CN104319472A - 一种可工作于自由空间和金属表面的有源rfid天线 - Google Patents

Abstract

一种可工作于自由空间和金属表面的有源RFID天线，包括：基板，其上开有用于馈电的通孔，通孔为非金属过孔；刻在基板正面的微带馈电电路，微带馈电电路两端开路，馈电点位于中间；以及，刻在基板反面的刻槽贴片，刻槽贴片为金属材质，其上刻有相互垂直的短路槽和开路槽，短路槽开在刻槽贴片的中部，开路槽开在刻槽贴片的边缘；当应用于自由空间时，微带馈电电路激励开路槽，获得偶极子工作模式；当应用于金属表面时，微带馈电电路激励短路槽，获得贴片工作模式，本发明天线结构不带地板，可以应用于自由空间和金属表面两种环境中，并且在两种环境中都有很好的辐射特性，并且结构简洁紧凑，制作成本低廉，便于大规模使用，适合用作有源RFID天线。

Description

一种可工作于自由空间和金属表面的有源RFID天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及RFID天线，特别涉及一种可工作于自由空间和金属表面的有源RFID天线。

背景技术

RFID技术诞生于20世纪40年代，最初单纯用于军事领域。从20世纪90年代开始，逐渐推广到企业中使用。近年来，RFID技术在识别、跟踪和自动数据获取等方面的应用使其在许多服务领域，诸如货物分配、商业贸易、生产制造和物流等领域中，得到了快速的普及和推广。一个典型的RFID系统由系统高层、阅读器和电子标签三部分构成，电子标签一般由标签天线和标签芯片组成，标签天线根据标签获取能量方法的不同有不同的工作方式，芯片中存储着目标物体的属性、状态和编号等信息；读写器由读写器主机和读写器天线组成，读写器主机主要实现读取信号的控制和射频信号的产生，读写器天线用来发射和接受信号；系统高层主要负责对读写器的控制、设置，以及对读取到的标签的信息进行管理，并结合具体应用给出适当的判断和显示。读写器和标签之间的通信是通过无线连接实现的，采用哪种通信方式和通信频率有关：在低频段和高频段，采用磁场耦合的方式；在超高频段和微波频段，采用电磁波捕获的方式。

RFID系统的电子标签可以分为两类：无源标签和有源标签。无源标签也称为被动式标签，是通常意义上的RFID标签，它由读写器询问信号提供能量，标签通过反射的方式进行信号传输，无源标签无需外加电池，当其处于读写器的有效读取范围内时，读写器天线产生的问询电磁波在标签天线上产生的能量即可驱动芯片完成解码、解析、编码和反向调制等功能。与有源标签相比，无源标签体积小，成本低，寿命长，但是读取距离比较短，低频和高频的标签读取距离只有几十厘米，超高频的标签最远也就十几米的范围。有源标签也称为主动式标签，内装电池，使用专用射频芯片并定时主动发射信号，具有较远的读取距离，可远至上百米，不足之处在于寿命有限，成本高，体积大，目前一般应用于车辆、航运和矿井等特殊场合的管理。无源标签和有源标签有一个很大的区别：无源标签天线的输入阻抗需要与芯片的阻抗共轭匹配以便于把接收到的最大能量用来激励芯片，标签天线需要根据芯片的型号来设计，此时天线的输入阻抗都有一个较大的电抗或容抗；而有源标签天线的输入阻抗根馈电端口电缆相关，一般是固定的50欧姆。

RFID标签的应用环境多种多样，标签附着的目标表面的材料特性可能会对标签天线性能产生影响，例如很多时候需要对金属物体进行标识，如汽车、钢瓶、集装箱、武器装备等，普通的标签放置于金属表面时，会引入寄生电容，该电容会改变天线的输入阻抗，导致天线性能恶化，读取距离变短甚至不能读取。为了设计出可以探测金属目标的标签，有四种方法：(1)通过调整标签天线和金属表面的距离来减小金属边界的影响，但是这种方法使得天线的厚度增加，在一些对低剖面要求场合难以实施；(2)通过在标签和金属表面之间加一层吸波材料来减小金属目标对标签天线的影响，这种方法成本太高；(3)利用电磁带隙结构作为标签天线的介质板，这种方法会导致天线结构非常复杂；(4)将标签天线设计成微带天线、倒F天线等本身自带地结构的天线。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可工作于自由空间和金属表面的有源RFID天线，采用两种槽结构，在不同的应用环境中微带馈电电路的不同部分激励两种槽可以分别得到两种不同的工作模式，并且在两种工作模式下都具有非常好的辐射特性，从而可以应用于自由空间和金属表面两种环境中；采用基于标准的印刷电路板工艺制作，有效的降低了工艺需求和制造成本；该天线可以用于有源射频识别系统中，使得阅读器天线识别金属目标或者非金属目标。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可工作于自由空间和金属表面的有源RFID天线，包括：

