CN105226383A

CN105226383A - 一种低剖面超高频rfid抗金属标签天线

Info

Publication number: CN105226383A
Application number: CN201510642692.4A
Authority: CN
Inventors: 何毅; 何军; 邹传云
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2016-01-06

Abstract

本发明公开了一种低剖面超高频RFID抗金属标签天线，包括介质基板、金属地板、内嵌F形槽的天线辐射面和短路短截线。本发明结构紧凑，体积小，在整个超高频段（840～960MHz）内具有良好的阻抗匹配特性和宽带特性（阻抗带宽达到212MHz，回波损耗S11<-10dB）。可用于具有共性要求的物体上，成本低廉，易于生产。

Description

一种低剖面超高频RFID抗金属标签天线

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，具体涉及一种低剖面超高频RFID抗金属标签天线。

背景技术

UHF频段的RFID技术（860～960MHz），是一种非接触式双向通信的自动识别技术。因其具有不受视线限制、非接触识别、识别速度快、识别距离远、抗干扰能力强以及可同时识别多个目标等特点，现已广泛应用于交通控制、畜牧管理、物流运输、电子政务、室内定位等诸多领域。广阔的市场前景使得该项技术在近年来备受世界关注并得到快速的发展。

通常的UHF频段的RFID系统主要由标签、阅读器和主机组成。与基于近场耦合的RFID系统不同的是，UHF频段的RFID系统是基于后向散射技术，天线作为标签和阅读器中的关键部件，负责射频信号的发送和接收，其性能的好坏直接影响整个系统的优劣。标签天线的增益和标签天线与芯片的匹配程度尤为重要。在很多RFID的应用中^[1]，标签常常需要贴附于金属物体表面以对金属物件的管理。但是，对于普通无源超高频RFID标签^[2]-[4]应用于金属表面时，由于金属的边界条件，标签的辐射频率、阻抗匹配、增益等会发生变化，标签的读取距离会大大降低，甚至难以被读取。极大地降低了天线的整体性能。因此，需要对其特殊处理或采用特殊标签，以使其可以在金属表面应用。目前已有一些研究来解决这一问题。一是，增加介质厚度。二是，基于电磁带隙结构(EBG)。三是，采用人工磁导体结构(AMC)。当标签离金属表面的距离h为0.25时，天线辐射的入射波和金属表面的反射波在远场同向叠加，可大大改善天线性能。但是这样带来的问题是天线的体积大大增加且不易于固定在物体表面上。采用EBG结构基板的天线，表面阻抗足够大，能够很好的抑制表面泄漏波，并且在禁带隙处反射波也发生偏转，受金属物体表面反射波影响很小，但是这种基板结构加工复杂，成本较高。AMC结构适用于缝隙耦合微带天线，天线背瓣降低，增益上升，采用这种结构制作的天线受反射波的影响较大，天线性能也不稳定。

发明内容

本发明是提供一种基于微带天线结构和短路短截线的UHFRFID抗金属标签天线。该结构体积小、重量轻、剖面低，加工方便，且通信距离较远，可有效地应用于金属表面，实现了RFID标签在金属环境中的应用。

按照本发明提供的技术方案，所述低剖面超高频RFID抗金属标签天线，包括介质基板、在介质基板下表面设有金属地板、在介质基板上表面设有内嵌F形槽的天线辐射面、短路短截线和IC标签芯片，在所述IC标签芯片的辐射引脚连接天线辐射面，接地引脚连接短路短截线。

进一步的，所述天线辐射面的内嵌F形槽为一对，且上下两个F形槽呈轴对称结构。

进一步的，所述短路短截线通过短路探针与金属地板电连接。

进一步的，所述介质基板为FR4板材，介电常数为4.6，损耗角正切为0.02，介质基板为矩形结构，厚度为1.6mm。

进一步的，所述内嵌F形槽的天线辐射面与介质基板边缘留出1mm空白。

本发明的有益效果：采用了基于微带天线结构UHFRFID抗金属标签天线。考虑到标签天线的尺寸和阻抗的匹配，使用短路短截线馈电，通过调节F形槽的嵌入深度和短路短截线的长度可有效实现阻抗匹配；而F形槽的设计可有效地实现宽带特性。当提出的标签天线安装在金属物体的表面上，所述阻抗具有一定的稳定性，也具有较长的读取距离，实现了标签在金属物体表面上的应用要求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的参数标注图。

