CN101853412B - 采用光子晶体的金属电子标签 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用光子晶体的金属电子标签，要解决的技术问题是在不较大增加金属标签厚度的情况下，保证金属电子标签的读写性能，提高标签的带宽。本发明采用以下技术方案：一种采用光子晶体的金属电子标签，具有电子标签，所述电子标签粘贴在光子晶体上，所述光子晶体由相对磁导率为30-100、相对介电常数为10-20的柔性高磁导率材料作为标签衬底，其上粘贴有金属薄膜，金属薄膜上蚀刻有整齐的膜片阵元的金属阵列，阵元之间的缝隙宽度一致，电子标签粘贴在金属薄膜上。本发明与现有技术相比，天线增益会增加3dB，光子晶体结构在UHF频段具有比较宽的带宽，这样既可以保证电子标签在金属表面的正常使用，又不会使标签厚度增加。

Description

采用光子晶体的金属电子标签

技术领域

本发明涉及一种电子标签，特别是一种适用于860MHz～960MHz频率范围的金属电子标签。

背景技术

金属电子标签是射频识别RFID系统中的一类重要标签，但是由于受到使用标签的物体本身的金属表面的影响，在设计和制作金属标签的时候总是存在各种困难。根据镜像原理，UHF频段的天线直接粘接在金属表面时，天线效率会降至零，导致该频段的电子标签读取性能严重下降，而随着天线与金属标签之间的距离增大时，天线性能会有所改观，当天线距离金属表面为1/4波长时，天线增益会比该天线直接放置于无放射环境中增加3dB，性能有提升。所以，为保证金属电子标签的读取性能，通常增大标签厚度致6～7mm，或者使用陶瓷等大介电常数的材料来制作标签，但是前者会增大标签的厚度，增加了标签在使用过程中被碰撞的几率，严重限制了金属电子标签的使用范围；后者使用陶瓷材料作为标签基板，由于陶瓷基板本身具有硬、脆而易碎的特性，不具备使用在弯曲表面的可能性，而且高介电常数的陶瓷通常损耗比较大，高介电常数本身也决定了对于标签的加工需要有比较高的精度，陶瓷的这些特性也限制了此类金属电子标签的加工和使用。使用上述材料或方法制作的金属电子标签都具有窄带宽的特性，这也使其与读写设备的配合提出了较高的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用光子晶体的金属电子标签，要解决的技术问题是在不较大增加金属标签厚度的情况下，保证金属电子标签的读写性能与普通电子标签一致，提高标签的带宽，增强其适应性。

本发明采用以下技术方案：一种采用光子晶体的金属电子标签，具有电子标签，所述电子标签粘贴在光子晶体上，所述光子晶体由相对磁导率为30-100、相对介电常数为10-20的柔性高磁导率材料作为标签衬底，其上粘贴有金属薄膜，金属薄膜上蚀刻有整齐的膜片阵元的金属阵列，阵元之间的缝隙宽度一致，电子标签粘贴在金属薄膜2上。

本发明的标签衬底长50-200mm，宽50-200mm，厚0.1-3.75mm。

本发明的金属薄膜长50-200mm，宽50-200mm，厚10μm。

本发明的金属薄膜采用铜箔或者铝箔。

本发明的标签衬底上用双面胶粘贴金属薄膜2。

本发明的膜片阵元形状为正方形、圆形、三角形或五边形。

本发明的电子标签的外围尺寸大于金属薄膜上的金属阵元尺寸，为不小于5倍。

本发明的标签衬底1采用ECCOPAD UHF-GL材料。

本发明的标签衬底，相对磁导率为30，相对介电常数为12，长为120mm，宽为50mm，厚为1.25mm，金属铜箔或铝箔，长为120mm，宽为50mm，厚为1.25mm，光子晶体上金属薄膜正方形阵元的边长为9mm，阵元之间的缝隙宽度为1mm。

