CN106997985A - 一种超高频电子标签天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高频电子标签天线，包括闭环的短路环、设置于所述短路环的芯片及自所述短路环的左右两侧分别延伸形成的两天线臂，所述短路环设置有第一馈点和第二馈点，所述两天线臂分别自所述设置于短路环的第一馈点和第二馈点延伸出来，所述第一馈点和所述第二馈点相对所述短路环上设置芯片的位置为非对称的两点。本发明超高频电子标签内封装有超高频电子标签天线，所述超高频电子标签天线具有不对称的第一馈点和第二馈点，可实现天线内电流分布的不对称，进而改变最大辐射方向以减少所述超高频电子标签所附着的人体的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高频电子标签天线，特别是涉及一种抗人体干扰的超高频电子标签天线。
背景技术
作为物联网物理层实现的关键技术，射频识别技术——Radio FrequencyIdentification(以下简称RFID)，特别是超高频射频识别技术以其成本和性能的优势在最近几年飞速发展。在机场托运行李和行李分拣标签、一些品牌的服装标签、名烟名酒的防伪标签、珠宝的防伪标签、车辆的环保标签识别中，可以越来越多地看到超高射频RFID标签天线和识别芯片。
上述应用中，每类物品都需要设计一种不同的超高频RFID电子标签与其匹配。这主要因为超高频电子标签天线对所附着材料的介电常数非常敏感。当标签使用场景发生变化，其附着的物体的材料特性改变，之前设计好的电子标签的性能(主要指读写距离)将会明显降低。超高频RFID电子标签的工作方式基于电磁场的后向散射原理。当电子标签进入读写器发射的电磁场区，标签天线从场中获得能量并为标签芯片供电。标签芯片通过一系列空中接口协议和自身阻抗变换将自身携带的数据调制到超高频电磁波上，并通过天线将其发回读写器。在电子标签的整个工作过程中，标签天线是对其性能影响最大的环节。
设计管理人员的超高频电子标签比起设计管理某类物品的电子标签还要困难许多。人体是由水、蛋白质、脂肪、无机质四种成分构成的，其正常比例是：水占55％，蛋白质占20％，体脂肪占20％，无机物占5％。不同的人的身体成分存在差异，同一个人身体的不同部位的成分也不一样。附着于人体上的电子标签天线必须能够适应于不同的人，以及人身上的不同位置。
我们知道超高频电子标签天线对所附着材料的介电常数非常敏感。水的相对介电常数非常高，在25℃时水的介电常数为78.4。水的相对介电常数还会随温度而变化，0℃时为87.9，50℃为69.9。人体的各个器官组织由于含水量的差异呈现出不同的介电常数。根据美国联邦通讯委员会发布的数据，在915MHz频率下，对电子标签性能影响较大的人体器官组织的相对介电常数分别为：
血液：61.3
脂肪：11.3
皮肤(干)：41.3
皮肤(湿)：46.0
肌肉：56.0
由此可知，一个性能良好的可以用于人体表面的超高频RFID标签天线应该能够适应于相对介电常数从1(表示自由空间的介电常数)到最恶劣可能的50左右(湿皮肤+肌肉+血液的等效介电常数)的变化。也就是说，需要设计出在超高频频段上具有超大的介电常数带宽的标签天线才可谓是性能良好的。
研究人员想了一些办法来设计用于人体表面的RFID标签。专利申请号为201610578527.1的名为《一种抗人体干扰的人员管理标签》的专利中，发明人提出在一个RFID标签封装内封装两个超高频RFID标签和1个低频标签，它们存储同样的数据。每个RFID标签天线分段排列，用调谐电容和调节焊盘连接。通过改变调节焊盘和调谐电容来延长电长度的几何走线和改善天线匹配。很明显，这种方法过于复杂，成本太高，不具备量产的价值。专利申请号为200980104012.6的名为《执行阻抗匹配以防止性能降低的RFID读取器》的专利也存在同样的问题。其标签芯片需要实时分析天线阻抗失配情况，自动调节天线输入端口电路中阻抗匹配，机制极为复杂，难以实现。
