CN104752809A - 一种射频识别标签天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频识别标签天线，包括：相互独立的馈电单元和辐射单元；其中，在使用射频识别标签天线时，将馈电单元粘贴在辐射单元上。本发明采用分离式的馈电单元和辐射单元，这样，辐射单元可以反复使用、可以匹配多种RFID芯片(馈电单元)，从而使本发明的射频识别标签天线经济环保。

Description

一种射频识别标签天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种射频识别标签天线。

背景技术

射频识别技术(RFID)是利用磁场耦合或电磁波传播进行非接触双向通信的自动识别技术。根据国际标准化组织(ISO)制定的ISO/IEC 18000系列标准，当前RFID系统的工作频段涵盖低频(LF，125～134KHz)、高频(HF，13.56MHz)、特高频(UHF，433MHz、860～960MHz)和微波(MW，2.45GHz和5.8GHz)频段。其中，由于860～960MHz频段的无源RFID系统具有低成本、高通信速率、多标签识别等诸多优势尤为受产业界的关注，是公认的最具应用潜力的RFID技术，现已在物流运输、服装、仓储管理、图书等资产及设备管理领域得到非常成功的应用。

在RFID标签天线设计中，半波偶极子类天线是最广泛采用标签天线设计方法的天线。标签天线具有设计简单，制造方便的特点。然而，当标签天线粘贴于金属物品或者内含液体的罐装物品上时，标签天线的性能就会极大恶化，甚至无法使用。性能恶化的主要原因是当标签天线接近金属物体表面时会在金属表面和标签天线之间引入较大的寄生电容，从而引起标签天线阻抗值和谐振频率的变化，破坏了标签天线上芯片与天线的共轭匹配关系。

针对上述问题引入了抗金属标签天线的设计。抗金属标签天线中，微带天线是一个最直接的选择，因为其天线本身就具备导体地面的设计，因此受材质影响较小，例如IFA天线、PIFA天线。但是，微带天线的缺点在于其结构是基于同轴线非平衡馈电的，而RFID标签天线则是平衡馈电，因此还需要额外进行平衡-不平衡馈电转换设计。但是，这类能够进行平衡-不平衡馈电转换的天线往往尺寸较大，而且带宽较窄。

近年来，本领域技术人员提出了使用人工磁导体(AMC)或电子带隙(EBG)结构来设计抗金属标签的方法。以AMC面为地的偶极子天线设计，能够获得4.5dB的增益，但这类天线要求AMC面要足够大，否则不足以抵消金属物体的影响。EBG天线则制作复杂，成本较高，带宽较窄。本领域技术人员还提出了基于背腔的抗金属标签设计，但是背腔式天线需要在基底材料底层覆盖地面，并在基底的两个边缘将辐射源与地面进行短接，制作复杂，且成本较高。

针对上述RFID标签天线而言，天线的馈电结构和标签天线是一体的，芯片直接被倒装到天线上，这样标签天线将无法回收再利用，随着RFID标签的大批量应用，将造成资源浪费和环境污染。

发明内容

本发明提供了一种射频识别标签天线，用以解决现有技术中标签天线中的馈电结构和标签天线为一体式结构，无法回收再利用的问题。

针对上述技术问题，本发明是通过以下技术方案来解决的。

本发明提供了一种射频识别标签天线，包括：相互独立的馈电单元和辐射单元；其中，在使用射频识别标签天线时，将馈电单元粘贴在辐射单元上。

其中，馈电单元包括馈电基底、以及设置在馈电基底表面的耦合环；其中，耦合环上焊接有射频识别芯片；辐射单元包括辐射基底、以及设置在辐射基底上的辐射贴片；在使用射频识别标签天线时，将所述馈电基底粘贴在所述辐射单元包含辐射贴片的面上，并且使所述耦合环的一部分位于所述辐射贴片上方。

