CN103337715A - 多模宽带超高频抗金属标签阵列天线及阻抗分离匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模宽带超高频抗金属标签阵列天线及阻抗分离匹配方法，包括顶层辐射体、中间层辐射体和底层辐射体，以及叠合相连在一起的上基板和下基板，其中，顶层辐射体涂覆在上基板的上表面，中间层辐射体涂覆在上基板的下表面，底层辐射体涂覆在下基板的下表面。顶层辐射体包括两个背向设置的“E”形部分，标签芯片连接在两“E”形部分之间，中间层辐射体包括四个倒F型结构的子天线阵列，每个子天线分别开有窄槽，上基板和下基板上分别设置有数个上通孔和下通孔，所有上通孔和下通孔的内壁分别涂覆有连接部，顶层辐射体通过数组上通孔和下通孔内壁的连接部连通底层辐射体，每个子天线分别通过对应的下通孔内壁的连接部连通底层辐射体。

Description

多模宽带超高频抗金属标签阵列天线及阻抗分离匹配方法

技术领域

本发明属于射频识别领域，具体来说，涉及一种增益、带宽和尺寸能够满足全球范围内物流应用的多模宽带超高频抗金属标签阵列天线，以及该抗金属标签阵列天线阻抗分离匹配方法。

背景技术

射频识别是一种无线通信技术，它通过标签与阅读器之间的相互感应完成信息采集。与传统条码及二维码相比，射频识别技术具有识别距离长、内容可修改等优点，特别是与物联网融合后，射频识别技术以其自身的特点正在物流供应链、食品药品溯源、车辆交通管理和门禁身份识别等领域发挥着越来越重要的作用。

射频识别系统由标签、阅读器及计算机三部分组成，其中标签包括天线及芯片。射频识别系统可工作于低频、高频、超高频及微波频段，其中超高频段RFID系统由于读取距离大、标签价格低、读取速度快、支持多标签读取等优点，正广泛应用在供应链管理、集装箱、铁路车厢识别和生产线自动化管理等。在纷繁复杂的应用中，经常会遇到金属或液体环境，普通偶极子标签天线在这种环境中性能将大大降低或者不能被读取，因此需要设计专门的标签天线以对抗该环境，而这种能在金属环境下正常工作的天线就称为抗金属标签天线。

超高频RFID在全球范围物流领域的应用给抗金属标签天线提出了挑战：小型化，大带宽，高增益。小型化要求标签天线具有小的轮廓，能够方便地安装在各种位置、材料上；大带宽要求标签能够很好的工作在全球范围内，即860-960MHz的频段上；同样的，高增益意味着超高频RFID天线必须保持其阅读距离长的优势，这样才能提高物流效率。由电小天线理论可知，小型化必然伴随着低的天线增益和小的天线带宽。而为了满足高增益要求，抗金属标签天线通常采用倒F结构，通常情况下，这种结构体积大且带宽窄，不适合全球范围内的物流应用。与此同时，标签天线阻抗与芯片阻抗必须实现共轭匹配以最大化天线实际增益，即最大化标签的工作距离。由于电荷泵等电路的存在，市面上的无源标签芯片阻抗都具有容性成分，其输入阻抗可等效为皮法级的电容并联千欧级的电阻，且各厂商生产的芯片在输入阻抗上呈现很大的变化。为了匹配不同输入阻抗的标签芯片，天线需要对其输入阻抗的实部和虚部在一定范围内进行自由调节。

发明内容

针对以上的不足，本发明提供了一种增益、带宽和尺寸能够满足全球范围内物流应用的多模宽带超高频抗金属标签阵列天线，以及该抗金属标签阵列天线阻抗分离匹配方法。

本发明的多模宽带超高频抗金属标签阵列天线包括基板和涂覆在所述基板表面的辐射体，所述基板包括叠合相连在一起的上基板和下基板，所述辐射体包括顶层辐射体、中间层辐射体和底层辐射体，所述顶层辐射体位于上基板的上表面，所述中间层辐射体位于上基板的下表面或者下基板的上表面，所述底层辐射体位于下基板的下表面，顶层辐射体和中间层辐射体分别通过连接部与底层辐射体连通。

