CN103872451A - 一种双环感应馈电结构平面抗金属标签天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双环感应馈电结构平面抗金属标签天线的设计方法，该方法在于天线由金属地面、基板、金属辐射面、双环感应馈电结构、射频识别芯片组成，基板位于金属地面和金属辐射面中间，双环感应馈电结构位于金属辐射面上且与金属辐射面留有间隙。调整双环感应馈电结构长度值Lloop能够改变平面抗金属标签天线的电抗值，调整双环感应馈电结构与金属辐射面间隙的宽度值Wgap能够改变平面抗金属标签天线的电阻值通过平面抗金属标签天线阻抗值Z的调节，使之与射频识别芯片的阻抗共轭匹配，实现识别距离的最大化。本发明所设计的天线，辐射面积较大，读取距离远，阻抗匹配灵活，能够采用导电银浆或导电墨水印刷生产，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及射频识别技术领域，尤其涉及一种基于双环感应馈电结构的平面抗金属标签天线的设计方法。
背景技术
射频识别(Radio frequency identification，简称RFID)是20世纪80年代发展起来的一种利用射频读取标签的新兴自动识别技术。射频识别系统一股由阅读器(Reader)和标签(Tag)组成，阅读器通过射频读取标签上的信息，从而对物品进行快速管理。与传统条形码相比，具有读取距离远、读取速度快、非可视识别、支持快速读写等优点；射频识别技术与互联网、无线通信网络等技术相结合，可实现全球范围内物品的跟踪与信息共享，在物流供应链、生产自动化、公共信息服务、交通管理及军事应用等众多领域具有广阔的应用空间。射频识别系统主要工作在低频、高频、超高频及微波等频段。低频与高频射频识别系统主要利用电感耦合完成识别功能，读取距离较近。超高频与微波频段射频识别系统通过电磁波传播来读取数据，具有较远的读取距离。其中，超高频由于读取距离远、成本低而有望在物流及交通领域获得广泛应用。
在相当一部分超高频射频识别应用中，需要将标签粘贴于金属物体表面，譬如：汽车、钢瓶、集装箱等等。由于普通标签无法应用于金属表面，需要采用特殊设计的标签，称为抗金属标签或金属标签。一股的抗金属标签采用微带贴片天线或平面倒F天线作为标签天线，可以将金属表面作为天线的地平面。这些天线一股都需要使用短路墙或过孔，从而使得抗金属标签天线的成本增加，不利于大规模生产应用。而且对于超高频射频识别标签，为了实现天线与芯片的最大能量传输，还需要天线的输入阻抗与芯片阻抗共轭匹配，这就要求天线输入阻抗的实部和虚部都具有灵活的调节能力。
目前已有的平面抗金属标签天线虽然可以解决部分成本高的问题，但是其中仍然存在着一些不足，如中国专利201010122898.1号便提出了一种平面结构超高频射频识别抗金属标签天线，在该技术方案中，它包括金属地面、金属辐射面、基板、嵌入式凹槽、第一馈线、第二馈线、射频识别芯片，基板为长方形，金属辐射面、嵌入式凹槽、第一馈线、第二馈线、射频识别芯片位于基板上表面，金属地面位于基板下表面，金属辐射面一侧内嵌形成嵌入式凹槽，金属辐射面的嵌入式凹槽一端与第一馈线的一端相连，第一馈线的另一端与第二馈线一端之间设有射频识别芯片，第二馈线另一端开路。由于其具有平面结构，可有效降低标签天线的加工制作成本，便于大规模生产。但其存在以下不足：1、上述第二馈线长度较长，从而使得标签尺寸大，耗材多，成本提高；2、其辐射性能一股、读取距离短；3、阻抗匹配 不够灵活。另外在单环感应馈电结构中，上臂和下臂的电流方向相反，上臂在金属辐射面的上半部分感应耦合出与之电流方向相反的电流，同时，下臂在金属辐射面的下半部分也感应耦合出与之电流方向相反的电流，这就使得天线金属辐射面的上半部分和下半部分具有相反方向的感应电流，削弱了辐射性能。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的：标签天线尺寸大，非平面结构使得加工复杂，阻抗调节不灵活的问题，提供一种标签尺寸小，辐射性能好，读取距离长，结构简单，阻抗匹配灵活的基于双环感应馈电结构的平面抗金属标签天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于双环感应馈电结构的平面抗金属标签天线，其特征在于：矩形辐射面在基板之上，矩形辐射面长度为，宽度为，且，宽度小于长度，其中是自由空间波长，是介质中的波长，是基板介电常数，基板的长度和宽度比金属辐射面的长度和宽度稍大；
