CN101640314B - 偶极子天线与具有该天线的射频识别标签及射频识别系统 - Google Patents
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Abstract
一种偶极子天线，包括天线本体、连接所述天线本体与集成电路的两桥梁，所述天线本体包括内环和外环，所述天线本体的一侧内环从其中一个桥梁环绕所述集成电路的平面外周延伸，至所述集成电路相对于所述两桥梁的对端后从原路折返形成所述天线本体的外环，所述天线本体的外环环绕所述集成电路的平面外周延伸至所述集成电路相对于所述两桥梁的对端后，从原路向内环绕所述集成电路的平面外周折返后形成所述天线本体另一侧内环，并与另一桥梁相连接，所述天线本体的外环具有至少一段曲折部分。本发明还公开了一种具有该偶极子天线的射频识别标签和具有该射频识别标签的射频识别系统。本发明偶极子天线体型小巧，结构紧凑，有较大的增益，效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种射频识别设备，尤其涉及一种可与毫米波集成电路集成的微型的折合式偶极子天线。
背景技术
在这个信息年代，高科技的发展一日千里，高科技产品已经成为了人类日常生活不可或缺的一环，从国防军事、航天技术，以至超级市场购买日常用品、与海外朋友沟通等等，应用之广，可以说得上是恒河沙数，不胜枚举。近年，社会各界对新兴的射频识别技术及射频识别系统的应用相当重视(参见“RFID：A Technical Overview and its Application to the Enterprise，”IEEEComputer Society.IT Pro，P 1520-9202May/June.2005)，并投放了大量资源研发其相关技术。
射频识别(Radio Frequency Identification，简称RFID)俗称电子标签，他通过射频方式进行非接触双向通讯，从而达到识别并交换数据的目的，有广泛应用。射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。
由于射频识别系统能够减少人为错误，缩短工作时间，大大提高工作效率，因此对以速度及效率为首要考虑的物流业大有裨益。射频识别系统主要由阅读器及电子卷标组成，电子卷标内置有内存，该内存能记录数据并对该数据加以加密，该数据包括但不限于客户数据或货物信息；阅读器则能够读取卷标内的内容及译码(即数据及其加密信息)。被加上卷标的目标货物因此能更有效地、容易地被追踪得到，从而有效的提高物流系统的运输效益、加快处理速度，进而增加在业界的竞争力。
主动式的标签射程远、覆盖面广，适用于不少需要阅读器和电子卷标有较远距离，如在十米至一百米之间的联络的应用，只有主动式电子卷标才能有足够的功率符合系统的要求。加上其不受接地板影响的特性，适用于金属物体或人体身上，使主动式射频识别系统被广泛地应用，例如道路汽车收费系统，货柜卷标系统等等。
由于主动式射频识别系统的标签(或称卷标)是由集成电路、天线及电池三个主要零件组成，体积相对较为笨重。但是市场普遍认为体形小巧的产品更有吸引力、竞争力，因此，微化天线成为设计的重要一环。
传统主动式射频识别卷标的天线部分一般会采用陶瓷材料制造(参见“Design of a LTCC package antenna for 900MHz RFID chip application，”IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 2006，9-14July 2006，p.4361-4364)，因为其体积细小、增益高且为全方位放射模式。但是，陶制天线的单馈模式并不适合用于一般差分馈电的集成电路，因此需要插入一个平衡非平衡适配器(Balun)。平衡非平衡适配器除了令天线的体积增大，增加了嵌入损耗，同时也会提高制作成本。此外，陶制天线本身虽然体积细小，但却需要连接一个颇大的接地板，令整个标签的体积大增。
在射频识别系统中，最常使用的是偶极子天线，它的通常结构由两段同样粗细和等长的直导线排布成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上产生一定的电流分布，这种电流分布会在天线周围空间激发电磁场。偶极子天线具有优良的辐射性能，但是天线的尺寸较大，不能满足微型化要求。
为了在满足全向性要求的同时减小天线尺寸，可将偶极子天线变形为单极子结构，但由于单极子天线纵向尺寸较大，且阻抗匹配存在一定的难度，所以极少在射频识别标签中应用。
