CN102147877A - 一种电子标签 - Google Patents

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邓建华
王建
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Abstract

本发明涉及一种电子标签。本发明所要解决的技术问题是，降低背景材料对天线的影响，提高电子标签环境适应能力。本发明公开了一种电子标签，其结构包括基板和微带天线，所述微带天线制作在基板上，其特征在于，所述基板包括支撑层、金属贴片层、介质层和金属地；所述微带天线制作在基板正面，所述金属贴片层和金属地分别附着在所述介质层的两面，所述金属贴片层与支撑层接触，所述金属地位于基板背面；所述金属贴片层由介质层正面相互隔离的金属片构成，所述金属地由介质层背面的金属板构成，每一片金属片分别由穿过介质层的导体与金属板连接。本发明有效地减弱了金属、液体等复杂背景材料对天线谐振频率的影响可用于UHF频段的无源电子标签。

Description

一种电子标签
技术领域
本发明涉及射频识别技术，特别涉及一种电子标签。
背景技术
射频识别(RFID)技术是一种非接触式的自动识别技术。射频识别技术利用射频信号通过空间耦合来实现无接触的信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的。具体的，射频识别主要通过读卡器(或称为阅读器)和附着在被识别物体上的电子标签(或称为射频识别卡)之间的相互信息传递，由读卡器读出电子标签上携带的信息。射频识别技术具有很多突出的优点：非接触操作，长距离识别(可达几厘米至几十米)，应用方便；无机械磨损，寿命长，可工作于恶劣环境；RFID无源标签价格便宜，利于普及。随着射频自动识别技术的不断完善，RFID技术在物料跟踪、供应链管理、交通运输和门禁控制等领域应用广泛，市场前景广阔。一般电子标签的结构主要包括基板、天线(通常采用微带天线)及其连接的芯片等，目前用于射频识别技术的频段主要为910MHz、2.45GHz、5.8GHz三个频率段。上述频段具有天线方向性好、反向散射能力强、电磁干扰小等特点，因此在自动识别技术领域得到广泛的应用。工作在5.8GHz的RFID设备由于该频段自身的特点要满足较远识别距离的要求，识别卡是有源的，必须外置电池。目前工作在无源方式的射频识别卡，主要集中在2.45GHz、910MHz两个频段上。但2.45GHz的无源射频识别卡正常作用距离仅有2m左右，不能满足自动识别的要求。而工作在910MHz频段的无源识别卡在标准配置下其识别距离可达数米以上，因而在自动识别系统中得到广泛应用。无源识别卡其基本工作原理是：读卡器通过射频定向天线发射载波或调制波，激活电磁波辐射场内的电子标签，向电子标签供电和发出读写指令，电子标签收到指令后将存储的数据对负载进行调制后反向散射电磁波到读卡器，再经解调后得到电子标签返回的数据信息。
对于无源识别卡，由于受到发射功率的限制，识别距离的大小与天线的增益密切相关。要提高天线的增益，就要增大天线的有效面积，同时还需确保工作频率和阻抗的匹配。特别是在几何尺寸较小的无源射频识别卡上，要满足天线的增益、谐振频率及阻抗匹配要求，现有的微带天线和常规的设计、制作工艺是难于实现的。现有技术工作在910MHz频段(频率范围860～960MHz)的电子标签天线设计的技术难点主要是：1、天线尺寸大该频段的工作频率决定了该频段电子标签天线电尺寸偏大，如果采用一般的射频天线设计方法将导致天线尺寸偏大，严重影响其应用范围，所以必须采用缩小天线尺寸的新技术；2、对复杂背景材料的适应性差，该频段标签天线因电磁反向散射(Backscatter)特点，对金属和液体等环境比较敏感，导致这种工作频率的无源标签天线难以在具有金属表面的物体或液体环境下工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，降低背景材料对天线的影响，提高电子标签环境适应能力，在有限的空间实现标签性能的提升。
本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，一种电子标签，包括基板和微带天线，所述微带天线制作在基板上，其特征在于，所述基板包括支撑层、金属贴片层、介质层和金属地；所述微带天线制作在基板正面，所述金属贴片层和金属地分别附着在所述介质层的两面，所述金属贴片层与支撑层接触，所述金属地位于基板背面；所述金属贴片层由介质层正面相互隔离的金属片构成，所述金属地由介质层背面的金属板构成，每一片金属片分别由穿过介质层的导体与金属板连接。本发明基板应用人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor，AMC)地结构(由介质层及金属片和金属板构成)，减弱了不同背景材料，特别是金属物体和导电液体等对天线谐振频率的影响，有效地增大了复杂背景材料应用时的读写距离。
一种具体的支撑层材料为泡沫塑料。泡沫塑料成本低、质地柔软，便于粘贴微带天线。既作为微带天线和芯片的支撑体，也用于天线和AMC地结构之间的隔离。
优选的介质层材料型号为Rogers R03210。该材料为混合陶瓷材料，具有合适的介电常数，厚度适中不易变形，相比其它软性材料，对支撑层泡沫塑料具有良好的定型支撑作用。