所述上基板上形成有至少一个纵向设置的上通孔，所述下基板的中间形成有至少两个纵向设置的下通孔，每一所述上通孔和下通孔的内壁分别涂覆有所述连接部，所述顶层辐射体与底层辐射体之间通过上通孔和下通孔的内壁的连接部连通，所述中间层辐射体与底层辐射体之间通过下通孔内壁的连接部连通。

所述顶层辐射体包括两个背向设置的“E”形部分，标签芯片连接在两“E”形部分之间。

所述上基板对应于两“E”形部分的每一电臂的位置分别设置有所述上通孔，所述下基板对应于每一所述上通孔的位置分别设置有所述下通孔，顶层辐射体通过各组上通孔和下通孔内壁的连接部连通底层辐射体。

所述中间层辐射体包括四个倒F型结构的子天线阵列，每一子天线分别开有窄槽，所述下基板对应于每一子天线的位置分别设置有所述下通孔，每一子天线分别通过所述下通孔内壁的连接部连通底层辐射体。

所述上基板和下基板的形状相同，上基板与和下基板之间采用无缝无错位相连。

所述底层辐射体完全覆盖住所述下基板的下表面。

本发明的有益效果：本发明可以快速、有效地实现与标签芯片阻抗的共轭匹配，从而提高标签天线的实际增益，最大化标签的阅读距离；另外，本发明通过中间层辐射体的加入而在传统抗金属天线中引入了容性分量，有效地减少了标签天线尺寸；再有，本发明通过中间层辐射体子天线阵列的引入，使因尺寸缩减而引起的天线增益衰减降低；还有，本发明通过多谐振模式的引入，达到天线工作带宽覆盖860-960MHz频段的要求；最后，本发明通过天线输入阻抗的实部和虚部分离匹配方法的引入，能够快速、有效地实现对市面上绝大部分芯片阻抗的共轭匹配。

附图说明

图1为本发明多模宽带超高频抗金属标签阵列天线的结构示意图；

图2为本发明上基板和顶层辐射体的结构示意图；

图3为本发明下基板和中间层辐射体的结构示意图；

图4本发明天线阻抗虚部调节仿真曲线；

图5本发明天线阻抗实部调节仿真曲线；

图6本发明实施例1天线输入阻抗仿真曲线；

图7本发明实施例1天线反射系数仿真曲线；

图8本发明实施例1标签理论阅读距离曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步阐述，其中，本发明的方向以图1为标准。

如图1、图2和图3所示，本发明多模宽带超高频抗金属标签阵列天线包括基板1和辐射体2，基板1包括叠合相连在一起的上基板11和下基板12，上基板11和下基板12的形状完全相同，上基板11与下基板12之间采用无缝无错位相连，上基板11与下基板12一般采用介电常数为3-150的陶瓷片或者FR4材料，辐射体2包括顶层辐射体21、中间层辐射体22和底层辐射体23，底层辐射体23为地板，顶层辐射体21涂覆在上基板11的上表面，中间层辐射体22涂覆在上基板11的下表面或者下基板12的上表面，底层辐射体23涂覆在下基板12的下表面，一般情况下，底层辐射体23完全覆盖住下基板12的下表面。

