CN102130373B - 小型化射频识别标签及其中的微带贴片天线 - Google Patents

小型化射频识别标签及其中的微带贴片天线 Download PDF

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Abstract

本发明是一种采用微带贴片天线的小型化射频识别标签。其中小型化射频识别标签包括：芯片、电介质、及微带贴片天线，其中，所述微带贴片天线是附着在所述电介质的表面，所述微带贴片天线包括与芯片连接的连接部及辐射面，所述连接部与所述芯片通过铝线或银线连接来作为绑定芯片的方式。其中所述辐射面两边至少具有一个切口，使之具有比半个波导波长长度的标签天线更小的尺寸，且仍能获得良好的读写性能。由于入射波的波峰和经过标签天线地的反射波波峰在辐射面上叠加，由此可以获得足够能量把芯片信息返回给读写器，所以即使标签接触到金属面上，读写距离与普通标签在金属物体上使用的情况相比也不会锐减，同时又能使标签做到小型化。

Description

小型化射频识别标签及其中的微带贴片天线
技术领域
本发明是一种小型化射频识别标签及其天线，更详细来说，是一种能够在金属环境下的使用小型化射频识别标签及其微带贴片天线。
背景技术
射频识别 [Radio Frequency Identification] 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。从系统上来说，RFID是一种无线通信系统，由一个阅读器[Reader]和若干应答器（或称标签[Tag]）组成。
与被动型射频识别的读写器不同，射频识别标签是附着于多种材质和不同形状的物体上使用。但是标签中使用的某一天线结构，在附着于不同材质表面时具有不稳定的识别率，并需要考虑具体测试环境的不同具体设计。例如现有射频标识标签在金属物体上使用时，读写性能就会恶化，而具有稳定的读写性能是标签天线设计的基本要求。
在射频识别技术中，为了尽量增大读取距离，射频识别标签天线的设计尤为重要。目的在于需要将最大的辐射功率传达到射频识别芯片上，为此，射频识别标签具有良好的辐射特性的同时，还要与标签芯片良好地整合。通常，射频识别标签芯片既需要记录多种信息，又要能被读取保存的信息。
当射频识别标签天线附着于金属物体上时，标签天线的辐射方向图 [RadiationPattern] 对此会非常敏感，因此需要在设计天线时予以注意。一般偶极子天线接近金属物体时，辐射的电磁波将从金属表面反射或者损耗掉，无法保证传递给射频识别标签芯片工作所需要的足够能量，且随着金属表面和天线之间的寄生电容的变化，谐振频率[Resonance Frequency]及辐射效率[ Radiation Efficiency]等特性也会发生变化。传统的抗金属标签，通常是在金属物体和标签天线之间插入不同的材质，以使得标签与金属之间保持一定间隔。然而，采用这样的方法制造的标签天线用在实际产品上时多少有些不便，在不同环境下，例如不同的金属物体、不同的形状等等，不同的条件对标签天线的要求有所不同，也不利于批量生产，而且使用环境会引起标签的损伤（特别是厚度及大小变化）不利于标签的小型化。
因此，将金属物体作为天线的接地面[Ground]来使用的天线，应考虑为金属物体附着型标签天线。
此种天线类型最常见的就是微带贴片天线[Microstrip Patch Antenna]和PIFA[Planar Inverted-F Antenna]天线。
通常采用PCB板的微带贴片天线[Microstrip Patch Antenna]的制造相对容易，成本较低，但如果在谐振频率处将天线尺寸按半波长大小来设计，标签天线的尺寸就会偏大，这是其主要缺点。另外，采用微带贴片天线[Microstrip Patch Antenna]结构的射频识别标签在遇到金属材质的物体时还会产生不需要的超高频（UHF）的副作用。与微带贴片天线[Microstrip Patch Antenna]相比，PIFA天线在谐振频率上通常设计成1/4波导波长大小，由此小型化变为可能，但缺点在于制造工程烦琐，另外，当PIFA天线附着于金属物体上时，随着金属表面的材质和形状不同，其谐振频率会发生严重漂移。
有鉴于此，本发明提供一种小型化的射频识别标签天线，来解决上述已成为业界亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明作为解决上述问题的方法，提出将金属物体作为天线的接地面[Ground]来使用的方法。采用这种方法的射频识别标签附着于金属物体上时，在各个位置上都具有稳定的读取率。
首先本发明将连接部设计成微带[Microstrip]形式，并使其与辐射面直接连接；连接射频识别芯片的位置可设计在介质板的上、下、侧面的任何一处。其次本发明的目的在于提供在射频识别标签附着空间狭小的情况下仍能正常使用的结构。本发明的射频识别标签天线辐射面具有“一”字型切口（Slit），于是在天线尺寸小于标签1/2工作频率波导波长长度下，也可以将射频识别标签天线小型化。再者，本发明的目的在于提供制造工程比较简单，制造费用相对低廉，可以用简单的方法制造各种频段的射频识别标签天线，并可以实现超小型化的金属附着型射频识别标签。最后，本发明为了小型化，电介质采用的是相对介电常数较高的陶瓷。
