CN102982368A - 基于折合振子的rfid超薄抗金属电子标签 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于折合振子的RFID超薄抗金属电子标签，在自由空间和金属表面均能够实现远距离读取，包括超高频RFID芯片、辐射体、超薄绝缘介质和金属薄层。辐射体为折合振子、多折合振子或其变形结构，且辐射面具有较大的金属面积，可以提高电子标签的接收能力，并屏蔽来自金属反射的电磁波的影响。辐射体不与金属薄层连接，采用无通孔和短路结构的单层印刷天线，同时不存在EBG那样的复杂结构，本发明的电子标签整体厚度达到0.5mm以下，具有超高的柔韧度，可以直接贴在金属管、含有金属薄层的包装袋和对厚度与弯曲程度有严格要求的金属物品上，制作工艺简单，极大降低生产成本。

Description

基于折合振子的RFID超薄抗金属电子标签

技术领域

本发明属于无线技术领域，具体涉及一种可贴附于金属表面的超薄抗金属电子标签。

背景技术

射频识别即RFID(Radio Frequency IDentification)技术，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID射频识别技术在物流管理、防伪、生产自动化和智能交通中都有重要的应用。

一套完整的RFID系统，一般是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是阅读器发射一特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。

在RFID系统中，一般的电子标签在靠近金属表面时无法工作，其主要原因是金属边界条件使得阅读器的询问信号的反射波与入射波相位相反，叠加后相互抵消，电磁波信号极大衰减，加之靠近金属时，电子标签天线的辐射电阻随着靠近金属面间距的减小会急剧减小，而损耗电阻基本不变，辐射效率和阻抗匹配因数也随之急剧减小，从而导致电子标签在距离金属表面接近1mm时天线增益非常低。多种原因导致金属表面的电子标签难以获得足够的能量激活芯片。

目前业界在解决抗金属电子标签的设计问题时常采用三种方法：

1.增加电子标签距离金属面高度。电子标签在距离金属表面大于0.05个工作波长(大约15mm)才能恢复自由空间特性，此方法必然增大电子标签体积。

2.使用吸波材料。吸波材料价格昂贵，大大增加了电子标签的制作成本，且只能抑制金属反射对电磁波信号的衰减，解决不了金属对电子标签阻抗的影响，且很难做到0.5mm以下。

3.采用特殊的电子标签设计结构。目前业界多采用微带或PIFA结构，辐射体通过金属通孔或者短路墙与金属薄层连接，此类电子标签的制作往往依赖于陶瓷、FR4或聚四氟乙烯材料，如中国专利ZL200820005922.1，采用微带结构设计，基板为FR4，其尺寸为64mm*32mm*3mm，工艺复杂，成本高，且这种结构的电子标签不能弯折，在金属包装物品的环境中难以应用。

现代的物流业中，金属物品随处可见，但是现有的电子标签并不能有效的解决其成本过高、在金属环境灵敏度不够的难题，需要提供一种既廉价又可以解决金属敏感性问题的电子标签。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于折合振子的RFID超薄抗金属电子标签，使其在不利用上述三种方法的情况下，有效解决现有技术中的抗金属电子标签成本太高、尺寸太厚、不能弯折、在金属表面灵敏度不高的技术难题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于折合振子的RFID超薄抗金属电子标签，其特性是，所述电子标签包括：辐射体、印刷基材及超高频RFID芯片，其特性在于，所述辐射体上设有细振子臂、粗振子臂和馈电环路缝隙，所述细振子臂中间设置有一缺口，所述超高频RFID芯片位于所述细振子臂缺口处。

