CN105226381A - 一款小型化超高频弯折偶极子天线 - Google Patents

Abstract

一款小型化超高频弯折偶极子天线。该偶极子天线由介质衬底和天线单元组成。(1)天线单元包括中间的馈线圈，馈线圈两侧各连接一个偶极子臂，两个偶极子臂的外端各连接一个辐射片，整体尺寸为50mm×13.7mm×0.5mm；(2)天线的介质衬底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，厚度为0.5mm，介电常数为2.2；(3)天线单元材料选择蚀刻的铝，芯片采用Higgs-3芯片。经过建模仿真及打样测试，该结构尺寸的标签天线具有良好的工作带宽。在860MHz-960MHz频带范围内，最小启动功率保持在23-26dBm，读取距离3-5m，具有尺寸小、功耗低等优点，可以满足读取要求。

Description

一款小型化超高频弯折偶极子天线

技术领域

本发明属于无线电领域，具体涉及一款用于超高频射频识别系统的小型化弯折偶极子天线设计。

背景技术

射频识别(RFID)技术是一种基于空间电磁传输的非接触式自动识别和数据采集技术，具有非可视读取、操作距离远、高效和可工作于恶劣环境等优点，近些年来在各种信息化系统中得到广泛应用。超高频RFID系统具有低频系统无可比拟的特性，如识别距离远、数据传输快、可重复读写、体积小巧等，是目前应用和研究的重点。

射频标签通常由天线辐射单元和芯片两部分组成，其中天线占据了标签体积的大部分，其性能对整个系统来说至关重要。RFID系统的读取性能，如通信距离、方向性和稳定性等主要取决于天线。随着RFID技术应用领域的增加，对小尺寸、低成本的标签需求越来越多。目前，常用的实现标签小型化方案主要是采用微带天线，通过使用高介电常数介质或提高通信频率等方法减小天线尺寸。然而，微带天线的复杂结构不利于大规模生产，可读取带宽较窄，因体积较大易受到应用场合限制。因此，设计体积小、成本低、生产工艺简单的天线具有迫切的现实意义。

发明内容

本发明目的是解决现有技术中的标签偶极子天线尺寸大、读取带宽有限等问题，提出一款小型化超高频弯折偶极子天线，该天线具有尺寸小、增益高、工作频带宽、读取距离远等优点。

本发明所述的一款可用于超高频RFID系统的小型化弯折偶极子天线，由介质衬底和天线单元组成，该偶极子天线的整体尺寸为50mm×13.7mm×0.5mm。(1)天线单元包括中间的馈线圈，馈线圈两侧各连接一个偶极子臂，两个偶极子臂的外端各连接一个辐射片；(2)天线的介质衬底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PolyethyleneTerephthalate，PET)，厚度为0.5mm，介电常数为2.2。(3)天线单元的材料选择蚀刻的铝。(4)振子馈电缝隙宽度是0.15mm，芯片采用Alien公司的Higgs-3芯片。设置天线仿真时的频率扫描范围为0.6～1.1GHz，天线工作频带的中心频率为920MHz，Higgs-3芯片在中心频率点的阻抗为27+j200Ω。

为了使标签天线实现与芯片阻抗匹配，在已有天线结构的基础上，考虑各几何尺寸之间的关系，设计过程包括：

(1)采用HFSS软件建立模型，并分析偶极子天线主要结构和尺寸的变化对天线阻抗与芯片阻抗匹配程度的影响，优化变量以获得良好的阻抗匹配程度；

(2)采用蚀刻的方法制作天线样品；

(3)采用标签打样机进行芯片绑定，并实际测试。

通过优化天线的阻抗匹配、回波损耗等参数，综合考虑天线性能和各尺寸参数，最后天线的整体尺寸为50mm×13.7mm×0.5mm，振子馈电缝隙宽度是0.15mm，具体几何尺寸如图1所示。

本发明的优点和积极效果：

1、本发明所述的偶极子天线，其整体尺寸为50mm×13.7mm×0.5mm，具有结构简单、体积小等优点；

2、本发明所述的偶极子天线，工作频带覆盖了超高频频段，可读取频率范围广；

3、本发明所述的偶极子天线，最小启动功率保持在23-26dBm，读取距离3-5米，具有功耗低的优点。

4、本发明所述的偶极子天线，其采用的加工材料常见，工艺简单，便于实现批量工业化生产。

附图说明

图1为本发明小型化偶极子天线几何结构示意图。

图2为本发明小型化偶极子天线实物图。

图3为本发明小型化偶极子天线的输入阻抗。

图4为本发明小型化偶极子天线的回波损耗。

图5为本发明小型化偶极子天线的最小启动功率。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，并介绍本发明的一个优选实施例：