其中，顶层辐射体21包括两个背向设置的“E”形部分211，标签芯片4连接在两“E”形部分之间，且位于两“E”形部分的连接臂的中心位置，中间层辐射体22包括四个倒F型结构的子天线阵列，每个子天线222分别开有窄槽221，每个窄槽221均向内侧延伸至对应子天线222的边部。上基板11对应于两“E”形部分的每个电臂的位置分别设置有上通孔31，一般位于电臂的端部，共六个上通孔31，下基板12对应于每个上通孔31的位置分别设置有下通孔32，同一位置的上通孔31与下通孔32上下贯通而形成一组，每个上通孔31和下通孔32的内壁涂覆有连接部24，顶层辐射体21通过各组上通孔31和下通孔32内壁的连接部24连通底层辐射体23，这种拓扑结构可以增加天线的电感分量。下基板12对应于每个子天线的位置也设置有下通孔32，每个下通孔32的内壁也涂覆有连接部24，每个子天线分别通过对应的下通孔32内壁的连接部24连通底层辐射体23。

本发明通过中间层辐射体的加入而在天线阻抗中引入容性分量来缩小天线尺寸；同时，本发明通过将四个倒F型子天线嵌入到中间层辐射体形成子天线陈列以实现天线增益的提高；同样地，本发明通过对中间层辐射体四个独立的子天线的电长度调节激发出四个临近谐振模式完成天线的大带宽要求。本发明利用近耦合原理实现顶层辐射体对中间层辐射体的馈电，同时也利用该原理完成了中间层辐射体的子天线到顶层辐射体馈电处输入阻抗的转换。本发明通过顶层辐射体的中心电臂的臂长的调节实现对天线输入阻抗虚部的独立调节，通过中间层辐射体的子天线窄槽的槽长的调节完成天线输入阻抗实部的独立调节。

本发明的抗金属标签阵列天线的阻抗分离匹配方法包括如下步骤：

Step1：根据选用的标签芯片阻抗和标签的中心工作频点确定天线的目标阻抗；

Step2：根据应用需求及制造成本确定天线尺寸及阻抗可调范围，如果目标阻抗落在该范围内且欲度合理，则继续，否则修改天线尺寸后重复该步骤；

Step3：调节顶层辐射体的中心电臂的臂长，得到标签天线目标阻抗的虚部；

Step4：调节中间层辐射体的每一子天线的槽长，继而调节天线四个谐振模式使其阻抗实部落入天线的工作频带内；

Step5：仿真计算得到天线的实际增益，根据该增益计算标签的阅读距离，如果理论阅读距离高于所要求的最小阅读距离，则停止；如果理论距离小于要求则按比例增大天线尺寸，并从Step3开始重复上述步骤。

实施例1

本实例旨在设计一款覆盖全球超高频RFID频段，阅读距离大于2m的抗金属标签，标签芯片采用NXP公司的G2芯片，典型阅读灵敏度为-15dBm，标签芯片在910MHz处对应的输入阻抗为14-j123Ω，天线基板由两块相对介电常数为4.4、损耗角正切为0.01、厚度为1.6mm的FR4材料组成，标签总尺寸为56mm×26mm×3.2mm。

本实例基于有限元法完成对天线的设计和阻抗分离匹配方法的仿真验证，鉴于发明主要应用于金属环境，因此本实例在优化过程中将地板尺寸扩展为200mm×200mm以模拟标签直接贴在金属板上的真实环境。一般地，顶层辐射体21与中间层辐射体22之间属于近耦合，两者之间存在耦合电容，且这个电容大小由两者之间的重叠面积及上基板11的电气参数决定。这样，我们相当于在天线的等效电路中引入了额外的电容分量，从而有效地降低谐振频率或者缩小天线尺寸。固定中间层辐射体22中窄槽的槽长，对顶层辐射体21中的中心电臂（“E”形部分211的中心位置的电臂）进行长度扫描，得到图4，可以看到，改变顶层辐射体21中心电臂的长度能够有效地调节天线的输入电抗而保持天线的输入电阻基本不变。同样地，固定顶层辐射体21中的中心电臂不变，对中间层辐射体22中的四个窄槽同时进行长度扫描，得到图5，可以看到，改变四个窄槽的长度可以有效地改变天线的输入电阻而保持天线的输入电抗基本不变。基于上述分析，本发明得出对NXP公司G2型号标签芯片的阻抗分离匹配的设计方法，该方法的步骤为：