图3是本发明的回波损耗图。

图4是本发明的阻抗特性图。

图5是本发明的增益方向图。

附图标记说明：1-天线辐射面、2-介质基板、3-短路短截线、4-短路探针、5-IC标签芯片、6-金属地板、7-F形槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的低剖面超高频RFID抗金属标签天线，包括介质基板2、在介质基板2下表面设有金属地板6、在介质基板上表面设有内嵌F形槽7的天线辐射面1、短路短截线3和IC标签芯片5，在所述IC标签芯片5的辐射引脚连接天线辐射面1，接地引脚连接短路短截线3。

具体地，介质基板2采用价格低廉的FR4覆铜板，在介质基板2的下表面覆盖一层金属薄膜作为金属地板6。在辐射贴片上蚀刻一对F形槽7；采用嵌入式结构进行馈电，IC标签芯片5引脚分别连接天线辐射面1和短路短截线3相连；短路短截线3的末端通过短路探针4连接金属地板6。嵌入式F形槽7改变了原来辐射贴片1表面上的电流路径，激发多个谐振模，通过调整F形槽7的尺寸和位置，可以使谐振模较好地耦合，从而拓展天线带宽；与此同时，采用短路短截线3馈电，可有效降低天线的输入阻抗以实现与IC标签芯片5的共轭匹配，同时也减小了天线的尺寸。

在具体实施时，介质基板2采用FR4板材，介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为1.6mm。IC标签芯片5采用较为常见的美国意联科技（AlienTechnology）生产的Higgs-3芯片，该芯片具有-18dBm的读取灵敏度，其在915MHz下的芯片阻抗为27.4-j201。

最终标签天线的参数标注图如图2所示，具体优化设计参数如下：L=76mm，W=42mm，L1=70mm，W1=5mm，Wa=3mm，Ws=3mm，Lin=41mm，Win=10mm,Ls=37mm。

所述的标签天线的回波损耗曲线图如图3所示。由图可知，S ₁₁<-10dB时的阻抗带宽可达到212MHz(785~997MHz)，相对带宽约为23.2﹪，相比于其他结构的微带天线结构的标签天线的带宽有很大提高。在840~960MHz内，S ₁₁均小于-14dB，表明在该频段内，此标签天线均能与目标芯片进行良好的匹配。在中心谐振频率915MHz处，S ₁₁<-34dB，匹配良好。

所述的标签天线的阻抗曲线图如图4所示。在整个UHF频段内，天线输入阻抗的实部变化范围约为4~40，虚部变化范围为130~400，基本能满足绝大部分UHFRFID系统标签芯片的共轭匹配要求。由图可知，在中心频率915MHz时，天线的输入阻抗与目标芯片形成良好的阻抗共轭匹配。

所述的标签天线工作于915MHz时xz截面和yz截面的辐射方向图如图5所示。天线在方向图上半圆（金属表面以上空间）具有较好的全向特性。

本发明具有较宽的阻抗带宽，结构简单，易于加工实现。当本发明安装在金属物体的表面上，所述阻抗具有一定的稳定性，也具有较长的读取距离，实现了标签在金属物体表面上的应用要求。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚的了解到以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的任何简单修改和等同变换，均在本发明保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种低剖面超高频RFID抗金属标签天线，其特征在于包括介质基板（2）、在介质基板（2）下表面设有金属地板（6）、在介质基板上表面设有内嵌F形槽（7）的天线辐射面（1）、短路短截线（3）和IC标签芯片（5），在所述IC标签芯片（5）的辐射引脚连接天线辐射面（1），接地引脚连接短路短截线（3）。

2.根据权利要求1所述的低剖面超高频RFID抗金属标签天线，其特征在于：所述天线辐射面（1）的内嵌F形槽（7）为一对，且上下两个F形槽（7）呈轴对称结构。

3.根据权利要求1所述的低剖面超高频RFID抗金属标签天线，其特征还在于：所述短路短截线（3）通过短路探针（4）与金属地板（6）电连接。

4.根据权利要求1所述的低剖面超高频RFID抗金属标签天线，其特征还在于：所述介质基板（2）为FR4板材，介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，介质基板为矩形结构，厚度为1.6mm。

5.根据权利要求1所述的低剖面超高频RFID抗金属标签天线，其特征还在于：所述内嵌F形槽（7）的天线辐射面（1）与介质基板（2）边缘留出1mm空白。