方式。
下层介质基板的边长在大于一个波长范围内可调，所述波长为空气中UHF频段对应波长。
所述铜皮馈电线设置在中层介质基板的上表面中线的一端。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
(1)引入T型匹配网络，便于实现天线与芯片间的阻抗匹配。
(2)所述介质谐振天线在工作时需要有接地板，其在设计时直接考虑到天线的接地特性，天线受地板影响小，可方便应用于金属表面。
(3)采用高介电常数谐振体，减小了天线尺寸，具有小型化的特点。
(4)介质谐振天线中不存在导体损耗和表面波损耗，其辐射效率很高；另外由于其工作于金属表面，金属作为反射板不但不会影响天线的收发效果，反而提高了天线的增益，使标签阅读距离进一步提高。
附图说明
图1是带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线立体结构示意图；
图2是图1中的俯视图；
图3是图1中的右视图。
具体实施方案
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下例表述的范围。
如图1，图2及图3所示，带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线，包括上层介质谐振体1，中层介质基板2，下层介质基板3和底层铜皮地板9。
该天线的谐振频率主要通过调整上层介质谐振体1的边长ab，厚度bc及其介电常数大小来得到。边长ab、厚度bc及介电常数越大，谐振频率越小；反之，则谐振频率越大。为使本发明能工作于UHF频段，且具有小尺寸、易加工的特点，边长ab可调范围为30mm～100mm，厚度bc可调范围为10mm～20mm。高介电常数上层介质谐振体1的介电常数可调范围为20～120，其材料可选用微波介质陶瓷材料，如氧化铝或氮化铝等。通过改变其介电常数、尺寸的大小可对天线谐振频率进行调整，以满足谐振频率在超高频频段或其他频段响应要求。
中层介质基板2的作用在于将高介电常数介质谐振体1与T匹配网络相隔离，使天线与芯片的阻抗更易匹配。其厚度cd越大，隔离效果越好，反之则越差。在隔离效果良好的前提下，尽量减小厚度cd，厚度cd的可调范围优选为0.8mm～3.2mm，其材料选用泡沫或FR4板。
下层介质基板3选用FR4板，厚度优选为0.8mm～3.2mm。长度bf应略大于长度be，以留出空间来安装芯片。长度bf优选为35mm～110mm。底层铜皮地板9边长gh在大于一个波长范围内尺寸可调，所述波长为空气中UHF频段波长。
上层介质谐振体1与中层介质基板2之间为铜皮馈电线5。铜皮馈电线5上表面要贴附于上层介质谐振体1的下表面，下表面要紧紧贴附于中层介质基板的上表面；铜皮馈电线5可设置在中层介质基板2的上表面中线的一端(也可以根据实际需要偏离中线位置)。铜皮馈电线5作用在于对上层介质谐振体1进行馈电，其尺寸的变化对天线的阻抗影响较大。铜皮馈电线5长度ij(纵向)越长，天线阻抗越大；反之，则天线阻抗越小。为满足芯片阻抗匹配要求，铜皮馈电线5长度ij可调范围优选为4mm～8mm。铜皮馈电线5宽度jk(横向)越大，天线阻抗越小；反之，则天线阻抗越大。为满足芯片阻抗匹配要求，铜皮馈电线5宽度jk可调范围优选为8mm～15mm。
中层介质基板2与下层介质基板3之间为微带匹配线4，贴在下层介质基板3的上表面；微带匹配线4一端通过中层介质基板2中的过孔6与铜皮馈电线5相连，另一端在馈电端口7处接标签芯片；左开路短接线10、右开路短接线11关于微带馈电线4对称设置在下层介质基板的上表面，分别与微带馈电线4垂直相交，组成T型匹配网络，其作用在于使天线辐射体与芯片阻抗匹配。T型匹配网络总体呈感性，尺寸容易调节，连接和制作也较容易，方便于与容性的芯片阻抗进行匹配。微带匹配线4长度sm越长，端口7的输入阻抗就越大；反之，则越小。为使天线与芯片阻抗匹配，长度sm的可调范围优选为35mm～45mm。微带匹配线4宽度mn越小，端口7的输入阻抗越大；反之，则越小。为使天线与芯片阻抗匹配，宽度mn的可调范围为3mm～5mm。左开路短接线10和右开路短接线11作用在于调整端口7的输入阻抗，其长度、宽度和位置均对输入阻抗有很大影响。为使天线与芯片阻抗匹配，如左开路短接线长度op可调范围为15mm～25mm，左开路短接线长度op越长，输入阻抗越小；反之，则越大。为使天线与芯片阻抗匹配，左开路短接线宽度pq可调范围为5mm～10mm，开路短接线宽度pq越大，输入阻抗越小；反之，则越大。由于左开路短接线10、右开路短接线11关于微带馈电线4对称设置，右开路短接线10的调整要求同左开路短接线10。左开路短接线10、右开路短接线11和微带匹配线的T型连接点与端口7的距离os越大，输入阻抗越大；反之，则越小，为使天线与芯片阻抗匹配，T型连接点与端口7的距离os可调范围优选为25mm～35mm。
上层介质谐振体1与中层介质基板2之间、中层介质基板与下层介质基板之间用胶水进行粘合。