矩形辐射面内有双环感应馈电结构，双环感应馈电结构由中梁和上下对称在两端与中梁并联相接的两臂组成，三条梁的宽度均为，双环馈电结构的长宽分别为和，中梁上设有射频识别芯片；
双环感应馈电结构与矩形辐射面之间留有宽度的间隙。
本发明所述的平面抗金属标签天线要求根据HFSS软件仿真结果选择梁宽、间隙宽度和双环馈电结构的长、宽，保证天线在工作频率下的阻抗值与选用射频识别芯片在相同频率下的阻抗值共轭匹配。
具体包括以下步骤：
(1)确定所设计的平面抗金属标签天线的工作频率和选用的射频识别芯片及其在该工作频率下的阻抗值；
(2)选择一个矩形金属地面；
(3)步骤(2)所设计金属地面上设置有与金属地面长宽相等的矩形基板，基板厚度为，介电常数为，介质损耗因数为；
(4)步骤(3)所设计基板上设置矩形金属辐射面，长度为，宽度为，且，宽度小于长度，其中是自由空间波长，是介质中的波长，是基板介电常数，基板的长度和宽度比金属辐射面的长度和宽度稍大；
(5)步骤(4)所设计金属辐射面上设置的双环感应馈电结构，由上臂、中梁、下臂三条横梁组成，横梁宽度(即馈线宽度)为，中梁位于上臂与下臂的中间，三条横梁相互平行，两端并联相接，整个平面抗金属标签天线以中梁为对称轴。双环感应馈电结构长度为，宽度为，且与金属辐射面留有间隙，间隙宽度为。采用HFSS软件仿真出在不同长度值和间隙宽度值时 平面抗金属标签天线的电阻值和电抗值随频率变化的曲线，根据步骤(1)所选用射频识别芯片的电抗值和平面抗金属标签天线工作频率选择出可实现与之共轭匹配的长度值和间隙宽度值，宽度小于金属辐射面宽度；
(6)将射频识别芯片设置在步骤(5)所设计中梁上，一种基于双环感应馈电结构的平面抗金属标签天线设计完成。
所述步骤(5)中的长度值和间隙宽度值，调整双环感应馈电结构长度值可改变平面抗金属标签天线的电抗值，调整双环感应馈电结构与金属辐射面间隙的宽度值可改变平面抗金属标签天线的电抗值，通过平面抗金属标签天线阻抗的调节，可使之与射频识别芯片的阻抗共轭匹配，实现能量的最大传输。
所述步骤(6)中射频识别芯片设置在双环感应馈电结构的中梁，双环感应馈电结构的上臂和下臂通过电流的方向一致，通过感应耦合，上臂在金属辐射面的上半部分感应耦合出与之电流方向相反的电流，同时，下臂在金属辐射面的下半部分也感应耦合出与之电流方向相反的电流，平面抗金属标签天线的金属辐射面的上半部分和下半部分具有相同方向的感应电流，即天线的整个金属辐射面都保持一致性振荡，从而提高了辐射效率，改善了辐射性能，扩大了辐射距离。双环感应馈电结构工作时电流流向示意图如图4。
所述步骤(3)中的基板为非金属电介质，且无任何短路墙或过孔，具有平面结构。由于双环感应馈电结构使得天线的整个金属辐射面都保持一致性振荡，提高了辐射效率，从而天线不需要过孔仍可有良好的辐射性能，可采用导电银浆或者导电墨水印刷制造，加工成本减小，便于大规模生产。
本发明所述基于双环感应馈电结构的平面抗金属标签天线的设计方法设计的天线，标签尺寸小，辐射性能好，读取距离长，结构简单，阻抗匹配灵活，成本低，便于大规模生产。
表1
| 铜板面积 | 160160 | 200200 | 400.400 |
| 最大读取距离 | 8.43m | 8.43m | 8.19m |
表1是基于双环感应馈电结构平面抗金属标签天线示例安装在不同面积铜板上时最大有效读取距离。
附图说明
