CN104253301A

CN104253301A - 一种天线和电子标签

Info

Publication number: CN104253301A
Application number: CN201310263060.8A
Authority: CN
Inventors: 周青呈; 梁国标
Original assignee: Shenzhen Genvict Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Genvict Technology Co Ltd
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2014-12-31

Abstract

本发明涉及智能交通领域，具体公开了一种天线和采用该天线制作而成的电子标签。所述天线包括基础部和弯折部：基础部包括基板及涂覆于基板其中一面的金属辐射体层；金属辐射体层具有使基板的被覆盖面部分暴露的槽隙结构，槽隙结构包括横向槽隙；弯折部分别从基础部上的两位置处生长而出，包括长度相同、高度相异且处于横向槽隙的横向轴向延伸线同侧的第一弯折部和第二弯折部；第一弯折部和第二弯折部相向抱拢。通过横向槽隙长度和宽度的调节，使天线的阻抗与射频芯片的阻抗相匹配，省去为了达到二者阻抗的匹配所设计的复杂匹配网络，为电子标签的小型化提供有利条件；弯折结构相对传统直线结构式天线，设计出来的电子标签结构更小。

Description

一种天线和电子标签

技术领域

本发明涉及智能交通管理领域，具体涉及一种天线和电子标签。

背景技术

RFID：Radio Frequency Identification，无线射频识别；

UHF：Ultra High Frequency，是指频率为300～3000MHz的特高频无线电波；

随着RFID技术的广泛应用，其性能也越来越受到关注，识别距离已经成为评价RFID系统性能的主要依据。远距离RFID系统(射频频率分别为915MHz、2.45GHz和5.8GHz)在商业供应链系统、物流管理、不停车自动收费系统、车辆管理和铁路列车自动识别系统等有着广泛的应用。

应用于RFID系统的电子标签分为被动式电子标签、半主动式电子标签和主动式电子标签三类。被动式电子标签的识别距离最近，半主动式电子标签识别距离次之，主动式电子标签识别距离最远。电子标签作为RFID系统的关键部件之一，其天线性能的好坏决定了该电子标签识别距离的远近。

按照阅读器和电子标签之间的作用距离，可将RFID系统分为密耦合系统，遥耦合系统和远距离耦合系统。电磁反向散射RFID系统属于远距离耦合系统，识别距离一般在lm以上，电磁反向散射RFID系统中，阅读器和电子标签之间的能量和数据传送依靠阅读器的天线和电子标签的天线来完成，阅读器首先通过天线发射电磁波，处于有效识别范围内的电子标签的天线一方面接收电磁能量为电子标签提供能量，另一方面反向散射电磁波，并将有用信息调制在反射波上，完成反向散射调制。

目前，电子标签的天线主要有线圈型和微带贴片型2种基本形式，如图1，图1为微带贴片天线的基本结构示意图，主要包括贴片11、介质基板12和金属底板13，由于这二种类型的天线工作原理各不相同，导致其应用领域也各不相同：小于1m的近距离RFID系统的天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，它们主要工作在中低频段；而1m以上远距离RFID应用系统需要采用微带贴片型天线，它主要工作在高频及微波频段。

上述二种天线，在实际应用中普遍具有以下缺陷：

1）在现有的电子标签的天线设计中，很难实现天线和电子标签一体化设计的同时，达到电子标签的超薄和小型化的特点。

2）在UHF工作频段内，电子标签所使用的射频芯片阻抗一般不是传统的50欧，要使射频芯片与电子标签内的天线二者的阻抗成共轭匹配，还需设计复杂的匹配网路，匹配网络的存在，成为电子标签小型化的一个主要障碍。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明提供一种天线和电子标签。本发明采用的技术方案为：

一种天线，包括：

基础部：所述基础部包括基板及涂覆于所述基板其中一面的金属辐射体层；所述金属辐射体层具有使所述基板的被覆盖面部分暴露的槽隙结构，所述槽隙结构包括横向槽隙；

分别从所述基础部上两位置处生长而出的弯折部：所述弯折部包括长度相同、高度相异且处于所述横向槽隙的横向轴向延伸线同侧的第一弯折部和第二弯折部；所述第一弯折部和第二弯折部相向抱拢。