本发明与现有技术相比，以柔性高磁导率材料作为光子晶体的衬底，在衬底上粘接金属薄膜，金属薄膜上蚀刻整齐的以正方形金属膜片为阵元的金属阵列，阵列之间的缝隙尺寸一致，利用粘接电子标签的物体的金属面作为反射面，将粘接电子标签的物体的导电性表面转化为导磁性表面，同时形成高阻反射面，当天线直接粘接于理想导磁性表面的时候，天线增益会增加3dB，所述光子晶体结构在UHF频段具有比较宽的带宽，这样即可以保证电子标签在金属表面的正常使用，又不会使标签厚度增加。

附图说明

图1是本发明实施例的反射相位图。

图2是本发明实施例的结构示意图。

图3是图2的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。如图2和图3所示，本发明的采用光子晶体的金属电子标签，在光子晶体上粘贴电子标签3。

设a为光子晶体的阵元周期，w为光子晶体的阵元宽度，g＝a-w为光子晶体的阵元间隙，t为光子晶体的衬底厚度。

光子晶体的高阻反射面谐振频率为： ${\mathrm{\ω}}_0=1/\sqrt{\mathrm{LC}}$

其中ω₀为光子晶体的谐振频率，C为光子晶体的电容，L为光子晶体的电感，

$C=\frac{w{\mathrm{\ϵ}}_0({\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2)}{\mathrm{\π}}a\cosh \left(\frac{a}{g}\right),L={\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{r}t---\left(1\right)$

$\frac{c}{{\mathrm{\ω}}_0}=\sqrt{\frac{2\mathrm{wt}}{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\μ}}_r({\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2)}{2}a\cosh \left(\frac{a}{g}\right)}---\left(2\right)$

反射面的等效阻抗为

$Z=\frac{\mathrm{j\ωL}}{1-{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{LC}}=j{X}_0---\left(3\right)$

其中，ε₀和μ₀为空气的介电常数和磁导率，ε₁和ε₂分别为光子晶体衬底和光子晶体外围材料的相对介电常数。

根据式(1)可知，光子晶体的电感与材料的磁导率成正比，光子晶体的电容与光子晶体衬底和其外面的材料的介电常数之和成正比。在需要光子晶体标签尺寸较小的时候，需要选择相对介电常数和相对磁导率大的材料。

如图2所示，所述光子晶体采用相对磁导率为30-100、相对介电常数为10-20的柔性高磁导率材料作为标签衬底1，例如美国爱默生-康明微波产品有限公司的ECCOPAD UHF-GL材料，标签衬底1长50-200mm，宽50-200mm，厚0.1-3.75mm，其上用3M9448双面胶粘贴有金属薄膜2，金属薄膜2长50-200mm，宽50-200mm，厚10μm，采用铜箔或者铝箔，金属薄膜2上蚀刻有整齐的以正方形、圆形、三角形或五边形膜片为阵元的金属阵列，阵元宽度按上述式(1)确定，阵元之间的缝隙宽度为是一致的。金属薄膜2的导电性表面和标签衬底1共同构成二维光子晶体结构，将原本的金属导电表面转变为导磁表面，电子标签3直接粘贴在金属薄膜2上。所述电子标签3的外围尺寸大于金属薄膜2上的金属阵元尺寸，为不小于5倍。

使用时，将电子标签3用3M9448双面胶粘贴在光子晶体的金属薄膜2表面的中央，电子标签3的粘芯片面的金属面不与光子晶体的金属面直接接触，然后将光子晶体背面的标签衬底1粘贴在使用标签物体的金属面。

实施例1，标签衬底采用美国爱默生-康明微波产品有限公司(Emerson& Cuming Microwave Products NV简称：E&C MP)的ECCOPAD UHF-GL材料，相对磁导率为30，相对介电常数为12，长为120mm，宽为50mm，厚为1.25mm，金属薄膜为铜箔或铝箔，长为120mm，宽为50mm，厚为1.25mm。通过计算可以得到，光子晶体上金属薄膜正方形阵元的边长为9mm，阵元之间的缝隙宽度为1mm。在联想扬天M5700N型电脑上，利用美国ANSOFT公司的HFSS软件进行仿真，仿真中只仿真单个光子晶体周期单元，空气介质直接覆盖在光子晶体单元之上，空气介质的尺寸为9×9×5mm，将光子晶体(除底面)和空气介质外露的边界设置为吸收边界，将光子晶体的底面设置为理想导电面Perfect E条件，仿真中将吸收边界条件设置为主从吸收边界条件进行仿真，仿真时设置中心频率为915MHz，仿真的频率范围为800-1000MHz，仿真扫描类型设置为离散discrete。仿真得到的该光子晶体的反射相位图，如图1所示，从图中我们可以看到光子晶体反射相位在±90°范围的频带宽度为800-1000MHz，完全可以满足860-960MHz范围内的使用。

