CN106785399B - 一种薄型高增益uhf rfid抗金属标签天线 - Google Patents

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Abstract

一种薄型高增益UHF RFID抗金属标签天线，包括介质基板，及分别贴设于该介质基板上下表面的上层金属贴片和下层接地金属贴片，该上层金属贴片上设有标签芯片；所述上层金属贴片开设有一第一槽和两第二槽以增加天线表面电流的路径；该第一槽横向贯穿该上层金属贴片；该两第二槽为纵向延伸并分别与第一槽两侧相连；该标签芯片连接于该第一槽中部。本发明的天线不需要通过短路通孔、短路销钉或短路贴片，将天线上层贴片与地板相连。本发明通过改变天线上层金属贴片中第一槽和第二槽的相关结构，可以对标签天线阻抗进行有效的调节，从而与标签芯片达到很好的共轭匹配。具有加工方便，抗金属性好，识别距离远等优点。

Description

一种薄型高增益UHF RFID抗金属标签天线
技术领域
本发明涉及标签天线领域，特别是一种薄型高增益UHF RFID抗金属标签天线。
背景技术
射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术，是一种通过射频信号对目标对象信息进行采集和识别的短程通信技术，因其非接触式识别方式和高速识别效率而得到了广泛的重视和发展。其中，超高频段(Ultra High Frequency，UHF)的RFID技术，有工作性能稳定、识别距离远、成本低廉等优点，故被广泛的应用于物流供应、仓储管理、商品零售和生产自动化管理等领域。
然而，当标签天线置于金属表面时，由于金属表面对标签天线近场产生的影响，标签的输入阻抗、谐振频率、方向图和增益都会产生迅速的衰减，导致天线失效。为了解决金属环境对标签天线工作性能影响的问题，人们做过很多研究，例如在标签天线下方附着EBG(Electronic Band Gap)介质材料或人工磁导体AMC(Artificial Magnetic Conductor)材料，改变反射波相位从而提高标签天线的性能，但这种方法往往成本高、加工难度大；还有根据PIFA天线需要作为金属地板的特性，将金属表面作为地板的PIFA型标签天线，但此种结构一般需要短路销钉或贴片将天线与地板相连，增加了加工难度。
传统抗金属标签天线都会通过短路销钉、短路通孔或短路贴片将标签天线与地面相连接，来消除金属表面对标签天线性能的影响，但这样会增加标签天线的体积、生产难度和成本，而且金属表面的大小会对抗金属标签天线的性能产生一定影响。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种采用缝隙结构、降低天线制造难度，并确保天线高增益的薄型高增益UHF RFID抗金属标签天线。
本发明采用如下技术方案：
一种薄型高增益UHF RFID抗金属标签天线，包括介质基板，及分别贴设于该介质基板上下表面的上层金属贴片和下层接地金属贴片，该上层金属贴片上设有标签芯片；其特征在于：所述上层金属贴片开设有一第一槽和两第二槽以增加天线表面电流的路径；该第一槽横向贯穿该上层金属贴片；该两第二槽为纵向延伸并分别与第一槽两侧相连；该标签芯片连接于该第一槽中部。
优选的，所述介质基板为采用介电常数为9.8，正切损耗角为0.0015的氧化铝陶瓷基板。
优选的，所述两第二槽与标签芯片距离相同，且该两第二槽之间的距离介于10.4mm-11.9mm。
优选的，所述第一槽与所述第二槽垂直，且该两第二槽互相平行。
优选的，所述第二槽的宽度介于3.3mm-4.8mm。
优选的，所述第二槽为长方形。
优选的，所述介质基板的长度介于70mm-90mm，宽度介于35mm-45mm，厚度介于0.5mm-1mm。
优选的，所述标签芯片为美国意联科技生产的Higgs3芯片。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的标签天线结构简单，不需要通过短路通孔、短路销钉或短路贴片，将天线上层金属贴片与地板相连。通过改变天线上层金属贴片中第一槽和第二槽的相关结构，可以对标签天线阻抗进行有效的调节，从而与标签芯片达到很好的共轭匹配。具有加工方便，抗金属性好，识别距离远等优点。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明的侧视图；