现时，市面上比较受欢迎的主动式射频标签会采用偶极子天线设计，(参见“New Design Antenna for RFID UHF tags，”IEEE Antennas and PropagationSociety International Symposium 2006，9-14July 2006，p1355-1358)，原因是偶极子天线同样具备无方向性放射模式的特性，使射频识别系统在实际应用时，能更有效地接收来自四方八面的射频信号。偶极子天线的长度是波长的二分一，而一般射频识别系统的波段频率为869MHz至928MHz，因此传统上此类天线的体积相对较大，未能符合应用的要求。微型技术如碎形技术(fractal)，(参见“Conformal Fractal Loop Antenna for RFID Tag Applications，”Applied Electromagnetics and Communications，2005.ICECom 2005.18thinternational Conference on 12-14Oct.2005，p1-6)和曲折技术(meander)(“RFID tag antenna with a meandered dipole and inductively coupled feed，”IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 2006，9-14July 2006，p.619-622；)，能将天线体积缩小，但其增益及匹配性都会大幅下降，大大的缩短了射频识别系统的阅读距离，同样不能满足应用的要求。也有人研究采用电感器状的线圈型天线或单馈螺旋天线，(参见“Dualfrequency monopole-helical antenna by using a parasitic normal mode helix formobile handsets，”Microwave Conference，2000Asia-Pacific 3-6Dec.2000p.958-961)，但这些设计的天线都是立体的，容易受到外物撞击或挤压而变形，从而影响到天线的稳定性。除了增加生产上的困难外，也很不耐用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于主动式射频识别系统的偶极子天线，在维持一定增益的情况下，也能够稳定地与阅读器沟通。
本发明的另一目的在于提供一种具有本发明偶极子天线的射频识别标签。
本发明的再一个目的在于提供一种具有本发明射频识别标签的射频识别系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明的偶极子天线，包括天线本体、连接所述天线本体与集成电路的两桥梁，所述天线本体包括内环和外环，所述天线本体的一侧内环从其中一个桥梁环绕所述集成电路的平面外周延伸，至所述集成电路相对于所述两桥梁的对端后从原路折返形成所述天线本体的外环，所述天线本体的外环环绕所述集成电路的平面外周延伸至所述集成电路相对于所述两桥梁的对端后，从原路向内环绕所述集成电路的平面外周折返后形成所述天线本体另一侧内环，并与另一桥梁相连接，所述天线本体的外环具有至少一段曲折部分。
本发明的射频识别标签具有本发明的偶极子天线，包括本发明的偶极子天线、集成电路和电池，所述偶极子天线的天线本体环绕所述集成电路。
本发明的射频识别系统，具有本发明的射频识别标签。
由上述技术方案可知，本发明具有以下有益效果：本发明的偶极子天线优点在于其体型小巧，结构紧凑，有较大的增益，效率高.而且，与毫米波集成电路及电池集合时，并无构成不良影响。本发明的偶极子天线，是一种折合式偶极子天线，采用了半曲折技术，即是并非连续地使用曲折技术，而是间断地使用，在缩小体积的情况下，其增益也不会过低，满足应用要求。同时，本发明的偶极子天线，设计天线之时也将主动式标签的电池影响计算在内，做到了计算机仿真结果与实验结果更为相符。制作方面，本发明的偶极子天线，天线部分围绕着集成电路，使得进一步缩小了标签的体积。本发明的射频识别标签，整个标签都是打印在电路板上的，成本相对便宜，也较容易生产。另外，本发明的射频识别标签，天线与集成电路合并在同一平面并一并印刷在电路板上，能进一步使产品的体积缩小。