进一步地，所述馈电环路缝隙为一个或者两个。

进一步地，所述馈电环路的缝隙形状为矩形、椭圆形或者梯形，所述馈电环路缝隙平行于细振子臂方向的缝隙长度大于垂直于细振子臂方向的缝隙长度。

进一步地，所述电子标签还包括一层金属薄层，且所述辐射体不与所述金属薄层连接。

进一步地，所述电子标签的整体厚度在1mm以下。

进一步地，所述电子标签的辐射体从天线结构来看为折合振子或者多折合振子或者折合振子多折合振子的变形结构。

进一步地，所述粗振子臂的宽度大于10mm，所述辐射体金属面积占整个辐射体边界所围成面积的三分之二以上。

进一步地，所述电子标签的剖面物理结构从上而下依次为：印刷基材，辐射体，第一胶层，超薄绝缘介质，金属薄层，第二胶层，或者为：印刷基材，辐射体，第一胶层，超薄绝缘介质，第二胶层。

进一步地，所述印刷基材为聚乙烯薄膜(PE)、聚丙烯薄膜(PP)、聚苯乙烯薄膜(PS)、聚酯薄膜(PET)、聚氯乙烯薄膜(PVC)、易碎纸、或者纸张。

进一步地，所述超薄绝缘介质为聚乙烯薄膜(PE)、聚丙烯薄膜(PP)、聚苯乙烯薄膜(PS)、聚酯薄膜(PET)、聚氯乙烯薄膜(PVC)、FR4、聚四氟乙烯、陶瓷、易碎纸或者纸张。

本发明的优点在于，采用简单的印刷方式即可实现的平面折合结构，制作方便，不存在生产工艺上的技术难题，电子标签的厚度最薄可达0.3mm以下，是目前业界采用非吸波材料制作的最薄且最廉价的抗金属电子标签，其印刷基材为软性绝缘材料，有很高的柔韧性，可以直接贴在金属管、含有金属的包装袋和对厚度有严格要求的金属环境中，有效解决一般抗金属电子标签工艺复杂、价格高、难以大规模应用的难题。

附图说明

图1是本发明实施例1中电子标签的平面结构示意图；

图2是本发明实施例1、2、3中电子标签的剖面结构示意图；

图3是本发明实施例2中电子标签的平面结构示意图；

图4是本发明实施例3中电子标签的平面结构示意图。

主要部件标识：

1、超高频RFID芯片，2、辐射体，21、细振子臂，22、粗振子臂，23、馈电环路缝隙，231、第二馈电环路缝隙，24、频率微调缝隙，3、印刷基材，4、第一胶层，5、超薄绝缘介质，6、金属薄层，7、第二胶层，8、金属物品。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明专利的技术方案，下面将对实施案例或现有技术描述中所需要的附图做简单介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，并不限制发明本身，对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

实施例1：

图1图2所示为本发明实施例的一种基于折合振子的超薄平面抗金属电子标签，其中，图1是本发明实施例1中电子标签的平面结构示意图；图2是本发明实施例1中电子标签的剖面结构示意图。如图1和图2所示，该超薄抗金属电子标签包括超高频RFID芯片1和辐射体2，辐射体2包含馈电环路缝隙23，超高频RFID芯片1在馈电环路缝隙23一边的细振子臂21上，细振子臂21中间有一缺口，用于放置超高频RFID芯片1，细振子臂21与超高频RFID芯片1电性或容性连接，馈电环路缝隙23可以是矩形、椭圆形、梯形或其变形结构，且馈电环路缝隙23平行于细振子臂21方向的缝隙长度大于垂直于细振子臂21方向的缝隙长度。辐射体2印刷在印刷基材3上，印刷基材3可以是聚乙烯薄膜(PE)、聚丙烯薄膜(PP)、聚苯乙烯薄膜(PS)、聚酯薄膜(PET)、聚氯乙烯薄膜(PVC)、易碎纸、纸张等绝缘材料。辐射体2下方附第一胶层4，第一胶层4采用不导电的绝缘胶，第一胶层4和超薄绝缘介质5黏合，超薄绝缘介质5厚度在1mm以下，超薄绝缘介质5材质可以是聚乙烯薄膜(PE)、聚丙烯薄膜(PP)、聚苯乙烯薄膜(PS)、聚酯薄膜(PET)、聚氯乙烯薄膜(PVC)、FR4、聚四氟乙烯、陶瓷、易碎纸、纸张等绝缘材料。在本发明中，为了防止金属物品8的不确定性对电子标签的影响，在超薄绝缘介质5下方设置金属薄层6，该金属薄层6的设置能够使金属物品8对标签的影响降到最小。金属薄层6底下涂有第二胶层7，制作完成后标签的整体厚度在1mm以下。电子标签通过第二胶层7直接贴在金属物品8上。需要说明的是，在本发明电子标签的其他变形结构中，电子标签也可以不设置该金属薄层6，这里所说的其他变形结构可以为但不限于本发明中所列举的实施例中的电子标签结构。在不设置金属薄层6时，电子标签仍然可以在金属物品8表面良好的工作，同时简化标签制作工艺，降低生产成本。