具体的，所述金属片和金属板采用涂覆工艺在介质层正面和背面生成，所述导体为穿过介质层的金属化孔。采用涂覆工艺在介质层正面和背面生成金属膜，介质层正面的金属膜经过刻蚀加工形成相互隔离的金属片，构成了金属贴片层；介质层背面的金属膜构成了金属地。在每一片金属片上打孔穿过介质层及背面的金属膜，并对孔进行金属化处理形成金属化孔，将金属片与金属地连通。该工艺与印刷电路板制作工艺兼容，工艺成熟，制作流程简单。
优选的，所述金属片和金属板采用的材料为铜。采用金属铜材料，具有工艺兼容性好，电性能优异的特点。
具体的，所述微带天线工作频段为910MHz。
进一步的，所述基板正面面积≤50×28mm2。
进一步的，所述微带天线由对称的两段构成，其馈电端为开槽微带，其开放端设置有微带环。
具体的，所述微带环为矩形环。
更进一步的，所述微带天线馈电端和开放端之间的微带有折弯。
本发明的微带天线以微带偶极子天线为原型，通过微带曲折、天线开放端矩形环电容加载、馈电端开槽微带技术，在实现同等技术指标情况下，极大地缩小了天线的物理尺寸，天线开放端采用矩形环加载结构，通过其感应加载效应进一步减小天线尺寸，并可以保持天线的辐射性能。为实现与RFID芯片良好的阻抗匹配，馈电端采用开槽微带结构，通过合理设计使开槽微带的谐振频率落在天线的工作频段内，实现与RFID芯片良好的阻抗匹配。
本发明的有益效果是：通过将AMC地结构应用于电子标签并结合开槽微带结构形成一个k变换器，可以实现在整个工作频段内与RFID芯片的阻抗匹配，有效地减弱了金属、液体等复杂背景材料对天线谐振频率的影响，使得标签天线具有了较强的对多种复杂背景材料的兼容能力，大大扩展了电子标签应用范围。本发明应用微带曲折、终端矩形环电容加载等技术进行微带偶极子天线的小型化，在实现同等技术指标情况下能够极大缩小RFID标签天线的尺寸。
附图说明
图1是实施例的结构示意图；
图2是图1去掉芯片的俯视图；
图3是图1去掉支撑层及其以上部分的俯视图；
图4是图1的仰视图；
图5是实施例的电子标签微带天线辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明的电子标签，对标签中的基板和制作在基板上微带天线部分进行了改进和优化。基板部分的改进，本发明采用人工磁导体(AMC)地结构，减弱了不同背景材料，特别是金属物体和导电液体等对天线谐振频率的影响，有效地增大了复杂背景材料应用时的读写距离。微带天线部分的改进，本发明的电子标签天线以微带偶极子天线为原型，采用开放端(或称为终端)矩形环电容加载技术、微带曲折等技术，在实现同等技术指标情况下，极大地缩小了天线的物理尺寸。馈电端采用开槽微带结构形成一个k变换器，在整个工作频段内能够与芯片的阻抗实现良好的匹配。
实施例
本例电子标签，包括基板和微带天线。参见图1、图2、图3和图4，本例中基板由支撑层20、金属贴片层31、介质层30和金属地32构成。这里金属贴片层31、介质层30和金属地32构成AMC地结构，具体制作工艺是在介质层正面和背面生成金属膜，本例采用的金属膜材料为铜。介质层30正面的金属膜经过刻蚀加工形成相互隔离的金属片，构成了金属贴片层31；介质层背面的一张整体的金属膜构成了金属地32。金属贴片层也可以采用在介质层30正面粘贴矩形金属薄片构成。AMC地结构中，介质层30正面的每一片金属片都通过导体穿过介质层30与金属地32连通，具体工艺可以采用印刷电路板工艺中的金属化孔的工艺，即在每一片金属片上打孔穿过介质层30及背面的金属膜，并对孔进行金属化处理形成金属化孔33，将介质层正面的金属片与背面的金属地32电连通。装配的时候，将金属贴片层贴在支撑层背面与支撑层接触，这样金属地32就位于基板背面了。本例微带天线11制作在基板正面，具体制作工艺是先将微带天线制作在很薄的柔软介质薄膜上，然后将介质薄膜贴在泡沫塑料材料支撑层20上，泡沫塑料支撑层20厚度约2mm。其质地柔软，便于粘贴微带天线11，既作为微带天线11和芯片10的支撑体，也用于微带天线11和AMC地结构之间的隔离。本例介质层30材料型号为Rogers R03210，其介电常数εr为10.2，介质损耗角正切tan为0.003，厚度为0.64mm。本例微带天线可工作于902～928MHz频率范围，正好处于910MHz的UHF(超高频)频段。本例整个电子标签的正面面积(即基板正面面积：a×b)为50×28mm2。本例芯片10采用Philips公司的UCODE EPC Gen2。
由图2可见，本例微带天线由对称的两段构成，其馈电端110为开槽微带结构，即天线与芯片连接处的微带进行了镂空处理，通过合理设计使开槽微带的谐振频率落在天线的工作频段内，形成一个k变换器，可以实现在整个工作频段内与芯片的阻抗匹配。图2中天线的开放端111设置有矩形微带环。通过其感应加载效应进一步减小天线尺寸，并可以保持天线的辐射性能。本例微带天线馈电端和开放端之间的微带有4个折弯。通过对微带进行多次弯折，克服了偶极子天线尺寸过窄过长不便于应用的缺点，在维持其电长度不变的前提下使其基本具有了合适的长度、宽度尺寸。
图3示出了金属贴片层的结构，图中可以看出，金属贴片层由周期性分布的金属片构成，每一金属片通过金属化孔33与介质层30背面的金属地32电连通。从图4可以看出金属化孔与金属地32的连接情况。
本例标签天线的辐射方向图如图5所示，图中示出了910MHz频率时，天线的辐射情况。该天线后向辐射很低、前向辐射均匀，由于电子标签使用时，其背面(金属地)朝向背景材料，从而使其受背景材料影响较少，读写距离和读写角度达到很好的平衡。