同时，本发明的偶极子天线及具有该偶极子天线的射频识别标签，天线工作效能高，能够达到99％的准确接收与发送效果。本发明的偶极子天线的增益约为-4至-6dBi，符合主动式射频识别标签(或称卷标)的天线要求。本发明的偶极子天线为无方向性辐射，能更有效地与射频识别系统的阅读器沟通，无论被标签的物品或人身处何方，即使距离100米之远，也能够有效的与射频识别系统的阅读器沟通。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例的射频识别天线示意图；
图2为本发明实施例的射频识别天线的斜接示意图；
图3为本发明实施例的射频识别标签的俯视图；
图4为本发明实施例的射频识别标签的底面图；
图5为本发明偶极子天线的仿真试验结果的频率反应图；
图6为本发明偶极子天线的仿真试验结果的天线增益图；
图7为本发明偶极子天线的仿真试验结果的902MHz下的天线放射图；
图8为本发明偶极子天线的仿真试验结果的915MHz下的天线放射图；
图9为本发明偶极子天线的仿真试验结果的928MHz下的天线放射图；
图10为本发明实施例的射频识别天线另一示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明实施例的偶极子天线，包括天线本体100、连接所述天线本体100与集成电路200的两桥梁110，所述天线本体包括内环和外环，内环分为两部分，可称之为上内环和下内环，并在桥梁110相对于集成电路200的对侧形成有尾部开口114。所述上内环从其中一个桥梁110环绕集成电路200的平面外周延伸，至尾部开口114上端后从原路折返形成天线本体100的外环，天线本体100的外环环绕集成电路200的平面外周延伸至尾部开口114下端，从原路向内环绕集成电路200的平面外周折返后形成天线本体100的下内环，并与另一桥梁110相连接，天线本体100的外环具有至少一段曲折部分112。
本发明实施例的射频识别标签，包括电池、位于中央部分的集成电路200和环绕所述集成电路的本发明实施例的偶极子天线。本发明的射频识别系统，包括本发明实施例的射频识别标签、阅读器和控制单元。具有本发明的射频识别标签。
本发明实施例的偶极子天线，采用差分馈电供电，原因是市面集成电路普遍使用差分馈电模式，既有别于传统陶制天线的单馈模式，更能够方便使用者使用。同时使得本发明偶极子天线的体积因为省却了平衡非平衡适配器而进一步缩小。
本发明实施例的偶极子天线，所述天线本体与集成电路之间的桥梁，对本发明偶极子天线的共振频率非常敏感，因此需要小心微调桥梁的长度及方向。
如图1所示，本发明优选实施例的偶极子天线设计成六角形状，即目的是为了尽量紧贴中央圆形的集成电路部分，使偶极子天线及射频识别标签的体积进一步缩小。如图1所示，本发明实施例的偶极子天线的六角形的天线本体100，其上内环和下内环由直线段构成，外环由六个曲折部分112相连接构成。天线本体100，在桥梁110的相对侧具有尾部开口114，上内环和下内环的各三条直线段，延伸于桥梁110与所述尾部开口114之间；所述外环上具有六个曲折部分112，曲折部分的两端也均为直线段111，由直线段111首尾相连的连接于所述尾部开口114的上下端之间，环绕延伸于上下内环之外。
本发明实施例的偶极子天线采用了半曲折技术，即是间歇地使用曲折技术，即曲折部分112的两端，仍然是直线段111，其目的是在缩小体积下仍能够维持足够的增益。
如图1和图2所示，本发明实施例的偶极子天线，所述直线段与直线段之间的在所述六角形角部的转折部分，及所述曲折部分与曲折部分之间的转折部分115(同样是六角形角部的转折部分)，都使用了斜接技术，以改善阻抗匹配，最理想的斜边长是线粗的1.7倍，a＝1.7w，如图2所示。
本发明的偶极子天线，可以适应集成电路的形状，设计成各种形状，如椭圆形、圆形、方形或多边形等，以更加紧密地围绕集成电路。
本发明实施例的偶极子天线，其六角形的天线本体在同一平面内，其可以印刷在任何基板材料(包括介质材料)上。本发明的偶极子天线，其椭圆形、圆形、方形或多边形等其他形状的天线本体，同样可以形成于同一平面内，印刷在一基板材料上。
如图1和图10所示，本发明优选实施例的偶极子天线，天线本体的微波传输带线粗为0.4mm，在外环的曲折部分，线与线之间相距也是0.4mm，转折部分的斜边长是0.675mm，馈电部分的两个差分馈电针之间相距1.4mm，差分馈电探针与集成电路之间的桥梁长度是1.4mm，中心圆圈所示的集成电路的直径是23mm，所述尾部开口的开口宽度为6.08mm，外环的曲折部分的内顶端与内环的线中心距为0.85mm，整体尺寸为整体尺寸为35×35.5×0.8毫米，FR4电路板的厚度为0.8毫米。