基板1，其上开有用于馈电的通孔5，通孔5为非金属过孔；

刻在基板1正面的微带馈电电路2，微带馈电电路2两端开路，馈电点位于中间；

以及，刻在基板1反面的刻槽贴片3，刻槽贴片3为金属材质，其上刻有相互垂直的短路槽6和开路槽7，短路槽6开在刻槽贴片3的中部，开路槽7开在刻槽贴片3的边缘；

当应用于自由空间时，微带馈电电路2激励开路槽7，获得偶极子工作模式；

当应用于金属表面时，微带馈电电路2激励短路槽6，获得贴片工作模式。

所述微带馈电电路2由顺次垂直连接的Y向微带一21、X向微带一22、Y向微带二23和X向微带二24组成，其中X向微带一22、Y向微带二23和X向微带二24组成U形结构，短路槽6为X向，开路槽7为Y向，Y向微带一21向下投影与短路槽6相交，X向微带二24向下投影与开路槽7相交。

所述X向微带二24的长度大于X向微带一22。

所述通孔5向上投影在X向微带二22上，向下投影在刻槽贴片3上，射频信号通过同轴线馈入，同轴线的内导体穿过通孔5与X向微带二22相连，同轴线的外导体与刻槽贴片3相连。

本发明还可包括设置在刻槽贴片3下方的用于隔离刻槽贴片3与金属目标的泡沫层4。

与现有技术相比，本发明天线结构不带地板，金属贴片上刻有短路槽和开路槽，分别用来激励贴片模式和偶极子模式。这种双模特性使得该天线可以应用于自由空间和金属表面两种环境中，并且在两种环境中都有很好的辐射特性。该天线区别于可应用于两种环境的标签天线的最大特征是天线结构本身不带地板，使得该结构简洁紧凑，再加上成本低廉的制作工艺，便于大规模生产使用，非常适合用作有源RFID天线。

附图说明

图1为本发明的三维结构示意图。

图2为本发明的一个实施例，其中包括2(a)正面，2(b)侧面和2(c)背面视角的具体尺寸。该具体实施例应用于工作于2.4GHz的有源RFID天线。

图3为两种应用环境示意图，其中3(a)自由空间中，3(b)金属表面。

图4为该具体实施例下该天线设计的4(a)两种工作模式下的反射系数、4(b)偶极子工作模式在2.4GHz时三个平面内的辐射方向图以及4(c)贴片工作模式在2.4GHz时两个主平面内的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明一种不带地结构的可工作于自由空间和金属表面的有源RFID天线设计。它具有结构简单，低剖面和可以应用于两种工作环境的特点。根据设计示意，给出了一个应用于2.4GHz有源RFID金属标签天线的具体实施例，下面结合附图予以说明：

参阅图1，该金属标签天线包括一块基于双面印刷电路板工艺的基板1，其正面上刻有微带馈电电路2，反面为金属材质的刻槽贴片3，刻槽贴片3上刻有两个垂直的短路槽6和开路槽7。本实施例中，微带馈电电路2由顺次垂直连接的Y向微带一21、X向微带一22、Y向微带二23和X向微带二24组成，X向微带二24的长度大于X向微带一22。其中X向微带一22、Y向微带二23和X向微带二24组成U形结构，短路槽6为X向，开路槽7为Y向，Y向微带一21向下投影与短路槽6相交，X向微带二24向下投影与开路槽7相交。

基板1中采用印刷电路板的通孔工艺，预留了用于馈电的通孔5，该通孔为非金属过孔，不与两面的金属相连，通孔5向上投影在X向微带二22上，向下投影在刻槽贴片3上，射频信号通过同轴线馈入，同轴线的内导体穿过通孔5与X向微带二22相连，同轴线的外导体与刻槽贴片3相连。馈电时，射频信号通过50欧姆标准同轴线馈入微带馈电电路2，并进一步来分别激励短路槽6和开路槽7产生两种工作模式。在刻槽贴片3的下面有一层泡沫层4，该泡沫层用来隔离金属贴片3和金属目标表面，工作于贴片模式时，金属地板用了一块边长为120毫米的方形铜板，该金属板放置于泡沫层的下方，这里省去了金属地板。

在设计中，基板1的介电常数和刻槽贴片3的尺寸决定了贴片模式的谐振频率；开路槽7的尺寸决定了偶极子模式的谐振频率；调节刻槽贴片3的尺寸，短路槽6和开路槽7的长宽和微带线的长宽以及馈电位置，使得两种模式都谐振于2.4GHz并且有理想的工作带宽。