Claims (10)

1.一种电子标签，包括基板和微带天线，所述微带天线制作在基板上，其特征在于，所述基板包括支撑层、金属贴片层、介质层和金属地；所述微带天线制作在基板正面，所述金属贴片层和金属地分别附着在所述介质层的两面，所述金属贴片层与支撑层接触，所述金属地位于基板背面；所述金属贴片层由介质层正面相互隔离的金属片构成，所述金属地由介质层背面的金属板构成，每一片金属片分别由穿过介质层的导体与金属板连接。
2.根据权利要求1所述的一种电子标签，其特征在于，所述支撑层材料为泡沫塑料。
3.根据权利要求1或2所述的一种电子标签，其特征在于，所述介质层材料型号为RogersR03210。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种电子标签，其特征在于，所述金属片和金属板采用涂覆工艺在介质层正面和背面生成，所述导体为穿过介质层的金属化孔。
5.根据权利要求4所述的一种电子标签，其特征在于，所述金属片和金属板采用的材料为铜。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种电子标签，其特征在于，所述微带天线工作频段为910MHz。
7.根据权利要求6所述的一种电子标签，其特征在于，所述基板正面面积≤50×28mm2。
8.根据权利要求7所述的一种电子标签，其特征在于，所述微带天线由对称的两段构成，其馈电端为开槽微带，其开放端设置有微带环。
9.根据权利要求8所述的一种电子标签，其特征在于，所述微带环为矩形环。
10.根据权利要求7所述的一种电子标签，其特征在于，所述微带天线馈电端和开放端之间的微带有折弯。
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