一种电子标签，包括射频芯片、天线和为所述射频芯片及天线二者供电的供电单元，所述供电单元、射频芯片和所述天线依次连接，所述天线包括：

本发明的有益效果是：

（1）采用横向槽隙的设计：天线设计过程中，通过横向槽隙长度和宽度的调节，使天线的阻抗与电子标签中射频芯片的阻抗相匹配，省去二者间为了达到阻抗的匹配所设计的复杂的匹配网络，为电子标签的小型化提供有利条件。

（2）采用弯折部的设计：第一弯折部和第二弯折部长度相同，而高度相异，长度相同保证了天线辐射方向的对称性；高度相异，为设计电子标签时供电单元的放置提供合适位置，这种弯折结构相对传统直线结构式天线，设计出来的电子标签结构更小。

附图说明

图1为现有技术中微带贴片天线的结构示意图；

图2为实施例中偶极子天线的结构示意图之一；

图3为实施例中偶极子天线的结构示意图之二；

图4为实施例中偶极子天线的结构示意图之三；

图5为本发明中实施例一中天线的结构示意图；

图6为本发明中实施例二中电子标签的结构框图；

图7为本发明中实施例二中电子标签的结构示意图；

图8为本发明中实施例二中电子标签内的天线在水平面的辐射方向图；

图9为本发明中实施例二中电子标签内的天线在垂直面的辐射方向图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

从RFID技术原理和RFID系统中电子标签的天线类型来看，RFID系统具体应用的关键在于电子标签内天线的特点和性能。目前线圈型天线的实现技术很成熟，虽然都已广泛地应用在如身份识别、货物标签等RFID系统中，但是对于那些要求频率高、信息量大、工作距离和方向不确定的RFID系统，采用线圈型天线则难以实现相应的性能指标；同样，如果采用微带贴片型天线的话，由于实现工艺相对复杂，成本较高，一时还无法被低成本的RFID系统所选择，且此种结构的天线较难做到超薄，并具有一定的损耗，难以满足车辆识别电子标签的需要。

近年来，随着RFID技术的日渐成熟，新型偶极子型天线开始运用于RFID系统的高频及微波频段，图2-4即为几种新型偶极子天线结构示意图，天线振子臂间距为2l（2l为天线工作的中心频点所对应的波长的一半），偶极子天线具有辐射能力较强、制造及结构简单、辐射效率较高、且可通过折叠达到小型化等优点，虽然基本上具备设计成适用于全方向通讯的RFID系统中电子标签的天线，但还必须克服其阻抗相对固定，不易与射频芯片共轭匹配的缺点。基于上述构思，本发明提出一种基于偶极子天线且主要应用于车辆识别领域的超薄电子标签天线的设计和一种电子标签。

实施例一

请参见图5，该实施例提供一种天线，包括基础部101和弯折部，基础部101包括基板及涂覆于基板其中一面的金属辐射体层；金属辐射体层具有使基板的被覆盖面部分暴露的槽隙结构，槽隙结构包括横向槽隙1031；弯折部分别从基础部101上两位置处生长而出，包括长度相同、高度相异且处于横向槽隙1031的横向轴向延伸线同侧的第一弯折部1021和第二弯折部1022；第一弯折部1021和第二弯折部1022的弯折方向都朝向横向槽隙1031以相向抱拢，图5中，横向槽隙1031中的虚线为横向槽隙1031的横向轴向延伸线，其还可以水平向两端延伸。

优选地，槽隙结构还包括一纵向槽隙1032，与横向槽隙1031连通，构成一倒置“T”型槽隙结构；第一弯折部1021呈倒置“L”型；第二弯折部1022呈倒置的反“L”型。

