CN103336989B - 一种rfid电子标签 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种RFID电子标签，其包括装配于PCB板上的：芯片，其两端设有芯片焊盘；天线，用于接收并反射RFID信号，包括相连接的天线臂和平面螺旋电感，天线臂由PCB板的两侧相外延伸，平面螺旋电感布设于PCB板上，其输入端和输出端分别与芯片焊盘电连接；标签天线臂及加载于芯片焊盘上的平面螺旋电感与芯片的阻抗共轭匹配。通过加载平面螺旋电感，在电子标签有限的尺寸下，大幅提高天线的感性阻抗，以及天线和芯片的阻抗匹配程度，替代了现有的匹配环的结构设计，缩小了标签的体积，极大地拓宽了标签的小型化运用。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子标签，尤其是指一种带平面螺旋电感的RFID电子标签。
背景技术
在UHF RFID标签的运用中，对标签尺寸、柔韧性有苛刻要求：例如嵌入到轮胎橡胶里的标签，由于轮胎橡胶中分布有固定作用的金属丝，因此为避免干扰要求标签尺寸必须尽量小；由于轮胎在塑形及使用过程中，橡胶均会有一定的形变甚至开裂，因此要求标签必须具备一定的柔韧性，避免由于橡胶的形变而导致标签的失效；同时标签必须是柔性的，因为标签若为具有一定尺寸的硬性物体嵌入到轮胎橡胶中，对轮胎的质量、安全都将是一个很大的隐患。
一般常规的由PET材料为基材的柔性标签，由于尺寸较大，无法在轮胎橡胶中进行使用；而采用PCB或陶瓷作为基材的标签，尺寸具备一定的小型化特征，但是往往又不具备柔性特征，作为整体硬性物体直接嵌入到轮胎橡胶中，对轮胎的质量、安全都是非常不利的。
如图1所示，在标签芯片与标签天线的等效电路中，右侧为标签芯片的等效电路，左侧为标签天线的等效电路；La为天线等效电感，Ra为天线等效电阻，Ci为芯片等效电容，Ri为芯片等效电阻；当天线与标签各自阻抗共轭对应时，RFID标签实现最好阻抗匹配；
标签天线阻抗为ZANT＝RANT+j*XANT与标签芯片阻抗为ZIC＝RIC+j*XIC，共轭关系为RANT＝RIC，XANT＝-XIC。
参照图2所示，以Alien Higgs(TM)3芯片为例，采用ADS软件对其芯片等效电路进行阻抗仿真，参照图3为仿真所得标签芯片阻抗实部曲线，在920MHz频率处其阻抗实部值为27.1欧姆；参照图4为仿真所得标签芯片阻抗虚部曲线，920MHz频率处其阻抗虚部值为-199.8欧姆。那么标签天线的阻抗根据共轭条件，应该为阻抗实部相等或接近，阻抗虚部互为相反数，为最佳匹配。
然而，在现有技术中，标签天线感性阻抗虚部是由匹配环来提供的，匹配环尺寸越大，感性阻抗虚部就越大；在现有技术中，需要提供近200欧姆的感性阻抗虚部，需要15mm*15mm以上的匹配环的面积，难以进行小型化的设计。
因此，有必要提供一种小型化、具备较强柔韧性的、并且具备良好阻抗共轭匹配的电子标签。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种小型化，阻抗共轭性能良好、高柔韧性的RFID电子标签。
本发明提供了一种RFID电子标签，其包括装配于PCB板上的：
芯片，其两端设有芯片焊盘；
天线，用于接收并反射RFID信号，包括相连接的天线臂和平面螺旋电感，天线臂由PCB板的两侧相外延伸，平面螺旋电感布设于PCB板上，其输入端和输出端分别与芯片焊盘电连接；
标签天线臂及加载于芯片焊盘上的平面螺旋电感与芯片的阻抗共轭匹配。
优选地，所述平面螺旋电感设有平面螺旋电感的输入端焊盘和平面螺旋电感的输出端焊盘，芯片设有芯片输入端焊盘和芯片输出端焊盘，平面螺旋电感的输入端焊盘与芯片输入端焊盘及一端天线臂电连接，平面螺旋电感的输出端焊盘与芯片输出端焊盘及另一端天线臂电连接。
优选地，所述平面螺旋电感的输入端焊盘和输出端焊盘分别通过金属过孔与芯片的左侧焊盘和输出端焊盘电连接。