基于上述目的，本发明在小型化射频识别标签设计中，提出一种的微带贴片天线[Microstrip Patch Antenna]形式，此种微带[Microstrip]天线包括连接部1,2和辐射面，与连接部连接的芯片,接地面。其中辐射面至少有一个“一”字形切口（Slit）。上述的切口（Slit）可以是圆形、椭圆形、多边形中的任意一种。切口（Slit）的大小是可调节的。连接部两侧与所述辐射面之间具有一定间隔。辐射面的形状为圆形、椭圆形、多边形中的一种。
在具体实施中，此种小型化射频识别标签芯片周边具有根据所述芯片的高度而设置的保护涂层，而所述保护涂层可以是陶瓷、橡胶等。微带贴片天线[Microstrip PatchAntenna]的连接部和辐射面是设置在与所述接地面[Ground]相对的一面，且所述连接部将芯片连接在与微带贴片天线[Microstrip Patch Antenna]同一面上、或与所述接地面[Ground]同一面上、或所述微带贴片天线[Microstrip Patch Antenna]和接地面[Ground]连接的一个侧面上。所述连接部两侧与所述辐射面之间具有一定的间隔。所述辐射面可以为圆形、椭圆形、多边形中的一种。微带贴片天线[Microstrip Patch Antenna]的辐射面和接地面[Ground]都是由银制成。
根据如上所述的小型化射频识别标签中的天线设计的小型化射频识别标签辐射面或底面的长度及宽度、辐射面上形成的切口（Slit）的长度和宽度，具有以理想的谐振频率及多种标签芯片匹配为目的的阻抗易匹配的优点；供电方式上因使用了微带[Microstrip]，可以将连接部的位置根据应用的环境，在上、下、侧面的任意一处，且芯片连接后不“凸出”，不易受到外接环境造成的损伤，因能够以简单的Print形态构成天线，所以，不仅可以大量生产，而且还具有低廉的制造费用，还可附着于金属物体上。
基于本发明的小型化射频识别标签，作为附着于金属的标签制品，即使附着于多种形态的金属上也不会过分的降低性能，并能保持稳定的读取率；因制作简单，可实现多样形状的变化，具有易适用于广阔的应用领域上的优点。
附图说明
图1是基于本发明的一实施实例：可附于金属的超高频（UHF）射频识别标签天线的立体图；
图2是基于本发明的另一实施实例的立体图；
图3是图1，图2的侧面图；
图4是图1中本发明的微带贴片天线[Microstrip Patch Antenna]的连接部和辐射面的俯视图；
图5是基于图2的实施实例的正面俯视图；
图6是在不同反射板尺寸下的最大读写距离的测试图；
图7是基于图1的本发明H面极坐标方向图的测试图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所述内容轻易地了解本发明的优点与功能。本发明也可通过其他不同的具体使用背景加以实施或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的目的前提下进行各种修饰与变更。
射频识别(Radio Frequency Identification)技术，是在各事物上附着电子标签，通过无线认识事物的固有 ID，对事物进行识别的技术。射频识别系统，按适用领域在125kHz的频带至5.8GHz的频带。
最近，在流通物流领域等，随着对远距离识别要求的增加，射频识别系统工作频率提高至超高频（UHF）带以上。随着频率的增加，在读取距离的系统性能最大化上，射频识别标签天线的设计成为非常重要的因素。
特别是在没有额外的电源的情况下，被动型射频识别标签天线通过对读写器发出的电磁波信号进行整流而获得自身工作电源，在设计上需要尽可能最大限度地控制电磁波损耗，为此，该种标签应同时具备良好的辐射特性以及与标签芯片的完整的阻抗整合。
本发明的小型化射频识别标签天线主要由连接部和辐射面构成。所谓连接部是对从读写器输出的电磁波进行整流来获得工作电源，并将获得的电源供给辐射面。上述连接部是由连接射频识别标签芯片的小段矩形微带[Microstrip]线构成的。此时，被动型射频识别标签芯片就置于上述供电微带[Microstrip]线上。
上述辐射面与上述连接部通过微带[Microstrip]线直接连接，其电长度约为工作频率下波导波长长度的1/2。
上述射频识别标签从读写器发射的电磁波通过电磁感应获取标签芯片工作所需要的能量，标签芯片获得激活所需要的能量后完成反向散射电磁波的过程，该过程工作在射频识别频带中心频率上。上述射频识别频带根据各国标准有不同的频率范围。
下面，参照附加图纸，详细说明本发明的实施方式。
请参阅图1和图2，是基于本发明的两个实施实例。可附于金属物体表面的超高频（UHF）射频识别标签的立体图，如图所示，本发明的小型化射频识别标签(100)包括：接地面[Ground](10)、接地面[Ground](10)的上的陶瓷电介质(20)、陶瓷电介质(20)上的辐射面(30)和上述辐射面(30)连接的连接部1(31)所形成。上述连接部1(31)为了给在侧面的芯片（33）供电，贴着介质板呈90度弯曲，与接地面[Ground]（10）具有的连接部2（11）将芯片连接到侧面而形成。当然，在其他实例中，所述芯片也可以设置在所述电介质（20）的上面或者下面，即与所述连接部1（31）或者接地面[Ground]（10）同一平面。