端口7一端为微带匹配线4，另一端为铜皮12，端口7处连接标签芯片。通过调整馈电线5、微带匹配线4和开路短接线10的尺寸，在UHF频段内，馈电端口7处的输入阻抗实部可调范围为1Ω～100Ω，虚部可调范围为1Ω～200Ω；
铜皮馈电线5与微带匹配线4的连通方式有多种，本发明通过在中层介质基板2上打孔，孔中有铜芯形成过孔6，从而使铜皮馈电线5与微带匹配线4连通。同理，铜皮12与底层铜皮地板9的连通方式也有多种，本发明通过在下层介质基板3中打孔，孔中有铜芯形成过孔8，从而使铜皮12与底层铜皮地板9连通。
本发明带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线采用介质谐振天线方式实现，其在设计时直接考虑到天线的接地特性，天线受地板影响小，可方便应用于金属表面。带有T型匹配网络，容易实现天线与芯片的阻抗匹配。其还具有体积小、结构简单、容易加工、成本低的特点。

Claims (9)

1、带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线，其特征在于，包括上层介质谐振体(1)，中层介质基板(2)，下层介质基板(3)和底层铜皮地板(9)；上层介质谐振体(1)与中层介质基板(2)之间设有铜皮馈电线(5)，铜皮馈电线(5)设置在中层介质基板(2)的上表面一端，铜皮馈电线(5)上表面要贴附于上层高介电常数谐振体(1)的下表面；中层介质基板(2)与下层介质基板(3)之间设有微带匹配线(4)，微带匹配线(4)贴在下层介质基板(3)的上表面，微带匹配线(4)一端通过中层介质基板(2)中的过孔(6)与铜皮馈电线(5)相连，另一端在馈电端口(7)处接标签芯片；左开路短接线(10)和右开路短接线(11)关于微带匹配线(4)对称设置在下层介质基板的上表面，分别与微带馈电线(4)垂直相交，组成T型匹配网络，使天线辐射体与芯片阻抗匹配；馈电端口(7)一端为微带馈电线(4)，另一端为铜皮(12)，铜皮(12)贴附在下层介质基板(3)的上表面，通过下层介质基板(3)中的过孔(8)连通底层地板(9)；底层铜皮地板(9)贴附在下层介质基板(3)的下表面；在UHF频段内，馈电端口(7)处的输入阻抗实部可调范围为1Ω～100Ω，虚部可调范围为1Ω～200Ω。
2、根据权利要求1所述的带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线，其特征在于，上层介质谐振体(1)采用高介电常数材料，通过改变其介电常数、尺寸的大小可对天线谐振频率进行调整，以满足谐振频率在超高频频段或其他频段响应要求。
3、根据权利要求2所述的带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线，其特征在于，所述上层介质谐振体(1)的介电常数可调范围为20～120，边长为30mm～100mm厚度为10mm～20mm。
4、根据权利要求1所述的带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线，其特征在于，所述铜皮馈电线(5)宽度及长度可调，宽度为8mm～15mm，长度为4mm～8mm。
5、根据权利要求1所述的带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线，其特征在于，所述微带匹配线(4)的长度小于四分之一波长，通过调整微带匹配线(4)、左开路短接线(10)和右开路短接线(11)的尺寸，以及左开路短接线(10)、右开路短接线(11)与微带匹配性(4)的连接位置，以调整馈电端口(7)处的输入阻抗。
6、根据权利要求5所述的带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线，其特征在于，所述微带匹配线(4)的宽度为3mm～5mm，长度为35mm～45mm；左开路短接线(10)长度可调范围为15mm～25mm，左开路短接线(10)宽度可调范围为5mm～10mm，T型连接点与馈电端口(7)的距离可调范围为25mm～35mm。右开路短接线(11)调整方法同左开路短接线(10)。
7、根据权利要求1所述的带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线，其特征在于，上层介质谐振体(1)与中层介质基板(2)之间、中层介质基板与下层介质基板之间用胶水进行粘合。
8、根据权利要求1所述的带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线，其特征在于，下层介质基板(3)的边长在大于一个波长范围内可调，所述波长为空气中UHF频段对应波长。
9、根据权利要求1所述的带有T型匹配网络的介质谐振UHF RFID标签天线，其特征在于，所述铜皮馈电线(5)设置在中层介质基板(2)的上表面中线的一端。
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