对于构成天线的基础部101，通常的形状为矩形、正方形和圆形，这三种形状的基础部101，辐射效率依次降低，为了进一步提高天线的辐射效率，本实施例中，基础部101优选呈矩形，横向槽隙1031平行矩形基础部101的长边设置；第一弯折部1021和第二弯折部1022分别从矩形基础部101的长边的两端生长而出，并处于该长边的同侧。

该天线采用特殊的柔性PCB加工工艺，将金属辐射体层以上述的结构形式附在作为基板的柔性PCB板上。

下面以矩形基础部为例对该天线的设计思路做简要描述。

如图5所示，在矩形基础部101的中间开一个倒置的“T”型槽隙结构来调节天线的阻抗，具体是通过调节“T”型槽隙结构中横向槽隙1031的长度L和宽度w来控制该天线的阻抗（通常w=1～4mm，L=0.05λ₀～0.1λ₀，λ₀为天线工作的中心频点所对应的波长），最终使天线的阻抗与射频芯片的阻抗相匹配，从而达到良好的通信效果。

设该天线工作的中心频点为f₀，其在空气中的波长为λ₀=c/f₀。为保证该天线在该频点附近有较高的辐射效率，该天线的长度为L_total=L₁+L₂+L₃+L₄+L₅≈λ₀/2。同时，为了使该天线占有较小的空间，优选采用了如图5所示的第一弯折部1021和第二弯折部1022，第一弯折部1021往右上弯折，第二弯折部1022则往左上弯折，以呈相向抱拢状态，且第一弯折部1021的高度L₆不同于第二弯折部1022的高度L₇，如：可以是L₆的高度小于L₇的高度，也可以是L₆的高度大于L₇的高度，图5中是L₆的高度小于L₇的高度，且两个弯折部是以直角进行过渡的弯折结构，当然，也可以采用其他形式的弯折过渡结构，比如圆弧过渡的弯折结构或其他曲线的弯折结构，无论采用何种弯折过渡结构，应尽量保证两弯折部的长度基本相等，即L₁+L₆≈L₇+L₅，这里由于基础部101为矩形，则满足L₁+L₂≈L₄+L₅，这样，在保证天线辐射性能的前提下，还可实现天线尺寸的小型化。对于以圆弧过渡的弯折结构，弯折部的高度理解为：与弯折部的生长点（即弯折部与基础部101相连接的点）的垂直距离最远的点到其与矩形基础部101相连接的长边的垂直距离。

当基础部101为正方形时，该天线的长度为L_total=L₁+L₆+3倍的正方形边长+L₇+L₅=L₁+L₂+正方形边长+L₄+L₅≈λ₀/2；当基础部101为圆形时，两弯折部分别从基础部101的水平方向的直径的两端生长，此时，该天线的长度为L_total=L₁+L₆+圆形基础部的直径长+L₇+L₅≈λ₀/2。

为了使电子标签在汽车内有良好的通信效果，在设计该天线时还需把汽车的挡风玻璃作为天线的一部分进行仿真分析，分析结果表明，玻璃介质对天线在UHF频段工作时的阻抗影响还是相当大的，因此，还需将在玻璃介质环境下的天线的阻抗设计成与射频芯片的阻抗共轭匹配。假设选用的射频芯片在UHF中心频点下的阻抗为R-jX，天线在空气中对应频点下的阻抗为R₁+jX₁；而天线在紧贴汽车挡风玻璃下对应频点的阻抗为R₂+jX₂。通过调整横向槽隙1031的长度L和宽度w，使得天线在有玻璃介质下的阻抗与射频芯片共轭匹配，即R₂=R，X₂=X。此时，天线在空气中的阻抗与射频芯片的阻抗就处于较为明显的失配状态（R₁≠R，X₁≠X）。当然，玻璃介质较空气而言，对电磁波的衰减要大些，但在UHF频段，两种介质相差不大。所以处于较好匹配和严重失配下的两种天线的通信效果就相差甚远，这就是本实施例中电子标签内的天线在车内比车外的通信距离明显远的主要原因。