Step1：根据选用的G2芯片和910MHz中心工作频点确定天线的目标输入阻抗为14+j123Ω；

Step2：确定天线尺寸为56mm×26mm×3.2mm，扫描中间层辐射体22中的四个窄槽，发现目标阻抗落在可调范围内且欲度合理；

Step3：调节顶层辐射体21中的中心电臂的长度到26mm，使得标签天线输入电抗与目标阻抗的虚部接近一致；

Step4：调节中间层辐射体22中四个子天线陈列中的四个窄槽的长度分别到8mm、7mm、6mm、5mm，移动标签天线输入电阻的四个峰值进入860-960MHz频段。

Step5：仿真得到天线的实际增益，根据该增益计算出标签的阅读距离满足应用最低需求。

经过上述步骤，我们设计出与标签芯片接近共轭匹配的标签天线，为了进一步研究金属地板尺寸对标签读取性能的影响，我们在不同尺寸的金属板上对天线的输入阻抗进行了仿真分析，结果如图6所示。根据天线和标签芯片阻抗，我们得到该标签天线的反射系数，如图7所示。可以看到，天线的3dB阻抗带宽有效地覆盖了全球RFID超高频频段（860-960MHz）。对比金属板尺寸变化的阻抗曲线或反射系数曲线，我们可以得出金属板的变化对天线谐振的影响不大，这说明了本发明提出的抗金属天线的正确性。

本发明通过在中间层辐射体22上嵌入四个子天线矩阵，并使之谐振于不同频点，从而产生四个临近的谐振模式，进而能够就有效地增加天线带宽。为了满足一般的超高频RFID应用对尺寸的要求，本发明将所提出天线的尺寸降到四分之一波长以下。一般地，天线的辐射效率会随着天线的尺寸缩减而降低，而本发明嵌入的子天线阵能够在全频段内有效地弥补由天线尺寸缩减对增益产生的影响。为了进一步验证设计方法的有效性，根据公式（1），我们对实例1所设计的标签进行了阅读距离计算。

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{P_t{G}_t}{P_{\mathrm{th}}}\mathrm{\ρ\τ}{G}_{\mathrm{tag}}}---\left(1\right)$

其中G_tag表示标签天线的增益，λ表示波长，P_t表示阅读器发送的功率，G_t表示阅读器天线增益，P_th表示标签芯片的接收灵敏度，而ρ则表示阅读器天线与标签天线之间的极化失配损耗。能量传输系数τ考虑到了芯片阻抗(Z_c＝R_c+jX_c)与天线阻抗(Z_a＝R_a+jX_a)之间的失配，该系数由公式（2）给出，其中

表示芯片阻抗的共轭。

$\mathrm{\τ}=1-{\left|S_{11}\right|}^2=1-{\left|\frac{Z_a-Z_c^{*}}{Z_a+Z_c}\right|}^2=\frac{4R_a{R}_c}{{|Z_a+Z_c|}^2}\≤1---\left(2\right)$

结果表明（图8），在4W EIPR的等效发送功率下，标签在一般尺寸金属板上的最小阅读距离为2.5m，这说明基于本发明提出的天线结构及阻抗分离匹配方法设计的实施例1标签可以有效地应用于全球范围内的物流领域，特别是在金属环境中。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的。任何本领域的技术人员根据所提天线结构和所述设计方法做的一系列更改，都应落在本专利的保护范围内。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (9)

1.多模宽带超高频抗金属标签阵列天线，它包括基板（1）和涂覆在所述基板（1）表面的辐射体（2），其特征在于，所述基板（1）包括叠合相连在一起的上基板（11）和下基板（12），所述辐射体（2）包括顶层辐射体（21）、中间层辐射体（22）和底层辐射体（23），所述顶层辐射体（21）位于上基板（11）的上表面，所述中间层辐射体（22）位于上基板（11）的下表面，所述底层辐射体（23）位于下基板（12）的下表面，顶层辐射体（21）和中间层辐射体（22）分别通过连接部（24）与底层辐射体（23）连通。