优选地，所述平面螺旋电感包括相互平行的至少两层，其中一层平面螺旋电感的输入端焊盘接入芯片的左侧焊盘，另一层平面螺旋电感的输出端焊盘接入芯片的右侧焊盘。
优选地，所述芯片焊接于PCB顶层，平面螺旋电感分布于PCB的底层。
优选地，平面螺旋电感中的各圈电感之间的间距可设置为相等或不相等。若平面螺旋电感中的各圈电感之间的间距不相等。
优选地，所述天线臂包括螺旋主体和接合端，在接合端设有直角挂钩，通过所述直角挂钩插入PCB板的金属过孔中，并通过焊接与PCB板固定在一起。以使得天线臂可更为稳固地装配于PCB板上。
优选地，所述平面螺旋电感的形状为矩形、八角形、圆形、多角形中任选一种。所述平面螺旋电感的走线宽度为0.2-0.5mm，间距为0.2-0.5mm，匝数为2-6匝；所述平面螺旋电感的长宽高尺寸为6mm*2mm*1mm，标签的长度为50mm。
与现有技术相比，本发明一种RFID电子标签中，通过加载平面螺旋电感，在电子标签有限的尺寸下，大幅提高天线的感性阻抗，以及天线和芯片的阻抗匹配程度，极大地提升了标签的读写距离，替代了现有的匹配环的结构设计，缩小了标签的体积，极大地拓宽了标签的小型化运用。另外，采用带直角挂钩的天线臂穿入PCB的金属过孔，并通过焊接固定，提高了装配的牢固度，同时，天线臂采用螺旋结构，在有限空间内，有效增长了天线臂的电长度，提高了标签天线的性能，增加了标签的读取距离，并且使得标签具备更佳的柔韧性。
解决了现有技术中，标签芯片两侧必须具备较大尺寸匹配环的问题；通过采用平面螺旋电感的方式，将原来需要较大空间的匹配环缩小至只有6mm*2mm*1mm的空间内，并且实现了良好的阻抗匹配。通过采用螺旋结构的天线臂，增加了标签了柔韧性，并通过其前端直角挂钩直接插入PCB金属过孔并进行焊接，极大的提升了标签的可靠性，牢固度，解决了现有技术中天线两臂容易与PCB脱落的问题。
附图说明
图1为现有标签芯片与标签天线的等效电路图；
图2为对图1的芯片等效电路进行阻抗仿真图；
图3为图2仿真所得标签芯片阻抗实部曲线图；
图4为图2仿真所得标签芯片阻抗虚部曲线图；
图5为本发明一种RFID电子标签的整体结构示意图；
图6为本发明一种RFID电子标签的PCB板的结构示意图；
图7为本发明一种RFID电子标签的PCB板顶层的结构示意图；
图8为本发明一种RFID电子标签的PCB板底层的结构示意图；
图9为本发明一种RFID电子标签的天线臂的结构示意图；
图10为本发明一种RFID电子标签的间距不等的平面螺旋电感的示意图；
图11为本发明一种RFID电子标签的呈八角形的平面螺旋电感的示意图；
图12为本发明一种RFID电子标签的呈圆形的平面螺旋电感的示意图；
图13为本发明一种RFID电子标签的双层平面螺旋电感的示意图；
图14为本发明一种RFID电子标签的三层平面螺旋电感的示意图；
图15为本发明一种RFID电子标签在平面螺旋电感的等效电路图；
图16为本发明一种RFID电子标签在不同加载状态下的阻抗实部测试比较图；
图17为本发明一种RFID电子标签在不同加载状态下的阻抗虚部测试比较图。
具体实施方式
参照图5和图6所示，本发明提供了一种RFID电子标签，其包括装配于PCB板1上的芯片2和天线3，所述PCB板1为由PCB顶层10、PCB底层12及PCB侧壁围成的长方体结构，所述芯片2焊接于PCB顶层10上，在本实施例中，所述芯片2焊接于PCB顶层10的末端，便于走线连接。所述芯片2的两端设有芯片焊盘20，芯片焊盘20位于PCB顶层，用于焊接标签芯片。所述天线3与PCB板及芯片2电连接，用于接收并反射RFID信号，其包括相连接的天线臂30和平面螺旋电感32，天线臂30由PCB板1的两侧底端相外对称地延伸，用于对信号进行接收和发射，所述平面螺旋电感32布设于PCB板1上，其输入端和输出端分别与芯片焊盘20电连接。标签的天线臂30及加载于芯片焊盘上的平面螺旋电感32与芯片2的阻抗共轭匹配。