其中，基于天线辐射原理，在辐射基底上设置辐射贴片，使辐射单元成为四分之一波长极子天线。

其中，在辐射基底的面上设置位置对称的第一辐射贴片和第二辐射贴片；其中，在所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片的中间形成辐射缝隙；在使用射频识别标签天线时，使馈电单元和辐射单元的几何中心重合，耦合环和辐射缝隙的几何中心重合，使耦合环第一部分位于所述第一辐射贴片上方、第二部分位于所述第二辐射贴片上方、第三部分位于所述辐射缝隙上方，使设置在所述耦合环上的射频识别芯片位于所述辐射缝隙上方。

其中，所述耦合环为感性耦合环。

其中，所述辐射单元是基于谐振片结构进行设计的。

本发明有益效果如下：

本发明采用分离式的馈电单元和辐射单元，这样，辐射单元可以反复使用、可以匹配多种RFID芯片(馈电单元)，从而使本发明的射频识别标签天线经济环保。

附图说明

图1是本发明实施例中射频识别标签天线的结构示意图；

图2A是本发明实施例中辐射单元的俯视图；

图2B是本发明实施例中辐射单元的侧视图；

图2C是本发明实施例中馈电单元的俯视图；

图2D是本发明实施例中馈电单元的侧视图；

图2E是本发明实施例中射频识别标签天线的俯视图；

图2F是本发明实施例中射频识别标签天线的侧视图；

图3是本发明实施例中耦合环的馈电结构的等效电路图；

图4是本发明实施例中RFID标签天线在自由空间和粘贴于金属表面后的阻抗曲线示意图；

图5是本发明实施例中RFID标签天线粘贴在金属表面上时的方向图；

图6是本发明实施例中RFID标签天线粘贴在自由空间中的方向图；

图7是本发明实施例中RFID标签天线在自由空间和金属表面上的回波损耗的曲线示意图。

具体实施方式

本发明的主要思想在于，提供一种射频识别标签天线(以下简称RFID标签天线)。本发明RFID标签天线基于偶极子和贴片天线原理，通过相互独立的耦合环与辐射贴片之间的耦合作用进行馈电，从而获得宽带特性，并且通过将独立的感性耦合环设置于薄介质材料上，进而实现了天线辐射单元的可回收利用，使RFID标签天线具有广泛的兼容性，可适配不同的RFID芯片。而且，本发明采用单层辐射振子结构，没有地面和接地设计，极大简化了标签制作工艺，可大规模生产应用。

以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

如图1所示，为根据本发明一实施例的射频识别标签天线的结构图。

RFID标签天线包括：相互独立的馈电单元和辐射单元。其中，辐射单元是基于谐振片结构进行设计的。

在使用RFID标签天线时，将馈电单元粘贴在辐射单元上，形成完整的RFID标签天线。

在本实施例中，馈电单元和辐射单元采用分离式设计，克服了RFID标签天线不能重复使用的问题，通过更换馈电单元，即可形成新的RFID标签天线，本实施例实现了辐射单元的可重复使用的目的，扩展了RFID标签天线的兼容性，提高了RFID标签天线的回收利用率，并且本实施例简化了RFID标签天线的制作工艺，减少了重复设计RFID标签天线的工作量，可大规模生产应用。

本实施例的RFID标签天线对其贴附的背景材料不敏感，也就是说该RFID标签天线无论贴附于纸质、木材、含液体容器、甚至金属上，都能够获得非常好的性能。

如图2所示，为根据本发明一实施例的射频识别标签天线的详细结构图。

馈电单元包括：馈电基底、以及设置在馈电基底表面的耦合环；其中，耦合环上焊接有射频识别芯片(以下简称RFID芯片)。如图2A和图2B所示。在图2A中位于矩形馈电基底上的矩形环为耦合环，焊接于耦合环上的chip为RFID芯片。图2B中ε₂为馈电基底的介电常数。