更详细来说，上述辐射面(30)是拥有1/2波导波长长度的微带贴片天线[Microstrip Patch Antenna]，上述辐射面(30)上形成至少一切口(Slit)(32)，即使是更小的辐射面面积也能保持在所需要的频段谐振，由此大幅缩小了小型化射频识别标签(100)的尺寸。切口（Slit）(32)的形状也可以根据具体情况改为圆形、椭圆形、多边形等多种形状。切口（Slit）在辐射面上的位置也可依据具体情况，设计为对称或者不对称结构，如图2所示。
通过调整上述切口(Slit)(32)的长度和宽度，可以调节小型化射频识别标签天线(100)的谐振频率。在标签产品在使用过程中，如遇到不同频段范围的要求时，可以对切口（Slit）进行调整，不需要再进行产品或者天线的更换，这样更有利于产品批量生产；本实施实例中，切口(Slit)的长度是上述辐射面(30)宽度的1/3，Slit的宽度不超过0.5mm。
与上述辐射面(30)连接的连接部1(31)终端的侧面上，具有被动型射频识别芯片IC Chip(33)。
请参阅图3，是图1和图2的侧面图，如图所示，构成标签天线的接地面[Ground](10)。接地面[Ground](10)的上部附着于陶瓷电介质(20)上，在陶瓷电介质(20)的上部附着辐射面(30)和与辐射面(30)连接的连接部1(31)，上述连接部1(31)为了侧面的供电以90度弯曲的形式将芯片连接到侧面。上述小型化射频识别标签(100)作为利用1/2波导波长辐射面谐振的微带贴片天线[Microstrip Patch Antenna]构造，因电场的最大点及最小点同时发生在上述辐射面(30)上，所以将小型化射频识别标签(100)附着于任意的金属面上，都可以在标签天线的性能不发生变化的情况下使用。
上述陶瓷电介质(20)是由具有固定相对介电常数的陶瓷材料构成的，而在其他实施实例中，上述芯片（33）周边可以具有根据所述芯片的高度而设置的保护涂层，例如陶瓷层、或橡胶层等用以保护芯片。
同时，作为理想的一实例，上述小型化射频识别标签(100)的全长12～25mm，宽10mm，厚度1.5～3mm以内，即超小型化的使用成为可能。
请参阅图4和图5，为图1和图2中本发明的微带贴片天线[Microstrip PatchAntenna]的连接部和辐射面的详细图。图4和图5区别仅仅在于切口的分布形式不同。如图所示，本发明的微带贴片天线[Microstrip Patch Antenna]中上述辐射面(30)与上述的连接部1(31)连接，上述连接部1(31)为侧面芯片供电，弯曲成90度的形状将芯片连接至侧面，连接至上述侧面的连接部1(31)的终端处上的芯片是被动型射频识别芯片IC Chip(33)。上述连接部两侧以及与所述辐射面之间具有一定间隔[D]。
更详细来说，上述形成切口（Slit）的小型化射频识别标签(100)的尺寸为 12mm×7mm × 3mm，上述辐射面(30)和连接部1(31)、接地面[Ground]为了获得高电导率，全部由银[Ag]制成。这种材质也可以是铜，铝等导电金属的任意一种。
需要特别指出是，通过对上述连接部1(31)的长度[L]、宽度[W]、与辐射面之间的间隔[D]的变化，可调节小型化射频识别标签(100)的虚部阻抗和实数阻抗。
本实施例中，将辐射面的面积最大化的同时，为了阻抗匹配，可将上述连接部1(31)调整为长[L]10mm以内，宽[W]为3mm以内，与辐射面的距离[D]为1mm以内。实际使用时，可以根据所需要的频率，将辐射面的尺寸作出一定改变。
从图3中给出了本发明芯片的放置位置。连接部1（31）连接芯片的一端和辐射面，连接部2（11）连接芯片的另一端和接地面[Ground]。芯片通过非常短的银线或者其他良导体引脚绑定到连接部1,2。在实际使用当中，可以根据保护芯片的需要，将芯片绑定点放置于与辐射面共面的平面，或者标签天线的侧面，以及标签天线的接地面[Ground]。经试验，反射板尺寸大小会对标签的最大读写距离造成影响。亦即标签有最佳使用环境，可以得到设计的最大读写距离。
由图6可以看出，当反射板尺寸较小时，所测的射频识别标签的谐振频率容易抖动，读写距离不稳定，这对大规模生产是不利的，当读写距离锐减时，在设计时就必须根据具体的使用环境做出调整。但从图中可以看出，当板尺寸在100×100mm以上时，读写距离基本趋于稳定。与小尺寸反射板测得的数据相比，无论从最大读写距离还是稳定程度上来说，都有很大的提高。
图7给出了测试的本发明天线的H面辐射方向图[Radiation Pattern]。从图中可以看出，天线的半功率波束宽度较窄，方向性较好，可获得优异的读写距离。
本发明所述的小型化射频识别标签(100)并不附着在金属表面来测定读取距离时有最大的读取距离为1.7m。当附着在金属表面时，金属物体的大小为20x20mm时，读取距离最大为1.5m，金属物体的大小为60x60mm时，有最大读取距离1.6m。标签在不同反射板尺寸下的读取距离在图4中给出。当应用在大尺寸金属物体上时，具有稳定的读取距离。
由此可以知道，当本发明的小型化射频识别标签(100)附着在金属上时，被附着的金属物体的大小不会对最大读取距离造成不可容忍的影响，因此，这种标签在金属环境下可以得到很好的应用。
如上所述，参照根据本发明的小型化射频识别标签及其具有的微带贴片天线[Microstrip Patch Antenna]的图示为例进行了说明，上述图纸和发明的详细说明属于理论结果，所以，在实际使用中并不会按实例与图纸来限定本发明。