图1显示了本发明小型化偶极子天线几何结构示意图。

如图1所示，天线模型采用HFSS软件建立。该偶极子天线由介质衬底和天线单元组成，天线单元包括中间的馈线圈，馈线圈两侧各连接一个偶极子臂，两个偶极子臂的外端各连接一个辐射片。天线介质衬底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PolyethyleneTerephthalate，PET)，厚度为0.5mm，介电常数为2.2。设置天线模型为理想导体边界PerfectE，激励方式设置为集总端口激励(LumepedPort)。为了分析本发明天线的辐射场，设置辐射空间为air，辐射边界距离天线模型为3/4个波长。

图2显示了本发明超高频RFID小型化偶极子天线实物图。

如图2所示，天线单元的材料选择蚀刻的铝，介质采用PET，芯片采用Alien公司的Higgs-3芯片，利用标签打样机将芯片绑定在天线馈电缝隙处。标签(整个偶极子天线)的尺寸为50mm×13.7mm×0.5mm。其中，偶极子臂及馈线圈的线条宽度为0.8mm，各偶极子臂均有三个弯折，弯折高度为11.2mm，馈线圈尺寸为9.15mm×9mm。偶极子天线两端的辐射片尺寸为13.7mm×6.2mm。

下面介绍本发明超高频RFID小型化偶极子天线进行仿真实验和微波暗室实物测试结果。

图3显示了本发明小型化偶极子天线的输入阻抗。

在对本发明偶极子天线模型进行仿真时，设置频率扫描范围为0.6～1.1GHz，天线工作频带的中心频率920MHz，Higgs-3芯片在中心频率点的阻抗为27+j200Ω。0.6～1.1GHz范围内的输入阻抗曲线如图3所示，本发明天线在980MHz处阻抗为7.8+j200Ω，与芯片阻抗基本匹配。

图4显示了本发明小型化偶极子天线的回波损耗。

如图4所示，回波损耗仿真结果显示本发明天线的-10dB带宽为440MHz(640MHz～1080MHz)。谐振中心频率为980MHz，此频率处回波损耗S₁₁＝-27dB。

图5显示了本发明小型化偶极子天线的最小启动功率。

根据实际封装经验，偶极子天线绑定芯片后频率会有一定程度下降。通过对图2的偶极子天线实物进行最小启动功率测试，微波暗室测试结果如图5所示。该款偶极子天线在整个UHF频段内的识读效果差别较小，并且最小启动功率保持在23-26dBm之间。使用固定式读写器进行实测，读取距离在3-5米范围内，满足读取要求。

综上所述，本发明采用弯折偶极子天线设计一款用于射频标签的小型化天线。偶极子标签天线的弯折线加载技术是通过改变偶极子标签天线的自身结构来调整天线的阻抗。作为一种超高频天线，偶极子天线具有结构简单，效率高等优点。折合偶极子天线不仅可以缩减天线的尺寸，而且所需的输入阻抗能通过选择合适的几何参数获得。本发明偶极子天线具有体积小、工作频带宽、功耗低等优点。另外，本发明偶极子天线采用PET柔性衬底，可应用于多种场合。

Claims (5)

1.一款小型化超高频弯折偶极子天线，其特征在于该偶极子天线的整体尺寸为50mm×13.7mm×0.5mm，由介质衬底和天线单元组成，(1)天线单元包括中间的馈线圈，馈线圈两侧各连接一个偶极子臂，两个偶极子臂的外端各连接一个辐射片；(2)天线的介质衬底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，厚度为0.5mm，介电常数为2.2；(3)天线单元的材料选择蚀刻的铝；(4)振子馈电缝隙宽度是0.15mm，芯片采用Higgs-3芯片。

2.根据权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，所述的偶极子臂及馈线圈的线条宽度为0.8mm。

3.根据权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，所述的两侧偶极子臂各有三个弯折，弯折高度为11.2mm。

4.根据权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，所述的馈线圈尺寸为9.15×9mm。

5.根据权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，所述辐射片的尺寸为13.7×6.2mm。