CN103178336A - 超薄型双频微带贴片天线阵式rfid标签天线 - Google Patents

超薄型双频微带贴片天线阵式rfid标签天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线，该RFID标签天线具有单元阵列(1)、基片(2)以及基片底板(3)，辐射单元阵列(1)具有围绕该芯片成非对称结构的分布形式，由第一辐射单元(5)与第三辐射单元(7)构成RFID标签天线(9)的低频谐振系统，由第二辐射单元(6)与第四辐射单元(8)构成RFID标签天线(9)的高频谐振系统。由此实现双频效果，从而使本发明的RFID标签天线达到欧洲和美国的两个不同频段性能的兼容性，实现双频段特性。

Description

超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线
技术领域
本发明涉及一种RFID标签天线，尤其是涉及一种超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线。
背景技术
RFID(Radio Frequency Identification)——射频识别技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，它包括电子标签(tag)、读写器(reader)两个主要部分，附有编码的标签和读写器通过天线进行无接触数据传输，以完成一定距离的自动识别过程。目前的射频识别系统按照使用的频段划分，可以分为低频系统(30～300KHz)、中高频系统(3-30MHz)以及超高频和微波系统(300MHz-3GHz或大于33GHz)。作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和消息标椎化的基础，已经被世界公认为本世纪十大重要技术之一，随着UHF频段中国标准的逐渐明朗化以及物流、智能交通、数字景区等应用的需求，UHF频段RFID产品在RFID产业中所占市场份额会越来越大。RFID标签天线和读写器天线作为通信的重要工具，在识别系统中发挥着重要作用。为了在较长的工作距离上快速读取标签上的信息，高频段的系统正备受关注，而RFID标签天线是RFID系统中最易变的部分，并且其设计面临着小型化，共形化、低成本、低损耗的实际要求，所以优化设计RFID标签天线在整个RFID系统中占有重要地位。
目前各地区使用RFID标签天线的频带宽度在其高频范围内仍不尽一致，例如欧洲采用866～868MHz的频段，而美国则采用902～928MHz频段，当RFID标签天线在上述不同地区的不同频带宽度地区进行切换时，现有技术的RFID标签天线由于带宽限制，也很难在不同频带宽度的地区被识别。并且，由于现有RFID标签天线在谐振频率低于910MHz时，导致读取距离明显不佳。为取得良好的识别效果，就必须增加现有RFID标签天线的厚度及长宽尺寸，由此带来RFID标签天线外形尺寸增加和成本上涨。
因此，一种新型的具有兼容功能的可远距离识别的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线成为行业内产品发展的方向。
发明内容
本发明基于RFID标签天线厚度在1mm及以下时设计的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线，本发明目的在于提供一种超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线，具有小型化、低损耗以及可远距离识别的特点。
本发明提供一种超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线，包括辐射单元阵列、基片以及基片底板，辐射单元阵列上具有芯片，芯片位于辐射单元阵列的中央，辐射单元阵列具有第一辐射单元和第二辐射单元以及第三辐射单元和第四辐射单元，第一辐射单元和第二辐射单元以及第三辐射单元和第四辐射单元围绕芯片呈非对称结构分布。
基于以上构思，本发明的非对称结构分布形式为辐射单元阵列的第一辐射单元和第四辐射单元位于的芯片的一侧，辐射单元阵列的第二辐射单元和第三辐射单元位于芯片的另一侧。
基于以上构思，本发明的非对称结构分布形式为第一辐射单元和第三辐射单元呈与芯片对角线分布，第二辐射单元与第四辐射单元呈与芯片对角线分布的形式。
基于以上构思，本发明的第一辐射单元与第三辐射单元构成RFID标签天线的低频谐振系统，第二辐射单元与第四辐射单元构成RFID标签天线的高频谐振系统。
基于以上构思，本发明的辐射单元阵列具有隔离单元。
基于以上构思，本发明的辐射单元阵列的第一辐射单元与第四辐射单元之间具有第一隔离单元。
基于以上构思，本发明的辐射单元阵列的第二辐射单元和第三辐射单元之间具有第二隔离单元。
基于以上构思，本发明的基片的具有短路结构。
基于以上构思，本发明的短路结构是位于基片的两侧面的短路面，或者是基片上的导电过孔。
本发明的有益效果在于克服了RFID标签天线的小型化、各地区之间频率不同从而导致RFID标签天线无法兼容以及RFID标签天线远距离读写难题，本发明基于超薄介质1mm及以下时设计，性能表现相比其他而言最为明显，提高了RFID标签天线的带宽范围，使得本发明的RFID标签天线可于更宽频宽范围下使用。
附图说明
图1为本发明的RFID标签天线结构示意图；
图2为本发明的RFID标签天线的辐射单元阵列结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施过程作详细介绍。
参见图1和图2，本发明的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9具有基片2和分别附着于基片2上表面的辐射单元阵列1和下表面的基片底板3以及位于辐射单元阵列中央的芯片10，基片2两侧具有短路面4。
本发明的辐射单元阵列1具有4个同极化非对称的辐射单元构成天线阵列，4个辐射单元均为同方向的线性极。构成辐射单元阵列1的第一辐射单元5和第四辐射单元8位于芯片10的一侧，辐射单元阵列1的第二辐射单元6和第三辐射单元7位于芯片10的另一侧。第一辐射单元5和第三辐射单元7呈与芯片10对角线对称分布、第二辐射单元6与第四辐射单元8呈与芯片10对角线对称分布的形式。组成辐射单元阵列的辐射单元围绕芯片10呈非对称形式分布，其中，第一辐射单元5与第三辐射单元7结构相同，构成本发明超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9的低频谐振系统，适应欧洲的标签天线工作频段，第二辐射单元6与第四辐射单元8的结构相同，构成本发明超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9的高频谐振系统，适应美国的标签天线工作频段，从而使本发明的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9达到欧洲和美国的两个不同频段性能的兼容性，实现双频段特性，本实施例仅是为说明本发明的非对称结构而进行的举例说明，但本发明的辐射单元非对称分布形式并不仅限于此，在其他形式的非对称结构中，构成低频谐振系统的第一辐射单元5和第三辐射单元7也可以是分别位于芯片10的两侧，但都是靠上侧分布或是靠下侧分布，而构成高频谐振系统的第二辐射单元6和第四辐射单元8位于芯片两侧的下侧或者上侧，即上一实施方式中的第二辐射单元6和第三辐射单元7的位置互换，由此构成上下不对称的辐射单元阵列。同时本发明的辐射单元阵列还可以通过调整辐射单元缺陷尺寸，即调整辐射单元的面积来微调该超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9的谐振频率，此处所提及的调整辐射单元缺陷尺寸是通过调整所形成的辐射单元的尺寸来实现的。