如图1所示，电子标签的辐射体2有较大的面积，包括细振子臂21和粗振子臂22，其超高频RFID芯片1所连接的细振子臂21宽度较细，粗振子臂22宽度大于10mm(从馈电环路缝隙23最靠近粗振子臂22的一边到粗振子臂22最外围边界的距离记为粗振子臂22的宽度)，通过增大粗振子臂22的宽度，可以屏蔽辐射体2下方的金属薄层6的影响，同时提高电子标签天线的接收面积，有效接收面积是衡量一个天线接收电磁波能力的重要指标，有效接收面积越大，则截获电磁波的能力越强。由于辐射体2金属面积较大，且距离金属薄层6低于1mm，垂直于电子标签表面的入射电磁波在辐射体2和金属薄层6之间形成辐射阴影区，阴影区内电磁波场约等于零，近似可以看成辐射体2和金属薄层6之间放置一层与辐射体2形状完全相同的吸波材料，当辐射体2的金属面积超过辐射体2边界所围成面积的三分之二时，可以屏蔽金属薄层6的超过一半的反射电磁波。使得电子标签在金属表面不至于因为电磁波的反射而无法工作。

无源超高频RFID芯片1的阻抗呈容性，例如Impinj_Monza4芯片阻抗为：10.2-j142Ω，电子标签天线需要一定的实部电阻和较强的感性电抗与其匹配，而一般半波对称偶极子在靠近金属时，相当于一个平行电容板，会引入一个很大的电容量，辐射体2与金属薄层6间距越小引入的电容量越大，天线的容性就增加的越大，同时电子标签在距离金属薄层6越近时辐射电阻越趋近与零，导致反射系数阻抗完全失配，超高频RFID芯片接收不到能量，天线与芯片匹配失谐。

本发明中辐射体2在馈电位置有一馈电环路缝隙23，此缝隙在本发明中必不可少，它是电子标签天线构成折合振子，多折合振子，以及折合振子多折合振子变形结构的必要条件，此馈电环路缝隙23在结构上直接由细振子臂21和粗振子臂22围成。细振子臂21直接与超高频RFID芯片1相连，因此其与超高频RFID芯片1的阻抗匹配也最为直接，减小细振子臂21的宽度，可以增大辐射电阻和感性电抗。同时，半波折合振子的阻抗大约是半波对称偶极子的四倍，对于三导线的半波折合振子其辐射阻抗约为9×73＝657欧姆，对于N根振子臂的半波折合振子，如果其所有振子臂上的电流相等，则总的辐射阻抗约为70N²欧姆，所以半波折合振子比普通半波对称偶极子在靠近金属时能够获得更高的辐射阻抗和辐射效率。