图1是基于双环感应馈电结构平面抗金属标签天线结构示意图(图中：金属地面1、基板2、金属辐射面3、双环感应馈电结构4、射频识别芯片5)；
图2是基于双环感应馈电结构平面抗金属标签天线俯视图(图中：金属辐射面长度：、金属辐射面宽度：、双环感应结构长度：、双环感应结构宽度：、双环感应结构与金属辐射面间隙宽度：)；
图3是基于双环感应馈电结构平面抗金属标签天线侧视图(图中：基板厚度)；
图4是双环感应馈电结构详细示意图（图中：射频识别芯片5、上臂6、中梁7、下臂8、横梁间隔9，箭头表示电流方向)；
图5是基于双环感应馈电结构平面抗金属标签天线电流流向示意图(图中箭头表示电流方向)；
图6是基于双环感应馈电结构平面抗金属标签天线示例的阻抗曲线图，其中图a是双环感应馈电结构的长度与天线电抗值的关系图，图b是双环感应馈电结构与天线金属辐射面的间隙宽度与天线电阻值关系图；
图7是基于双环感应馈电结构平面抗金属标签天线示例的辐射方向图，其中图a是E面方向图，图b是H面方向图(标签安装在面积为200×200mm2的铜板上)。
具体实施方式
本发明为一种基于双环感应馈电结构的平面抗金属标签天线，具体实施步骤：
(1)确定所设计的平面抗金属标签天的工作频率915MHz，选用Monza4型号的射频识别芯片，其在该工作频率下的阻抗值为；
(2)选择一个长度为80mm，宽度为32mm的金属地面；
(3)金属地面上设置与金属地面长宽相等的基板，基板采用普通FR4印制板，基板厚度为3mm，介电常数为4.5，介质损耗因数为0.02；
(4)基板上设置金属辐射面，采用导电银浆或者导电墨水印刷制造，其长度为78mm，宽度为30mm；
(5)金属辐射面上设置双环感应馈电结构，双环感应馈电结构宽度为8.2mm，横梁宽度(即馈线宽度)为1mm。采用HFSS软件仿真出在不同长度值和间隙宽度值时天线的电阻值和电抗值随频率变化的曲线，如图6所示。根据图6可以得到本实施例的优化参数值：双环感应馈电结构长度为47.2mm，双环感应馈电结构与金属辐射面间隙宽度为1.6mm。
将射频识别芯片设置在中梁上，一种基于双环感应馈电结构的平面抗金属标签天线设计完成。
Claims (3)
1.一种平面抗金属标签天线，包括金属地面，非金属基板、金属辐射面和射频识别芯片；金属地面位于非金属基板下方，非金属基板上设有金属辐射面和射频识别芯片，其特征在于：金属辐射面长度为，其中是自由空间波长，是介质中的波长，是基板介电常数，金属辐射面宽度小于长度，基板的长度和宽度大于金属辐射面的长度和宽度；
金属辐射面内有双环感应馈电结构，双环感应馈电结构由中梁和上下对称在两端与中梁并联相接的上臂和下臂组成，双环感应馈电结构的上臂和下臂通过电流的方向一致，与金属辐射面感应耦合，上臂和下臂在金属辐射面的上下两部分分别感应耦合出与上臂和下臂中电流方向相反的电流，上臂、下臂和中梁的宽度均为，双环馈电结构的长为，双环馈电结构的宽为，中梁上设有射频识别芯片；
双环感应馈电结构与金属辐射面之间通过间隙宽度为的间隙感应耦合，金属辐射面的上半部分和下半部分具有相同方向的感应电流，金属辐射面保持一致性振荡。
2.根据权利要求1所述的平面抗金属标签天线，其特征在于：根据HFSS软件仿真结果选择梁宽、间隙宽度、双环馈电结构的长和双环馈电结构的宽，保证天线在工作频率下的阻抗值与选用射频识别芯片在相同频率下的阻抗值共轭匹配，具体步骤如下：第一步，利用HFSS软件仿真出双环馈电结构采用不同的双环馈电结构的长和间隙宽度时平面抗金属标签天线的电阻值和电抗值随频率变化的曲线，第二步，在平面抗金属标签天线工作频率上，寻找与射频识别芯片的阻抗值共轭匹配的双环馈电结构的长和间隙宽度，最后，确定双环馈电结构的宽小于金属辐射面宽度；确定双环馈电结构的长小于金属辐射面长度。
3.根据权利要求1所述的平面抗金属标签天线，其特征在于：金属标签天线具有平面结构，采用导电银浆或导电墨水印刷制造金属辐射面。
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