辐射单元包括：辐射基底、以及设置在辐射基底上的辐射贴片。辐射贴片的数量不限，可以根据具体的应用场景来进行设置。

基于天线辐射原理，在辐射基底上设置辐射贴片，使辐射单元成为四分之一波长单极子天线。进一步地，可以在辐射基底的面上设置位置对称的两片辐射贴片，并且在两片辐射贴片中间形成辐射缝隙，这样可以形成结构对称的半波偶极子贴片天线。辐射贴片的大小可以根据应用场景进行设置，其尺寸的改变将影响到天线的谐振频率和方向图。如图2C和图2D所示。图2C中两侧的矩形为辐射贴片，中间的矩形为辐射缝隙；图2D中ε₁为辐射基底的介电常数。

在使用RFID标签天线时，将馈电单元粘贴在辐射单元上，并且将馈电基底不包含耦合环的面粘贴在辐射单元包含辐射贴片的面上。进一步地，在粘贴时，使耦合环的一部分位于辐射贴片的上方，另一部分位于辐射基底的上方。RFID芯片可以位于辐射贴片的上方，也可以位于辐射基底的上方。

当辐射基底上设置单片辐射贴片时，可以将耦合环置于辐射贴片边缘上方，使耦合环的一部分位于辐射贴片上方，另一部分位于辐射基底上方。

当在辐射基底的面上设置位置对称的两片辐射贴片时，使馈电单元和辐射单元的几何中心重合，使耦合环和辐射缝隙的几何中心重合，使耦合环第一部分位于第一辐射贴片上方、第二部分位于第二辐射贴片上方、第三部分位于辐射缝隙上方，使使设置在所述耦合环上的RFID芯片位于辐射缝隙的上方。如图2E和图2F所示。通过将分离的馈电单元和辐射单元粘贴在一起，组成完整的RFID标签天线。

针对上述结构具体而言：

辐射基底材料可以采用FR4。辐射贴片的材料可以采用铜。

例如：基于半波振子原理，在FR4板的上层平面覆铜，形成偶极子平面天线结构，且每片辐射贴片的臂长为近似四分之一波长，进而使辐射单元成为半波偶极子天线。

馈电基底材料可以采用纸张、聚酯纤维、PET塑料、泡沫等。进一步地，可以将耦合环印刷在馈电基底材料上。

耦合环为感性耦合环；其中，不同尺寸的耦合环可以得到不同的感抗。在设计耦合环时，通过调节耦合环的尺寸可以方便地调节馈电网络的感抗，使耦合环与RFID芯片阻抗的共轭匹配，从而使RFID标签天线获得较宽的工作带宽和较高的辐射效率。

进一步地，采用耦合环的馈电结构时，影响RFID标签天线输入阻抗的主要参数包括：耦合环的尺寸(如：长和宽)、耦合环走线的宽度、以及耦合环与辐射单元辐射面的垂直距离。因为，这些参数可以影响耦合环的等效电感，进而可以影响RFID标签天线的输入阻抗。

如图3所示，为耦合环的馈电结构的等效电路图。图3中，Z_a是整个RFID标签天线的输入阻抗，即RFID标签天线在RFID芯片端的输入阻抗，L_loop是耦合环的等效电感，L_rb、C_rb、R_rb分别为辐射单元的等效电感、电容和电阻，M为变压器的耦合系数。

RFID标签天线在RFID芯片端的输入阻抗为:

$Z_a=R_a+j{X}_a=Z_{\mathrm{loop}}+\frac{{\left(2\mathrm{\πfM}\right)}^2}{Z_{\mathrm{rb}}}---\left(1\right)$

其中，R_a、X_a分别为Z_a的电阻和电抗，Z_rb为辐射单元的阻抗，Z_loop为馈电单元的阻抗，f为工作频率。

由于辐射单元可以看成是RLC等效电路，引入Q值(Q_rb)，则Z_rb可以写为：

$Z_{\mathrm{rb}}=R_{\mathrm{rb},0}+j{R}_{\mathrm{rb},0}{Q}_{\mathrm{rb}}(\frac{f}{f_0}-\frac{f_0}{f})---\left(2\right)$

其中，f₀为谐振频率，R_rb,0是辐射单元在谐振情况下的阻抗，又由于耦合环阻抗成分中起主要作用的是其电感，其阻抗可记为:

Z_loop＝j2πfL_loop        (3)