此实施例的电子标签尺寸为75mm*28mm*0.4mm，该厚度是业界利用非吸波材料制作的最薄的抗金属电子标签，配合9db的发射天线可以读取3米以上。超薄的厚度使其很好的与金属物品共形，不影响金属物品的外观。抗金属电子标签昂贵的价格一直是制约RFID行业发展的主要因素，本发明的抗金属电子标签采用印刷方式制作，极大降低生产成本，将有力的推动RFID行业印刷形式的电子标签在金属环境的应用。

实施例2：

请参见图3，图3是本发明实施例2中电子标签的平面结构示意图；该实施例中的电子标签结构与图1所示的实施例1中的电子标签相比，其大体结构相似，实施例2中的剖面结构示意图和实施例1中的图2完全相同，所不同的是图3在辐射体2上增加了频率微调缝隙24，改变频率微调缝隙24的大小，可以起到调节频率的作用，但是其不是决定标签性能的主要因素。

实施例3：

请参见图4，图4是本发明实施例3中的电子标签的平面结构示意图。该实施例中的电子标签结构与图3所示的实施例2中的电子标签相比，辐射体2增加了第二馈电环路缝隙231，通过改变第二馈电环路缝隙231的大小，可以使电子标签在两种频率范围内工作，达到拓展电子标签带宽的目的。实施例3中的剖面结构示意图和如图2所示的实施例1和实施例2中的剖面结构示意图完全相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于折合振子的RFID超薄抗金属电子标签，其包括：辐射体、印刷基材及超高频RFID芯片，其特性在于，所述辐射体上设有细振子臂、粗振子臂和馈电环路缝隙，所述细振子臂中间设置有一缺口，所述超高频RFID芯片位于所述细振子臂缺口处。

2.根据权利要求1所述的一种基于折合振子的RFID超薄抗金属电子标签，其特性在于，所述馈电环路缝隙为一个或者两个。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于折合振子的RFID超薄抗金属电子标签，其特征在于，所述馈电环路缝隙的形状为矩形、椭圆形或者梯形，所述馈电环路缝隙平行于细振子臂方向的缝隙长度大于垂直于细振子臂方向的缝隙长度。

4.根据权利要求1所述的一种基于折合振子的RFID超薄抗金属电子标签，其特性在于，所述电子标签还包括一层金属薄层，且所述辐射体不与所述金属薄层连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于折合振子的RFID超薄抗金属电子标签，其特性在于，所述电子标签的整体厚度为1mm以下。

6.根据权利要求1所述的一种基于折合振子的RFID超薄抗金属电子标签，其特性在于，电子标签的辐射体从天线结构上来看，为折合振子或者多折合振子或者折合振子多折合振子的变形结构。

7.根据权利要求1所述的一种基于折合振子的RFID超薄抗金属电子标签，其特性在于，所述粗振子臂的宽度大于10mm，所述辐射体金属面积占整个辐射体边界所围成面积的三分之二以上。

8.根据权利要求1所述的一种基于折合振子的RFID超薄抗金属电子标签，其特性在于，所述电子标签的剖面结构从上而下依次为：印刷基材，辐射体，第一胶层，超薄绝缘介质，金属薄层，第二胶层，或者为：印刷基材，辐射体，第一胶层，超薄绝缘介质，第二胶层。

9.根据权利要求1或8所述的一种基于折合振子的RFID超薄抗金属电子标签，其特性在于，所述印刷基材为聚乙烯薄膜(PE)、聚丙烯薄膜(PP)、聚苯乙烯薄膜(PS)、聚酯薄膜(PET)、聚氯乙烯薄膜(PVC)、易碎纸或者纸张。

10.根据权利要求1或8所述的一种基于折合振子的RFID超薄抗金属电子标签，其特性在于，所述超薄绝缘介质材料为聚乙烯薄膜(PE)、聚丙烯薄膜(PP)、聚苯乙烯薄膜(PS)、聚酯薄膜(PET)、聚氯乙烯薄膜(PVC)、FR4、聚四氟乙烯、陶瓷、易碎纸或者纸张。

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