以上实施方式仅是以具有四单元辐射单元的非对称结构的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9为例进行结构说明，并非用于限制本发明的辐射单元天线阵列结构，本发明的辐射单元天线阵列结构可根据实际需要延展至六单元或者八单元阵列等。
以下结合表1实验数据对本发明具有四辐射单元阵列的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9的有益效果进行说明。
表1：
Figure BDA0000122683310000041
根据表1数据可以看出，采用普通对称结构或者开槽结构RFID标签天线产生的双频效果，在适用于欧洲标准的866MHz及适用于美国标准的910MHz两个谐振频率下其S11参数相差30，该S11参数为反射系数，反映芯片与RFID标签天线的阻抗匹配程度，S11参数越小标示反应匹配越好，能量传输越大。表1中普通RFID标签天线不仅S11参数较本发明的具有非对称结构的辐射单元阵列的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9的S11参数值高，且很难保持一致水平，而且增益也较本发明的四单元辐射单元阵列的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9的增益减少，本发明的具有四辐射单元阵列的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9在适用于欧洲标准的866MHz及适用于美国标准的910MHz两个谐振频率下良好的保持了S11参数的稳定性，并且相较普通RFID标签天线具有更高的增益G。
作为本发明的另一更优实施方式，本发明的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9的辐射单元阵列1具有隔离单元，其中第一辐射单元5与第四辐射单元8之间具有第一隔离单元11，以降低第一辐射单元5与第四辐射单元8之间的耦合，第二辐射单元6和第三辐射单元7之间具有第二隔离单元12，以降低第二辐射单元6和第三辐射单元7之间的耦合，提高超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9的增益，有上述四个辐射单元及两个隔离单元共同构成四单元天线阵列。
以下结合表2实验数据本发明具有隔离单元辐射单元阵列的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9的有益效果进行说明。
表2：
Figure BDA0000122683310000051
根据表2数据可以看出，本发明的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9采用隔离单元11和12后，相较无隔离单元时，相近谐振频率为867～870MHz时，增益G1增加0.8db，谐振频率为915～917MHz时，增益G2增加0.9db。
标签天线的读取距离r的确定一般是依据公式(1)：
r max = EIRP · G tag · λ 2 ( 4 π ) 2 · P min · η , 公式(1)
其中rmax为最大读取距离，EIRP为等效全向辐射功率，Gtag为标签天线增益，λ为真空中电磁波波长，η为损耗因子，Pmin为标签芯片的灵敏度。由此可见，当标签增益越大时读取距离越远。将上述表2中的增益数据代入公式(1)中，可以明显看出，本发明具有隔离单元的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9相较无隔离单元的RFID标签天线，其读取距离提高了约35％。
更进一步的，本发明的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9还具有短路面4，短路面4设置在基片两侧，连接辐射单元与基片底板3，实现短路效果，有效降低标签天线的谐振频率，从而减少天线尺寸。该短路面仅是为说明本发明的技术方案的一种具体实施的方式，但并未用于限定本发明，本发明所采用的短路结构还可以是在基片上形成的导电过孔，通过导电过孔中的导通金属连接接辐射单元与基片底板3实现短路。
以下结合表3的实验数据对本发明具有短路面4的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9的有益效果进行说明。
表3：
  两种情况  谐振频率f1(MHz)  谐振频率f2(MHz)
  短路   867   915
  非短路   1745   1800
表3为天线辐射单眼结构和尺寸相同时，比较底面金属板短路和非短路的两种情况，由表3明显可以看出，具有短路面的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9的谐振频率明显低于无短路面的RFID标签天线。
本领域的辐射频率与波长具有如公式(2)所示的关系：
λ = C f ϵ r , 公式(2)
其中C为光速，εr为相对介电常数，f为谐振频率，λ为波长。
由公式(2)可以看出，参数频率f与波长λ成反比，而这两个参数与RFID标签天线辐射单元尺寸均相关，据RFID标签天线设计原理，RFID标签天线尺寸需满足1/4波长或者1/2波长的关系，当f频率降低时λ波长也跟随变大，因此设计的RFID标签天线尺寸也会变增加。表3中不具有短路面的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9的谐振频率为1745或1800MHz时，具有短路面的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9的谐振频率仅为867或915MHz，将上述谐振频率引入公式(2)即可看出，本发明超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9在设置短路面4后，在谐振频率为大约910MHz时，标签天线9尺寸会较无短路面4的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9尺寸缩小一半。
以下结合表4的实验数据对本发明具有短路面4的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9的有益效果进行说明。
表4：
Figure BDA0000122683310000071
表4为天线底面辐射金属板具有短路面时，本发明具有四辐射单元阵列时与不具有辐射单元阵列的RFID标签天线进行比较。
由表4数据明显可以看出，本发明具有辐射单元阵列1的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9同在915MHz的谐振频率下，其增益相较无辐射单元阵列的RFID标签天线的增益提高3db以上。根据前边提及的公式(1)的计算可以得出，本发明的超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线9相较无辐射单元阵列的RFID标签天线的读取距离增加近一倍。
基于以上论述的改进，本发明使用非对称阵列的辐射单元解决目前一些RFID标签天线的小型化、各地区之间频率不同从而导致RFID标签天线无法兼容以及RFID标签天线远距离读写难题。本发明基于超薄介质1mm及以下时设计，性能表现相比其他而言最为明显，提高了RFID标签天线的带宽范围，使得本发明的RFID标签天线可于更宽频宽范围下使用。
以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，本发明的特征并不局限于此，本发明的所有范围应以下述的范围为准，凡符合于本发明权利要求保护范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或调整皆可涵盖在以下本发明的权利要求保护范围。