联立以上(1)、(2)和(3)式，可以得到RFID标签天线阻抗的实部和虚部表达式分别如式(4)和式(5)所示。

$R_a=\frac{{\left(2\mathrm{\πfM}\right)}^2}{R_{\mathrm{rb},0}}\frac{1}{1+u^2}---\left(4\right)$

$X_a=2\mathrm{\πf}{L}_{\mathrm{loop}}-\frac{{\left(2\mathrm{\πfM}\right)}^2}{R_{\mathrm{rb},0}}\frac{1}{1+u^2}---\left(5\right)$

其中，

$u=Q_{\mathrm{rb}}(\frac{f}{f_0}-\frac{f_0}{f})---\left(6\right)$

在谐振条件下，其f＝f₀时,有

$R_{a,0}=\frac{{\left(2\mathrm{\π}{f}_{0}M\right)}^2}{R_{\mathrm{rb},0}}---\left(7\right)$

其中，R_a是随着频率f变化的，R_a,0指谐振频率f₀处的R_a值；

X_a,0＝2πf₀L_loop       (8)

其中，X_a是随着频率f变化的，X_a,0指谐振频率f₀处的X_a值；

由以上推导可得出结论：RFID标签天线的电抗主要由耦合环的电感决定，耦合环的电感越大，RFID标签天线的电抗分量越大；RFID标签天线的电阻主要由辐射单元的电阻和变压器耦合系数决定，耦合系数越大，辐射单元电阻越小，RFID标签天线的电阻分量越大。

本实施例采用感性耦合环，耦合环馈电可以引入较大电感，使RFID标签天线的阻抗在很宽的频带内保持相对平稳，实现了与RFID芯片在宽频带上的共轭阻抗匹配，从而使天线获得较宽的带宽。

本实施例通过调节耦合环的尺寸，就可以方便地调节馈电网络的感抗，从而很好地实现RFID标签天线与RFID芯片阻抗的共轭匹配，获得宽带工作性能。天线具有宽带特性，其工作频率涵盖国际上各个国家和地区的UHF RFID的分配频段。

在本实施例中，馈电单元和辐射单元采用可分离的设计方式，从而实现了辐射单元的可重复利用，扩展了标签天线的兼容性，只需通过更换馈电单元即可使辐射单元适配任何RFID芯片。由于各个厂家生产的RFID芯片没有统一的标准，其阻抗各不相同，传统的RFID标签天线都是针对某一款芯片所设计的，不能为别的芯片所使用，而本实施例的RFID标签天线只需在辐射单元的基础上，更换经过匹配设计的馈电单元即可形成一个新的RFID标签天线，无需重新设计制作辐射单元，从而极大提高了标签天线的利用率。

在本实施例中，辐射单元基于半波振子原理，不做地面和接地设计，极大简化天线结构，降低制造成本，易于批量生产。

在本实施例中，在宽频带上，天线具有背景材料不敏感特性，在自由空间、介质材料和导体材料表面上均可获得1dB以上的增益。

下面基于软件Ansoft HFSS对本发明进行仿真分析。仿真示意图可以参照图2A-图2F。

辐射基底的材料采用FR4材料，FR4材料的介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，FR3材料的厚度为h。在FR4材料的顶层平面覆铜，形成两片辐射贴片。两片辐射贴片的长都为L_p、宽为W_p，辐射贴片之间的辐射缝隙宽度为g。

馈电基底的材料采用介电常数为1.1的泡沫，馈电基底的厚度为d，长度为2*L_p+g，宽度为W_p。当然，馈电基底的也可以选择聚酯纤维、纸等，但是，本领域技术人员应当知道，随着馈电基底材料的变化，厚度的变化，耦合环的耦合能量也将发生变化，这种变化对RFID标签天线的辐射效率产生影响。