下面举例阐述天线的设计过程，该例中，第一弯折部1021的高度小于第二弯折部1022的高度，即L₆的高度小于L₇的高度。

设天线工作的中心频点为f₀=915MHz，其在空气中的波长为λ₀=c/f₀=327mm。为保证该天线在该频点附近有较高的辐射效率，那么该天线的总长度为L_tatal=L₁+L₂+L₃+L₄+L₅≈λ₀/2=163.5mm。由于要使具备该天线的整个电子标签尺寸尽量小，所以对该天线进行小型化设计，本实施例中，优选采用了如图5所示的第一弯折部1021和第二弯折部1022，第一弯折部1021往右上弯折，第二弯折部1022则往左上弯折，同时，考虑到在天线的左上方需要留位置放置可充电电池，所以采用的优选布局结构是第一弯折部1021的高度低于第二弯折部1022的高度，即L₆小于L₇，与此同时，还要保证第一弯折部1021和第二弯折部1022长度基本相等，即L₁+L₆≈L₇+L₅。天线中，各段的尺寸范围为：矩形基础部101的长度L₃为59～63mm，矩形基础部101的宽度与第一弯折部1021的高度L₆之和为19～23mm，矩形基础部101的宽度与第二弯折部1022的高度L₇之和为28～32mm，第一弯折部1021的水平长度L₁为20～24mm，第二弯折部1022的水平长度L₅为13～17mm，即：L₁=20～24mm，L₂=19～23mm，L₃=59～63mm，L₄=28～32mm，L₅=13～17mm。

该天线工作在UHF频段，射频芯片的阻抗为一个复数值，并非传统的50欧姆，如果采用匹配网络与射频芯片相连接，再利用巴伦匹配到50欧，这样设计既麻烦，同时还会引入一定的插损。因此，为了简化匹配网络的设计，本实施例中，直接将电子标签内的天线在UHF频段工作时的阻抗设计成与射频芯片成共轭匹配的状态，省去匹配网路的设计，达到了小型化的要求。

同时，为了使具备该天线的电子标签在车内具有良好的通信效果，本实施例将电子标签内的天线和玻璃介质进行一体化设计，使得电子标签在车内的通信距离远大于在车外的通信距离，这也是之前电子标签内的天线设计不具有的特点。

在本实施例中，采用如图5所示的弯折形式，主要是考虑在左上方需要预留一个可以安置可充电电池的位置。当然该天线的弯折形式可以多样，可以采取直角过渡弯折，圆弧过渡弯折，也可以是其他曲线形式弯折，但要保证L₁+L₆≈L₇+L_5，以保证天线辐射方向图的左右对称性。

实施例二

本实施例和实施例一不同的是，槽隙结构为“L”型，即：槽隙结构包括一横向槽隙1031和一纵向槽隙1032，纵向槽隙1032与横向槽隙1031连通，构成一“L”型槽隙结构，具有该槽隙结构的天线以与实施例一相同的原理实现对天线阻抗的调节，即同样通过调节横向槽隙1031的长度L和宽度w，以使天线阻抗与射频芯片阻抗相匹配。

实施例三

本实施例和实施例一及二不同的是，槽隙结构为倒置的“π”型，即：槽隙结构包括一横向槽隙1031和二个纵向槽隙，二个纵向槽隙都与横向槽隙1031连通，构成一倒置“π”型槽隙结构。具有该槽隙结构的天线以与实施例一和二相同的原理实现对天线阻抗的调节，即同样通过调节横向槽隙1031的长度L和宽度w，以使天线阻抗与射频芯片阻抗相匹配。

实施例四

请参见图6和7，该实施例提供一种电子标签，电子标签包括射频芯片、天线和为射频芯片及天线二者供电的供电单元，供电单元、射频芯片和天线依次连接，天线详细结构与实施例一、二或三相同，这里只做简要描述。