Claims (9)

1.一种小型化射频识别标签，其包括：芯片、电介质、及微带贴片天线，其中，所述微带贴片天线附着在所述电介质的表面，且所述微带贴片天线的电长度为工作频率下波导波长的1/2；所述微带贴片天线包括相互连接的连接部及辐射面，所述连接部包括第一连接部和第二连接部，所述两个连接部与所述芯片通过铝线或银线直接连接来绑定,所述第一连接部两侧与所述辐射面之间具有间隔；所述微带贴片天线还包括接地面，所述第一连接部连接芯片的一端和辐射面，所述第二连接部连接芯片的另一端和接地面；所述接地面的上部附着电介质，所述电介质上部附着辐射面，所述电介质为具有高度的设计，所述第一连接部和辐射面是设置在与所述接地面相对的一面，且所述第一连接部与所述第二连接部将所述芯片连接在与所述微带贴片天线和接地面连接的一个侧面上，所述第一连接部和所述第二连接部的宽度不同。
2.根据权利要求1所述的小型化射频识别标签，其特征在于，所述芯片周边具有根据所述芯片的高度而设置的保护涂层。
3.根据权利要求1所述的小型化射频识别标签，其特征在于，所述第一连接部的长调整为10mm以内，宽为3mm以内，与辐射面的距离为1mm以内。
4.根据权利要求1所述的小型化射频识别标签，其特征在于，所述第一连接部与所述第二连接部将所述芯片连接在所述微带贴片天线同一面上或与所述接地面同一面上。
5.根据权利要求2所述的小型化射频识别标签，其特征在于，所述的保护涂层为陶瓷或橡胶，所述电介质为陶瓷。
6.根据权利要求1所述的小型化射频识别标签，其特征在于，所述微带贴片天线是由银制成。
7.根据权利要求1所述的小型化射频识别标签，其特征在于，所述辐射面为圆形、椭圆形、多边形中的一种。
8.根据权利要求1或7中的任一所述的小型化射频识别标签，其特征在于，所述辐射面的两边至少具有一切口。
9.根据权利要求8所述的小型化射频识别标签，其特征在于，所述切口为圆形、椭圆形、多边形中的一种。
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