印刷在馈电基底上的耦合环的尺寸是：长度为W_L，宽度为L_L；耦合环走线的宽度为w，耦合环长边处走线的外边缘与馈电基底的边缘的距离为l。

RFID芯片采用Alien Higgs3芯片(30-j200)。

在仿真之前设置参数取值：L_p＝80.0mm，W_p＝25.0mm，g＝5.0mm，h＝3.0mm，d＝0.5mm，L_L＝14.0mm，W_L＝23.0mm，w＝1.0mm，l＝1.0mm。

RFID标签天线在自由空间和粘贴于金属表面后的阻抗曲线如图4所示。在图4中，实线为RFID标签天线贴附于金属物体表面时的阻抗曲线，虚线为RFID标签天线在自由空间中的阻抗曲线，点状线为Alien Higgs3芯片阻抗的共轭值(30+j200)。从图4中可以看出，在导体表面上，RFID标签天线在840MHz和900MHz的阻抗分别为22.9+j199.0和28.4+j201.7，可以与芯片实现非常好的共轭匹配关系。

RFID标签天线粘贴在金属表面上时的方向图如图5所示。从图5中可以看出，此时天线增益在天线辐射面正上方，及θ＝0°方向达到最大，为1.4dBi。

RFID标签天线粘贴在自由空间中的方向图如图6所示。在自由空间中，RFID标签天线在840MHz和900MHz处的天线输入阻抗分别为11.1+j211.4和17.6+j231.8，可见在840MHz仍能很好匹配，最大增益方向为θ＝90°，φ＝270°方向，增益为1.3dBi，在θ＝0°方向增益仍然有0dBi。

RFID标签天线在自由空间和金属表面上的回波损耗(S11)曲线如图7所示。其-10dB带宽覆盖615～1.2GHz，涵盖了欧洲的866～869MHz、美洲的902～928MHz、中国的840～845MHz和920～925MHz、日本的950～956MHz，可在全球使用。

本发明提出了一种结构简单的分离式耦合环馈电的宽带抗金属标签天线设计，天线整体尺寸为165*25*3.5mm3，可拆分为独立的馈电单元(耦合环)和辐射单元，通过更换匹配不同RFID芯片的馈电单元，可直接利用辐射单元构造一个新的RFID标签，极大提高了标签天线的回收利用率，具有较大的应用价值。在天线性能指标方面，本发明提出的天线能够实现对整个840～960MHz RFID频段的宽带覆盖，且在自由空间和金属表面上的天线增益分别为1.3dBi和1.4dBi，具有相当好的背景不敏感性。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (6)

1.一种射频识别标签天线，其特征在于，包括：

相互独立的馈电单元和辐射单元；其中，

在使用射频识别标签天线时，将馈电单元粘贴在辐射单元上。

2.如权利要求1所述的射频识别标签天线，其特征在于，

馈电单元包括馈电基底、以及设置在馈电基底表面的耦合环；其中，耦合环上焊接有射频识别芯片；

辐射单元包括辐射基底、以及设置在辐射基底上的辐射贴片；

在使用射频识别标签天线时，将所述馈电基底粘贴在所述辐射单元包含辐射贴片的面上，并且使所述耦合环的一部分位于所述辐射贴片上方。

3.如权利要求2所述的射频识别标签天线，其特征在于，

基于天线辐射原理，在辐射基底上设置辐射贴片，使辐射单元成为四分之一波长极子天线。

4.如权利要求2或3所述的射频识别标签天线，其特征在于，

在辐射基底的面上设置位置对称的第一辐射贴片和第二辐射贴片；其中，在所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片的中间形成辐射缝隙；

在使用射频识别标签天线时，使馈电单元和辐射单元的几何中心重合，耦合环和辐射缝隙的几何中心重合，使耦合环第一部分位于所述第一辐射贴片上方、第二部分位于所述第二辐射贴片上方、第三部分位于所述辐射缝隙上方，使设置在所述耦合环上的射频识别芯片位于所述辐射缝隙上方。

5.如权利要求2或3所述的射频识别标签天线，其特征在于，

所述耦合环为感性耦合环。

6.如权利要求1-3中任一项所述的射频识别标签天线，其特征在于，

所述辐射单元是基于谐振片结构进行设计的。