天线包括基础部201和弯折部：基础部201包括基板及涂覆于基板其中一面的金属辐射体层；金属辐射体层具有使基板的被覆盖面部分暴露的槽隙结构，槽隙结构包括横向槽隙2031；弯折部分别从基础部201上两位置处生长而出，包括长度相同、高度相异且处于横向槽隙2031的横向轴向延伸线同侧的第一弯折部2021和第二弯折部2022；第一弯折部2021和第二弯折部2022相向抱拢。槽隙结构进一步包括一纵向槽隙2031，与横向槽隙2031连通，构成一“L”型槽隙结构；或，与横向槽隙2031连通，构成一倒置“T”型槽隙结构。再或者，槽隙结构包括二个纵向槽隙，二者与横向槽隙2031连通，构成一倒置“π”型槽隙结构。优选地，第一弯折部2021呈倒置“L”型；第二弯折部2022呈倒置的反“L”型。进一步地，基础部201呈矩形；横向槽隙2031平行矩形基础部201的长边设置；第一弯折部2021和第二弯折部2022分别从矩形基础部201的长边的两端生长而出，并处于该长边的同侧。电子标签设计过程中，天线设计调节原理与实施例一、二和三相同，这里不再赘述。

电子标签中，供电单元进一步包括：太阳能电池、电路模块和可充电电池，太阳能电池、电路模块、可充电电池、射频芯片和天线依次连接，图7中，a，b分别为天线的两端即天线的正负极，分别与射频芯片正负极相连接，且天线的负极与射频芯片的负极共地。可充电电池置于高度较小的弯折部的上方，以合理设计电子标签的布局，使电子标签的设计小型化。由于整个电子标签尺寸相对较小，天线离太阳能电池和可充电电池的距离都相对较近；且太阳能电池和可充电电池里面含有金属成分以及复合材料，它们对天线的性能会产生影响。因此，设计该电子标签时，应充分考虑两种电池对天线性能的影响。

该电子标签选用EM4324的芯片作为电子标签的射频芯片，其可工作的频率范围为860～960MHz。当该射频芯片处于未供电状态时，接收灵敏度为-9dBm；当该射频芯片处于供电状态时（工作电压为1.1V～3.6V），接收灵敏度为-27dBm。本实施例中的电子标签应用频段为902～928MHz。

为了使该电子标签在汽车内的有较远的通信距离，在设计该天线时还应该把汽车的挡风玻璃作为天线的一部分进行仿真分析，并同时考虑2个电池：太阳能电池和可充电电池二者对天线性能的影响。

电子标签中，上述选用的EM4324射频芯片在中心频点f₀=915MHz下的阻抗为11-j155。天线阻抗的调节主要是调整槽隙结构中横向槽隙2031的长度L和宽度w，仿真发现，在一定范围内，电阻和电抗部分分别受w和L影响剧烈，而且随着w和L的增大，天线的电阻和电抗分别增大，仿真发现，槽隙结构的横向槽隙2031的长度和宽度范围分别为L=18～24mm，w=1～4mm。通过对L和w的相关尺寸调整，天线在有挡风玻璃下的阻抗为12+j156，而此时天线在空气中的阻抗为1+j124。那么天线在汽车挡风玻璃内，天线与芯片几乎完全呈现共轭匹配状态，而天线在空气中与芯片处于明显的失配状态。所以处于较好匹配和严重失配下的通信效果就相差较远。

采用输出功率为30dBm的便携式手持机测试，该手持机天线的极化方式为水平极化。实测结果表明，该电子标签安装在汽车内，汽车处于静止状态的通信距离可达30m；当它以20-30km/h速度行驶时，通信距离可到15-20m。而将电子标签放置于空气中，通信距离仅有10m多。该电子标签安装在汽车玻璃的下的辐射方向图如图8和9所示。由于该电子标签在汽车内为水平放置，该电子标签内的天线的水平面辐射方向图为准“8”型，垂直面辐射方向图接近全向。