图2给出了工作于2.4GHz的金属标签天线的具体实施例。其中图2a给出了基板1正面微带馈电电路2的详细尺寸。其中，微带线宽度为1.8毫米，Y向微带一21长15.6毫米，微带线一21末端开路端距离短路槽6中心11.6毫米，X向微带线二22长9.9毫米，Y向微带线三23长14.65毫米，X向微带线四24长13毫米，微带线四24末端开路端距离开路槽7中心4毫米；通孔5距离Y向微带线一21的距离为3.2毫米。图2b给出了基板1和泡沫层4的厚度；基板1厚1毫米，泡沫层4厚5毫米。图2c给出了刻槽贴片3以及短路槽6和开路槽7的详细尺寸；刻槽贴片3X向边长60毫米，Y向边长50.3毫米，通孔5的直径为1毫米，短路槽6宽2毫米，长25毫米，开路槽7宽2毫米，长15毫米。基板1所采用的是基于FR-4的板材，介电常数4.4，损耗角0.02。

图3(a)表示应用于自由空间中，此时，泡沫层4下方没有金属地板，微带馈电电路2激励起开路槽7，在刻槽贴片3上获得类似于偶极子模式的电流分布，同时由于贴片模式被开路，可以获得偶极子工作模式，其辐射方向图为双向辐射波束，如图4(b)所示。

图3(b)表示应用于金属表面，此时，泡沫层4下方有一块边长为120毫米的金属板。微带馈电电路2通过激励短路槽6从而激励起标准的贴片模式电流分布，同时由于偶极子模式被开路，可以获得贴片工作模式，其辐射方向图为单向辐射波束，如图4(c)所示。

采用该参数设计的实施例的两种工作模式下的反射系数由图4(a)给出，可以看到，偶极子模式和贴片模式下的-10dB阻抗带宽分别为：2.24-2.77GHz(530MHz)和2.31-2.58GHz(270MHz)，可以看到两种模式的工作频带都可以满足工程应用。图4(b)给出了偶极子模式的辐射方向图，可以看到，在中心频率2.4GHz处，在包含最大方向的两个面XZ和YZ面内的最大增益分别为2.6dB和2.7dB，具有双向辐射特性；图4(c)给出了贴片模式的辐射方向图，2.4GHz时的最大增益为9.9dB，具有单向辐射特性。可见在两种模式下，该天线都具有很好的辐射特性和增益指标，非常适用于有源RFID应用。

综上所述，本发明提供了一种可工作于自由空间和金属表面的有源RFID天线设计。该标签天线由馈电微带线、介质基板、刻槽金属贴片和泡沫层构成，可以应用于自由空间和金属表面两种环境中。当应用于自由空间中时，偶极子模式处于工作状态而贴片模式处于开路状态从而工作于偶极子模式；而应用于金属表面时，贴片模式处于工作状态偶极子模式处于开路状态从而工作于贴片模式，并且在两种工作模式下都有很好的辐射特性，非常适合用作有源RFID天线。而在具体实施过程中，基板和金属贴片、短路槽和开路槽、微带馈电电路的各项尺寸，包括整体尺寸，厚度，介电常数，槽宽和槽长，微带线宽和线长，馈点位置都可进行灵活的调节，这些参数将用于天线在两种工作模式下的阻抗匹配。在进行优化设计后，该天线将呈现两种工作环境下两种工作模式的特点。

Claims (5)

1.一种可工作于自由空间和金属表面的有源RFID天线，其特征在于，包括：

基板(1)，其上开有用于馈电的通孔(5)，通孔(5)为非金属过孔；

刻在基板(1)正面的微带馈电电路(2)，微带馈电电路(2)两端开路，馈电点位于中间；

以及，刻在基板(1)反面的刻槽贴片(3)，刻槽贴片(3)为金属材质，其上刻有相互垂直的短路槽(6)和开路槽(7)，短路槽(6)开在刻槽贴片(3)的中部，开路槽(7)开在刻槽贴片(3)的边缘；

当应用于自由空间时，微带馈电电路(2)激励开路槽(7)，获得偶极子工作模式；

当应用于金属表面时，微带馈电电路(2)激励短路槽(6)，获得贴片工作模式。

2.根据权利要求1所述可工作于自由空间和金属表面的有源RFID天线，其特征在于，所述微带馈电电路(2)由顺次垂直连接的Y向微带一(21)、X向微带一(22)、Y向微带二(23)和X向微带二(24)组成，其中X向微带一(22)、Y向微带二(23)和X向微带二(24)组成U形结构，短路槽(6)为X向，开路槽(7)为Y向，Y向微带一(21)向下投影与短路槽(6)相交，X向微带二(24)向下投影与开路槽(7)相交。

3.根据权利要求2所述可工作于自由空间和金属表面的有源RFID天线，其特征在于，所述X向微带二(24)的长度大于X向微带一(22)。

4.根据权利要求2所述可工作于自由空间和金属表面的有源RFID天线，其特征在于，所述通孔(5)向上投影在X向微带二(22)上，向下投影在刻槽贴片(3)上，射频信号通过同轴线馈入，同轴线的内导体穿过通孔(5)与X向微带二(22)相连，同轴线的外导体与刻槽贴片(3)相连。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述可工作于自由空间和金属表面的有源RFID天线，其特征在于，还包括设置在刻槽贴片(3)下方的用于隔离刻槽贴片(3)与金属目标的泡沫层(4)。