其中，参照图5和图6所示，若干层平面螺旋电感内嵌于PCB板之中，所述层数为1-4层。在PCB板1中，所述芯片2焊接于PCB顶层10，平面螺旋电感32分布于PCB底层12。通过金属过孔4分别与芯片2的输入端和输出端电连接。在本实施例中，在PCB板1的顶层端部，芯片2的左侧设有平面螺旋电感的输入端走线320，右侧设有平面螺旋电感的输出端走线322，在PCB板1的顶层中部，设有平面螺旋电感的输出端走线322。在PCB板上，与芯片2的同侧端部设有两个金属过孔4，芯片左侧的金属过孔为40，芯片右侧的金属过孔为42，在平面螺旋电感32的中部设有一个金属过孔44。芯片焊盘包括芯片左侧焊盘200和芯片右侧焊盘202。其中，PCB板底层12上的平面螺旋电感32通过芯片左侧的金属过孔40接入平面螺旋电感的输入端走线320，平面螺旋电感的输入端走线320与芯片的左侧焊盘200和天线3的电连接；芯片右侧的金属过孔42的上端连接平面螺旋电感的输出端走线322，所述金属过孔42的下端与底层平面螺旋电感走线不连接且不接触，芯片的右侧焊盘202与天线3电连接；通过中部的金属过孔44连接底层平面螺旋电感的输出端322及顶层平面螺旋电感的走线连接，接入芯片的右侧焊盘202，实现平面螺旋电感的输出端走线322与芯片的右侧焊盘202和天线3的电连接；标签芯片左侧焊盘200通过金属过孔40连接平面螺旋电感输入端320；标签芯片右侧焊盘202通过顶层走线及中心金属过孔42连接平面螺旋电感输出端322。以实现信号的传输。所述金属过孔4内部中空，其中空的直径尺寸比天线臂的直径略大。金属过孔4的位置根据平面螺旋电感的输入端和输出端的走线位置而改变。
在本发明的一个实施例中，参照图7所示，天线臂的直径比金属过孔的直径略小，为0.6mm。金属过孔的直径为0.8mm。所述平面螺旋电感的长宽高尺寸为6mm*2mm*1mm，标签的长度为50mm。走线宽度d为0.2-0.5mm，优选0.2mm，芯片焊盘的宽度d1为0.4mm，芯片焊盘之间的间距K为0.4mm。平面螺旋电感的各圈电感之间的间距为0.2-0.5mm，优选为0.3mm；电感匝数为2-6匝。
参照图8-图9所示，所述天线臂30包括螺旋主体302和接合端304，所述螺旋主体302呈弹簧状向外延伸，在有限的长度下，加长了金属走线的长度。在接合端304设有直角挂钩306，通过所述直角挂钩306插入PCB板的金属过孔4中，并通过焊接与PCB板1固定在一起。设置直角挂钩306，使其更易插入金属过孔之中，避免了因直接点焊在PCB板上而造成的松脱，提高了天线装配的稳固性。
参照图10-图14所示，平面螺旋电感32可设置成各种螺旋状形状，如矩形、八角形、圆形、多角形中任选一种。平面螺旋电感32中的各圈电感之间的间距可设置为相等或不相等。在图10中示出，平面螺旋电感32中的各圈电感之间的间距不相等，电感外圈的间距大于电感内圈的间距，电感整体呈正方形结构。在图11-图12中，平面螺旋电感32的各圈电感的间距相等，电感整体呈八角形结构和圆形结构。在图13中，平面螺旋电感32的电感为双层结构，由其中一层平面螺旋电感的输入端焊盘接入芯片输入端焊盘，由另一层平面螺旋电感的输出端焊盘接出输出端焊盘。在图14中，平面螺旋电感32的电感为三层结构，设置多层平面螺旋电感，可增加电感的匝数，层叠设计，可减小标签的整体面积，提高标签的感性阻抗。
参照图15-图17所示，在平面螺旋电感的等效电路图中，平面螺旋电感的感抗与电阻分别用Ls和Rs表示，平面螺旋电感的上层走线与下层走线中的金属过孔重叠部分的容抗、螺旋电感线与线间及两端口间的电容性耦合则用Cs表示；Cox1和Cox2表示螺旋电感与PCB板间的容抗；Rsi1、Csi1、Rsi2、Csi2分别表示PCB板的寄生参数。