在现有的有源电子标签中，一般在车内的通信距离比车外短。而本实施例提出的电子标签，充分考虑了玻璃介质对电子标签内天线的影响，使得标签在车内时的通信距离反而比车外要远1倍左右，在使用便携式手持读写设备时,通讯距离可达30米左右，电子标签随汽车行使过程中的通信距离可达15～20米。所以，该电子标签可应用在实际的远距离车辆识别与管理领域。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims

1.一种天线，包括：

基础部（101）：所述基础部（101）包括基板及涂覆于所述基板其中一面的金属辐射体层；所述金属辐射体层具有使所述基板的被覆盖面部分暴露的槽隙结构，所述槽隙结构包括横向槽隙（1031）；

分别从所述基础部（101）上两位置处生长而出的弯折部：所述弯折部包括长度相同、高度相异且处于所述横向槽隙（1031）的横向轴向延伸线同侧的第一弯折部（1021）和第二弯折部（1022）；所述第一弯折部（1021）和第二弯折部（1022）相向抱拢。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述槽隙结构还包括一纵向槽隙（1032），与所述横向槽隙（1031）连通，构成一“L”型槽隙结构；或，与所述横向槽隙（1031）连通，构成一倒置“T”型槽隙结构。

3.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述槽隙结构还包括二个纵向槽隙，二者与所述横向槽隙（1031）连通，构成一倒置“π”型槽隙结构。

4.如权利要求1-3中任一项所述的天线，其特征在于，所述第一弯折部（1021）呈倒置“L”型；所述第二弯折部（1022）呈倒置的反“L”型。

5.如权利要求4所述的天线，其特征在于，所述基础部（101）呈矩形；所述横向槽隙（1031）平行所述矩形基础部（101）的长边设置；所述第一弯折部（1021）和第二弯折部（1022）分别从所述矩形基础部（101）的长边的两端生长而出，并处于所述长边的同侧。

6.如权利要求5所述的天线，其特征在于，所述矩形基础部（101）的长度为59～63mm，所述矩形基础部（101）的宽度与所述第一弯折部（1021）的高度之和为19～23mm，所述矩形基础部（101）的宽度与所述第二弯折部（1022）的高度之和为28～32mm，所述第一弯折部（1021）的水平长度为20～24mm，所述第二弯折部（1022）的水平长度为13～17mm。

7.一种电子标签，包括射频芯片、天线和为所述射频芯片及天线二者供电的供电单元，所述供电单元、射频芯片和所述天线依次连接，其特征在于，所述天线包括：

基础部（201）：所述基础部（201）包括基板及涂覆于所述基板其中一面的金属辐射体层；所述金属辐射体层具有使所述基板的被覆盖面部分暴露的槽隙结构，所述槽隙结构包括横向槽隙（2031）；

分别从所述基础部（201）上两位置处生长而出的弯折部：所述弯折部包括长度相同、高度相异且处于所述横向槽隙（2031）的横向轴向延伸线同侧的第一弯折部（2021）和第二弯折部（2022）；所述第一弯折部（2021）和第二弯折部（2022）相向抱拢。

8.如权利要求7所述的电子标签，其特征在于，所述供电单元包括：太阳能电池、电路模块和可充电电池，所述太阳能电池、电路模块、可充电电池、射频芯片和天线依次连接；所述可充电电池置于高度较小的弯折部的上方。

9.如权利要求7或8所述的电子标签，其特征在于，所述槽隙结构还包括一纵向槽隙（2032），与所述横向槽隙（2031）连通，构成一“L”型槽隙结构；或，与所述横向槽隙（2031）连通，构成一倒置“T”型槽隙结构。

10.如权利要求7或8所述的电子标签，其特征在于，还包括二个纵向槽隙，二者与所述横向槽隙（2031）连通，构成一倒置“π”型槽隙结构。

11.如权利要求7或8所述的电子标签，其特征在于，所述基础部（201）呈矩形；所述横向槽隙（2031）平行所述矩形基础部（201）的长边设置；所述第一弯折部（2021）和第二弯折部（2022）分别从所述矩形基础部（201）的长边的两端生长而出，并处于所述长边的同侧。