图3为本发明天线的等效电路图；
图4为间距d对天线输入阻抗实部的影响；
图5为间距d对天线输入阻抗虚部的影响；
图6为间距d对天线反射系数S1的影响；
图7为宽度W2对天线输入阻抗实部的影响；
图8为宽度W2对天线输入阻抗虚部的影响；
图9为宽度W2对天线反射系数S1的影响；
图10为金属板对天线输入阻抗实部的影响；
图11为金属板对天线输入阻抗虚部的影响；
图12为金属板对天线反射系数S1的影响；
图13为金属板对标签天线增益的影响；
图14为本发明标签天线2D方向图；
图15为本发明标签天线实测输入阻抗实部；
图16为本发明标签天线实测输入阻抗虚部；
其中：10、介质基板，20、上层金属贴片，21、第一槽，22、第二槽，30、下层接地金属贴片，40、标签芯片。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
参照图1、图2，一种薄型高增益UHF RFID抗金属标签天线，包括介质基板10，及分别贴设于该介质基板10上下表面的上层金属贴片20和下层接地金属贴片30，该上层金属贴片20上设有标签芯片40。具体的，本发明采用介电常数εr为9.8，正切损耗角为tanθ为0.0015的氧化铝陶瓷作为天线的基板，在保证材料易得的情况，同时可以有效的保持天线的高增益和厚度，而且还能降低金属表面尺寸大小对标签天线性能的影响。介质基板10的长度介于70mm-90mm，宽度介于35mm-45mm，厚度介于0.5mm-1mm。上层金属贴片20开设有一第一槽21和两第二槽22以增加天线表面电流的路径，从而有效地减小标签天线的体积，使得尺寸远远小于工作波长。下层接地金属贴片30为全金属接地片。
具体的，该第一槽21横向贯穿该上层金属贴片20中部，其宽度为W1，该标签芯片40连接于该第一槽21中部。该两第二槽22为纵向延伸并分别与第一槽21两侧垂直相连，构成两个T形,且该两第二槽22互相平行，第二槽22为长方形，第二槽22的宽度W2介于3.3mm-4.8mm。两第二槽22与标签芯片40距离相同，且该两第二槽22之间的距离d介于10.4mm-11.9mm。通过调节该距离d和宽度W2可以有效地调节天线的阻抗，从而使得天线与标签芯片40达到很好的共轭匹配。
本发明标签天线的总体尺寸为(L×W×h)为80mm×40mm×0.8mm，具体尺寸如表1所示：
表1(单位mm)
L W h W1 W2 d
80 40 0.8 5 4.3 10.9
本发明的标签天线的等效电路图如图3所示。本发明的标签芯片40可采用市场上较为常见的美国意联科技(Alien Technology)生产的Higgs3芯片，该芯片具有－20dBm读取灵敏度。该芯片在915MHz时的阻抗值为ZC＝27-j201Ω。图4至图6给出了两第二槽22的距离d对天线输入阻抗和S11的影响，图7至图9给出了宽度w2对天线输入阻抗和S11的影响。由图4、图5可以看出随着间距d不断增大，天线的输入阻抗的实部和虚部都会随之增大，即天线的谐振频率会随着d的不断增大而向低频移动。由图7、图8可以看出，天线的输入阻抗的实部和虚部同样会随着宽度W2的增大而增大。当槽缝短臂间距d＝10.9mm以及槽缝短臂宽度W2＝4.3mm时，标签天线的阻抗为15.85+j202.83Ω标签天线与标签芯片40达到良好的共轭匹配，此时反射系数S11＝-31dB。此时所设计的标签天线的S11<-10dB带宽达到了11MHz，能够有效的覆盖UHF工作频段，实现良好的工作性能。
金属板对抗金属标签的性能有着很重要的影响，为了模拟真实情况的金属环境，我们将抗金属标签直接置于400mm×400m的有限金属板上，模拟金属环境对天线性能的影响。图10至图12展示了金属板对标签天线的输入阻抗和S11的影响，图13展示了地板对标签天线增益的影响。由图10、图11可以看出，将标签天线置于金属板上时，标签天线的输入阻抗实部和虚部会减小，谐振频率会向高频移动。谐振频率会比未加入地板时向高频偏移11MHz，但影响不大，不影响标签天线的正常工作。而且由图13可以看出，标签天线在直接置于金属板上时，标签天线增益从3.5dBi左右提高到6.9dBi左右，标签天线的性能有了明显的提高，识别距离也有了明显提高，从后面的实测数据也可以验证这一点。