本发明将柔性高磁导率材料、金属薄膜、粘接标签的物体的金属面结合在一起构成了光子晶体结构。光子晶体结构将粘接电子标签的物体的导电性表面转化为导磁性表面，同时形成高阻反射面，当天线直接粘接于理想导磁性表面的时候，天线增益会增加3dB，天线性能会增强，随着频率的偏移，粘接在光子晶体表面的标签性能会下降，但只要天线反射相位在±90°范围内，标签均可正常使用。光子晶体结构在UHF频段具有比较宽的带宽，可以保证标签在860-960MHz范围内正常使用。

所述衬底采用高磁导率材料，故光子晶体衬底的厚度可以控制在0.1-1mm之间，这样即可以保证电子标签在金属表面的正常使用，又不会使标签厚度有很大程度的增加。同时，为了保证光子晶体标签能够正常使用，粘接在光子晶体表面的标签外围尺寸必须远大于光子晶体上的阵元和缝隙宽度的尺寸，使用高磁导率材料可以保证有效减小光子晶体阵元和缝隙宽度的尺寸。

本发明直接使用粘接标签的物体的金属面作为反射面，且不需要金属薄膜上的阵元与金属面电连接，这样就减小了加工的难度，增强了标签的可使用性。

本发明的采用光子晶体的金属电子标签，适用于各种拥有金属表面的物体，性能稳定成本低，安装使用方便。

Claims (9)

1.一种采用光子晶体的金属电子标签，具有电子标签(3)，其特征在于：所述电子标签(3)粘贴在光子晶体上，所述光子晶体由相对磁导率为30-100、相对介电常数为10-20的柔性高磁导率材料作为标签衬底(1)，其上粘贴有金属薄膜(2)，金属薄膜(2)上蚀刻有整齐的膜片阵元的金属阵列，阵元之间的缝隙宽度一致，电子标签(3)粘贴在金属薄膜(2)上。

2.根据权利要求1所述的采用光子晶体的金属电子标签，其特征在于：所述标签衬底(1)长50-200mm，宽50-200mm，厚0.1-3.75mm。

3.根据权利要求2所述的采用光子晶体的金属电子标签，其特征在于：所述金属薄膜(2)长50-200mm，宽50-200mm，厚10μm。

4.根据权利要求3所述的采用光子晶体的金属电子标签，其特征在于：所述金属薄膜(2)采用铜箔或者铝箔。

5.根据权利要求4所述的采用光子晶体的金属电子标签，其特征在于：所述标签衬底(1)上用双面胶粘贴金属薄膜(2)。

6.根据权利要求5所述的采用光子晶体的金属电子标签，其特征在于：所述膜片阵元形状为正方形、圆形、三角形或五边形。

7.根据权利要求6所述的采用光子晶体的金属电子标签，其特征在于：所述电子标签(3)的外围尺寸大于金属薄膜(2)上的金属阵元尺寸，为不小于5倍。

8.根据权利要求7所述的采用光子晶体的金属电子标签，其特征在于：所述标签衬底(1)采用ECCOPAD UHF-GL材料。

9.根据权利要求1所述的采用光子晶体的金属电子标签，其特征在于：所述标签衬底，相对磁导率为30，相对介电常数为12，长为120mm，宽为50mm，厚为1.25mm，金属铜箔或铝箔，长为120mm，宽为50mm，厚为1.25mm，光子晶体上金属薄膜正方形阵元的边长为9mm，阵元之间的缝隙宽度为1mm。

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