由于，PCB板的基材为RF4（聚四氟乙烯），相对介电常数在4.2左右，属于低介电常数材料，基材也包括其他低损耗角正切值，不同介电常数的介质材料。因此，其分布电容Cs、Cox1和Cox2、Csi1和Csi2均非常小，可忽略不计；同时由于FR4损耗角正切值约为0.02，平面螺旋电感走线为铜材质，电导率极高，因此其分布电阻Rs、Rsi1、Rsi2同样非常小，可忽略。因此，所述平面螺旋电感结构主要呈现电感Ls的特性，平面螺旋电感的匝数越多，Ls越大，提供给标签天线的感性阻抗越大。
在图16中，在不同加载状态下的阻抗实部测试比较图中，加载平面螺旋电感的标签天线阻抗的实部值大于加载简单匹配环阻抗的实部值，更接近芯片阻抗实部，更有利于标签天线阻抗与标签芯片阻抗的共轭匹配。图17中，在不同加载状态下的阻抗虚部测试比较图中，加载平面螺旋电感的标签天线阻抗的虚部值远大于加载简单匹配环阻抗的虚部值，加载简单匹配环的标签天线阻抗虚部值在0.8GHz至1GHz之间范围内，均小于50欧姆，而加载平面螺旋电感的标签天线阻抗虚部值在920MHz频点时，阻抗虚部值刚好为200欧姆，与标签芯片阻抗虚部刚好互为相反数，具有更佳的标签天线阻抗与芯片阻抗的共轭匹配程度，因此，加载平面螺旋电感相对于加载简单匹配环的标签更具有优越的性能。同时，在一定空间体积的电子标签中，通过螺旋状的电感设计，使得电感的实部和虚部增加，阻抗增大，阻抗共轭匹配越好，标签的读写距离就越大；反之读写距离就越小。因此，获得同样阻抗大小的电子标签，可以大大减小体积，便于小型化嵌入的应用。
Claims (10)
1.一种RFID电子标签，其特征在于包括装配于PCB板上的：
芯片，其两端设有芯片焊盘；
天线，用于接收并反射RFID信号，包括相连接的天线臂和平面螺旋电感，天线臂由PCB板的两侧相外延伸，若干层平面螺旋电感内嵌于PCB板之中，其输入端和输出端通过金属过孔分别与芯片焊盘电连接；标签天线臂及加载于芯片焊盘上的平面螺旋电感与芯片的阻抗共轭匹配。
2.根据权利要求1所述的RFID电子标签，其特征在于：所述平面螺旋电感设有平面螺旋电感的输入端焊盘和平面螺旋电感的输出端焊盘，芯片设有芯片输入端焊盘和芯片输出端焊盘，平面螺旋电感的输入端焊盘与芯片输入端焊盘及一端天线臂电连接，平面螺旋电感的输出端焊盘与芯片输出端焊盘及另一端天线臂电连接。
3.根据权利要求2所述的RFID电子标签，其特征在于：所述平面螺旋电感的输入端焊盘和输出端焊盘分别通过金属过孔与芯片的左侧焊盘和输出端焊盘电连接。
4.根据权利要求3所述的RFID电子标签，其特征在于：所述平面螺旋电感包括相互平行的至少两层，其中一层平面螺旋电感的输入端焊盘接入芯片的左侧焊盘，另一层平面螺旋电感的输出端焊盘接入芯片的右侧焊盘。
5.根据权利要求2所述的RFID电子标签，其特征在于：所述芯片焊接于PCB顶层，平面螺旋电感分布于PCB的底层。
6.根据权利要求1所述的RFID电子标签，其特征在于：平面螺旋电感中的各圈电感之间的间距相等。
7.根据权利要求1所述的RFID电子标签，其特征在于：平面螺旋电感中的各圈电感之间的间距不相等。
8.根据权利要求1所述的RFID电子标签，其特征在于：所述天线臂包括螺旋主体和接合端，在接合端设有直角挂钩，通过所述直角挂钩插入PCB板的金属过孔中，并通过焊接与PCB板固定在一起。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的RFID电子标签，其特征在于：所述平面螺旋电感的形状为矩形、八角形、圆形、多角形中任选一种。
10.根据权利要求2所述的RFID电子标签，其特征在于：所述平面螺旋电感的走线宽度为0.2-0.5mm，间距为0.2-0.5mm，匝数为2-6匝；所述平面螺旋电感的长宽高尺寸为6mm*2mm*1mm，标签的长度为50mm。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20160810 Termination date: 20190725 |