标签的阅读距离是系统最重要的性能指标，根据Friis公式可以得出计算标签天线理论读取距离rmax的公式。
Figure GDA0004051933780000061
其中PEIRP为阅读器天线的等效全向发送功率，Pth为标签芯片40的最小启动功率(可从芯片产品说明书中查到)，ρ为标签天线与阅读器天线之间的极化匹配系数，Gtag为标签天线的实际增益，可表示为Gtag＝Gtτ，其中Gt为标签天线的读取增益，τ为标签天线与芯片之间的功率传输系数。若标签芯片40的阻抗为Zc＝Rc+jXc，标签天线的阻抗为Zt＝Rt+jXt，则τ可表示为
Figure GDA0004051933780000062
由于识别效率的要求，一般会采用圆极化的阅读器天线，这样在标签天线与阅读器天线之间存在一个3dB的极化失配
表2给出了标签天线在各工作频点时，自由空间状态下和加载地面状态下的增益。图14给出了标签天线在915MH时的2D方向图，可见波瓣宽度较宽，标签可以在大的空间角度时被识别。
表2
915MHz 918MHz 920MHz
自由空间 3.37dBi 3.39dBi 3.40dBi
加载地面后 6.95dBi 6.95dBi 6.94dBi
本发明采用基于S参数的双端口矢量分析仪测量方法，使用矢量网络分析仪测出标签天线的S参数，然后根据公式(3)计算出标签天线的输入阻抗(Z0＝50Ω)，标签天线的实测阻抗如图15、图16所示。
Figure GDA0004051933780000071
测试设备采用跳频工作方式，使用增益为7dBi的圆极化天线作为收发共用天线，测试设备输出功率设为26dBm，即辐射功率为33dBm(3.2W EIRP)。根据公式(1)可以计算出理想状态下标签天线的识别距离，标签天线的实测识别距离如表3所示。测试时使用的自制测试工具是利用两条半刚同轴馈线共地拼接而成，同轴馈线的阻值为50Ω，而天线的设计不是基于50Ω的匹配，因此会产生较大的损耗。还有由于加工精度和测试环境等不定因素，造成实际测试的读取距离和理论最大读取距离存在一定偏差。但目前测试结果，标签天线的识别距离满足日常使用需求并好于传统抗金属标签天线。
表3(单位m)
915MHz 918MHz 920MHz
自由空间(仿真) 7.44 4.05 2.6
加载地板(仿真) 3.2 6.35 10.74
自由空间(实测) 6.7 3.3 1.2
加载地板(实测) 2.7 5.8 8.3
该标签天线在915MHz时，实测最大识别距离8.5m，足以满足抗金属标签天线的使用要求，且适用与对识别距离要求较高的金属环境中。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1.一种薄型高增益UHF RFID抗金属标签天线，包括介质基板，及分别贴设于该介质基板上下表面的上层金属贴片和下层接地金属贴片，该上层金属贴片上设有标签芯片；其特征在于：所述上层金属贴片开设有一第一槽和两第二槽以增加天线表面电流的路径；该第一槽横向贯穿该上层金属贴片；该两第二槽为纵向延伸并分别与第一槽两侧相连，两第二槽互相平行，所述两第二槽与标签芯片距离相同，且该两第二槽之间的距离介于10.4mm-11.9mm；该标签芯片连接于该第一槽中部。
2.如权利要求1所述的一种薄型高增益UHF RFID抗金属标签天线，其特征在于：所述介质基板为采用介电常数为9.8，正切损耗角为0.0015的氧化铝陶瓷基板。
3.如权利要求1所述的一种薄型高增益UHF RFID抗金属标签天线，其特征在于：所述第一槽与所述第二槽垂直。
4.如权利要求1所述的一种薄型高增益UHF RFID抗金属标签天线，其特征在于：所述第二槽的宽度介于3.3mm-4.8mm。
5.如权利要求1所述的一种薄型高增益UHF RFID抗金属标签天线，其特征在于：所述第二槽为长方形。
6.如权利要求1所述的一种薄型高增益UHF RFID抗金属标签天线，其特征在于：所述介质基板的长度介于70mm-90mm，宽度介于35mm-45mm，厚度介于0.5mm-1mm。
7.如权利要求1所述的一种薄型高增益UHF RFID抗金属标签天线，其特征在于：所述标签芯片为Higgs3芯片。
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