如图3和图4所示，本发明实施例的射频识别标签，包括本发明实施例的偶极子天线、集成电路和电池，所述偶极子天线的天线本体环绕所述集成电路。所述集成电路优选为毫米波集成电路。所述偶极子天线印刷在电路板上，与所述毫米波集成电路集成。所述电路板优选的为FR4电路板。在所述电路板的背面，且正对集成电路处扣装电池。
本发明的偶极子天线，在设计时考虑了集成电路及电池对天线的影响，故在计算机仿真程序中在天线的中央加入一个直径为23毫米(与所用电池规格一致)的接地板，仿真集成电路板对天线的影响，这与一般的偶极子天线不需接地板的设计截然不同。本发明使用的计算机仿真程序为Zeland IE3d。仿真结果如表1所示，表1为本发明的偶极子天线的计算机仿真结果与实验所得结果之间的关系。
表1
| 数据 | 计算机仿真中心工作频率(Simulation fo) | 实验所得中心工作频率(Experimental fo) |
| 一 | 915MHz | 960MHz |
| 二 | 925MHz | 970MHz |
| 三 | 880MHz | 915MHz |
由表1可知，第三组数据的实际中心工作频率符合要求，因此，本发明实施例的偶极子天线，采用第三组数据。
本发明的偶极子天线及具有该偶极子天线的射频识别标签，天线工作效能高，能够达到99％的准确接收与发送效果。如图5和图6所示，图中横坐标为频率(单位GHz)，纵坐标为增益(单位dBi)，其实验数据显示，本发明的偶极子天线的增益约为-4至-6dBi，符合主动式射频识别标签(或称卷标)的天线要求。如图7、图8和图9所示，其中粗实线为同极化(CoPolarization)，虚线为交叉极化(Cross Polarization)，本发明实施例的偶极子天线为无方向性辐射，使得本发明实施例的射频识别标签能更有效地与本发明实施例的射频识别系统的阅读器沟通，无论被标签的物品或人身处何方，即使距离100米之远，也能够有效的与射频识别系统的阅读器沟通。大大提高了本发明实施例的射频识别系统的效率。
以上所述的仅为本发明的较佳可行实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (12)
1.一种偶极子天线，包括天线本体、连接所述天线本体与集成电路的两桥梁，其特征在于：所述天线本体包括内环和外环，所述天线本体的一侧内环从其中一个桥梁环绕所述集成电路的平面外周延伸，至所述集成电路相对于所述两桥梁的对端后从原路折返形成所述天线本体的外环，所述天线本体的外环环绕所述集成电路的平面外周延伸至所述集成电路相对于所述两桥梁的对端后，从原路向内环绕所述集成电路的平面外周折返后形成所述天线本体另一侧内环，并与另一桥梁相连接，所述天线本体的外环具有至少一段曲折部分。
2.如权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，还包括：所述天线本体的内环为多个直线段构成的几何形状，外环由多个所述曲折部分相连接构成。
3.如权利要求2所述的偶极子天线，其特征在于，还包括：所述直线段与直线段之间斜接，所述多个曲折部分之间斜接。
4.如权利要求3所述的偶极子天线，其特征在于，所述斜接的斜边长为线粗的1.7倍。
5.如权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，还包括：所述天线本体环绕所述集成电路形成六边形、椭圆形、圆形或方形的几何形状。
6.如权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，所述天线本体在一个平面内、所述桥梁与所述天线本体共平面。
7.如权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，所述曲折部分，线与线的间距等于线粗。
8.一种具有如权利要求1-7任一所述的偶极子天线的射频识别标签，包括天线、集成电路和电池，其特征在于：所述天线为权利要求1-7任一所述的偶极子天线，所述偶极子天线的天线本体环绕所述集成电路。
9.如权利要求8所述的射频识别标签，其特征在于，所述集成电路为毫米波集成电路。
10.如权利要求9所述的射频识别标签，其特征在于，所述集成电路采用差分馈电供电。
11.如权利要求10所述的射频识别标签，其特征在于，所述偶极子 天线印刷在FR4电路板上，与所述毫米波集成电路集成。
12.一种射频识别系统，其特征在于，具有权利要求9-11任一所述的射频识别标签。
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