2.多模宽带超高频抗金属标签阵列天线，它包括基板（1）和涂覆在所述基板（1）表面的辐射体（2），其特征在于，所述基板（1）包括叠合相连在一起的上基板（11）和下基板（12），所述辐射体（2）包括顶层辐射体（21）、中间层辐射体（22）和底层辐射体（23），所述顶层辐射体（21）位于上基板（11）的上表面，所述中间层辐射体（22）位于下基板（12）的上表面，所述底层辐射体（23）位于下基板（12）的下表面，顶层辐射体（21）和中间层辐射体（22）分别通过连接部（24）与底层辐射体（23）连通。

3.根据权利要求1或2所述的小型超高频RFID抗金属标签天线，其特征在于，所述上基板（11）上形成有至少一个纵向设置的上通孔（31），所述下基板（12）的中间形成有至少两个纵向设置的下通孔（32），每一所述上通孔（31）和下通孔（32）的内壁分别涂覆有所述连接部（24），所述顶层辐射体（21）与底层辐射体（23）之间通过上通孔（31）和下通孔（32）的内壁的连接部（24）连通，所述中间层辐射体（22）与底层辐射体（23）之间通过下通孔（32）内壁的连接部（24）连通。

4.根据权利要求3所述的小型超高频RFID抗金属标签天线，其特征在于，所述顶层辐射体（21）包括两个背向设置的“E”形部分，标签芯片（4）连接在两“E”形部分之间。

5.根据权利要求4所述的小型超高频RFID抗金属标签天线，其特征在于，所述上基板（11）对应于两“E”形部分的每一电臂的位置分别设置有所述上通孔（31），所述下基板（12）对应于每一所述上通孔（31）的位置分别设置有所述下通孔（32），顶层辐射体（21）通过各组上通孔（31）和下通孔（32）内壁的连接部（24）连通底层辐射体（23）。

6.根据权利要求4所述的多模宽带超高频抗金属标签阵列天线，其特征在于，所述中间层辐射体（22）包括四个倒F型结构的子天线阵列，每一子天线分别开有窄槽（221），所述下基板（12）对应于每一子天线的位置分别设置有所述下通孔（32），每一子天线分别通过所述下通孔（32）内壁的连接部（24）连通底层辐射体（23）。

7.根据权利要求1或2所述的多模宽带超高频抗金属标签阵列天线，其特征在于，所述上基板（11）和下基板（12）的形状相同，上基板（11）与和下基板（12）之间采用无缝无错位相连。

8.根据权利要求1或2所述的多模宽带超高频抗金属标签阵列天线，其特征在于，所述底层辐射体（23）完全覆盖住所述下基板（12）的下表面。

9.一种抗金属标签阵列天线的阻抗分离匹配方法，其特征在于，它包括如下步骤：

Step1：根据选用的标签芯片阻抗和标签的中心工作频点确定天线的目标阻抗；

Step2：根据应用需求及制造成本确定天线尺寸及阻抗可调范围，如果目标阻抗落在该范围内且欲度合理，则继续，否则修改天线尺寸后重复该步骤；

Step3：调节顶层辐射体的中心电臂的臂长，得到标签天线目标阻抗的虚部；

Step4：调节中间层辐射体的每一子天线的槽长，继而调节天线四个谐振模式使其阻抗实部落入天线的工作频带内；

Step5：仿真计算得到天线的实际增益，根据该增益计算标签的阅读距离，如果理论阅读距离高于所要求的最小阅读距离，则停止；如果理论距离小于要求则按比例增大天线尺寸，并从Step3开始重复上述步骤。

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