Claims (9)

1.一种超薄型双频微带贴片天线阵式RFID标签天线，包括辐射单元阵列(1)、基片(2)以及基片底板(3)，辐射单元阵列(1)上具有芯片(10)，所述芯片(10)位于辐射单元阵列(1)的中央，其特征在于：所述的辐射单元阵列(1)具有第一辐射单元(5)和第二辐射单元(6)以及第三辐射单元(7)和第四辐射单元(8)，所述第一辐射单元(5)和第二辐射单元(6)以及第三辐射单元(7)和第四辐射单元(8)围绕所述的芯片(10)呈非对称结构分布。
2.如权利要求1所述的RFID标签天线，其特征在于：所述的非对称结构分布形式为所述的辐射单元阵列(1)的所述的第一辐射单元(5)和所述的第四辐射单元(8)位于所述的芯片(10)的一侧，所述的辐射单元阵列(1)的所述的第二辐射单元(6)和所述的第三辐射单元(7)位于所述的芯片(10)的另一侧。
3.如权利要求1所述的RFID标签天线，其特征在于：所述的非对称结构分布形式为所述的第一辐射单元(5)和所述的第三辐射单元(7)呈与所述的芯片(10)对角线分布，所述的第二辐射单元(6)与所述的第四辐射单元(8)呈与所述的芯片(10)对角线分布的形式；
或者所述非对称结构分布形式为所述的第一辐射单元(5)和所述的第三辐射单元(7)呈与所述的芯片(10)对称分布，所述的第二辐射单元(6)与所述的第四辐射单元(8)呈与所述的芯片(10)对称分布的形式。
4.如权利要求1至3任一项所述的RFID标签天线，其特征在于：所述的第一辐射单元(5)与所述的第三辐射单元(7)构成所述RFID标签天线(9)的低频谐振系统，所述的第二辐射单元(6)与所述的第四辐射单元(8)构成所述RFID标签天线(9)的高频谐振系统。
5.如权利要求1所述的RFID标签天线，其特征在于：所述的辐射单元阵列(1)具有隔离单元。
6.如权利要求5所述的RFID标签天线，其特征在于：所述的辐射单元阵列(1)的所述的第一辐射单元(5)与所述的第四辐射单元(8)之间具有第一隔离单元(11)，所述的第二辐射单元(6)和所述的第三辐射单元(7)之间具有第二隔离单元(12)。
7.如权利要求5所述的RFID标签天线，其特征在于：所述的辐射单元阵列(1)通过改变辐射单元阵列中辐射单元的缺陷尺寸微调所述RFID标签天线的谐振频率。
8.如权利要求1所述的RFID标签天线，其特征在于：所述基片(2)具有短路结构。
9.如权利要求9所述的RFID标签天线，其特征在于：所述的短路结构是位于基片(2)的两侧面的短路面(4)，或者是基片上的导电过孔。
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