专利申请号为200880009410.5的名为《具有减少的失谐特征的RFID标签》的专利中，发明人提出一种左右对称的天线结构。该主天线体部分具有相对于彼此基本上对称的两个相反侧部,其中各侧部向外延伸以形成大体侧朝向V形。该结构据悉可以减少高介电常数媒质对天线性能的影响。
专利申请号为200510008513.8的名为《射频标识标签》的专利，则是在超高频电子标签和人体之间加入了13MHz螺旋环形天线，从而减少了人体的效应。但增加了成本，同时也引起了超高频电子标签和螺旋环形标签之间的相互影响。
专利申请号为201520198008.3的名为《一种标签装置、服装及跑步记录系统》的专利，本质上利用了双层衬底增加了超高频标签天线与人体皮肤之间的空隙。距离远了自然受人体的影响就小了。同样专利申请号为201320090820.5的名为《具有补强结构的无线射频辨识标签》在标签芯片附近增加材料，加厚标签，增加标签天线与人体距离，减小人体对天线性能的影响。
此外在一些长跑运动的所用的计时芯片上，也采用了超高频RFID技术。所谓的计时芯片就是超高频RFID电子标签。现有技术的计时芯片都通过在标签上粘贴泡棉的方式，增加标签天线与人体距离，减小人体对天线性能的影响。泡棉最厚的可达到6mm，最薄的泡棉厚度为0.5mm。因泡棉具有一定的厚度，其与通用的RFID电子标签自动化复合难度大，造成成本较高，若采用人工粘贴泡棉的生产方式又会增加人工成本，此外泡棉也会显著增加运输物流的成本。
因此，需要提供一种低成本、高性能的超高频电子标签。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种具有低成本、高性能的超高频电子标签。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种超高频电子标签天线，包括闭环的短路环、设置于所述短路环的芯片及自所述短路环的左右两侧分别延伸形成的两天线臂，所述短路环设置有第一馈点和第二馈点，所述两天线臂分别自所述设置于短路环的第一馈点和第二馈点延伸出来，所述第一馈点和所述第二馈点相对所述短路环上设置芯片的位置为非对称的两点。
作为本发明的优化方案，所述其中一天线臂和所述另一天线臂具有相似结构。
作为本发明的优化方案，所述第一馈点和所述第二馈点分别位于所述短路环的通过芯片所在位置的中线的左右两侧。
作为本发明的优化方案，所述超高频电子标签天线具有矩形的短路环。
作为本发明的优化方案，所述第一馈点和所述第二馈点分别位于所述短路环的两对角顶点。
作为本发明的优化方案，所述芯片位于所述短路环的顶侧边的中点处。
作为本发明的优化方案，所述第一馈点和与之相对称的馈点所构成的超高频电子标签天线在自由空间中呈现出与芯片共轭匹配的阻抗特性。
作为本发明的优化方案，所述第二馈点和与之相对称的馈点所构成的超高频电子标签天线在50左右介电常数的介质体上呈现出与芯片共轭匹配的阻抗特征。
作为本发明的优化方案，所述其中一天线臂和所述另一天线臂具有不相似结构。
作为本发明的优化方案，所述整个短路环和两天线臂上的电流分布不对称。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：一种超高频电子标签，设置有如上所述的超高频电子标签天线、包覆于所述超高频电子标签天线外的封装体及将所述封装有超高频电子标签天线的封装体附着于人体衣物的附着件。
相对于现有技术，本发明超高频电子标签内封装有超高频电子标签天线，所述超高频电子标签天线具有不对称的第一馈点和第二馈点，可实现天线内电流分布的不对称，进而改变最大辐射方向以减少所述超高频电子标签所附着的人体的影响。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有技术中其中一种普通超高频标签天线的示意图。
图2是现有技术中另一种普通超高频标签天线的示意图。
图3是图1、图2中所示普通超高频标签天线的的三维辐射方向图。
图4是图3所示的三维辐射方向图的截面图。
图5是本发明超高电子标签天线的结构示意图。
图6是本发明超高频电子标签天线的三维辐射方向图。
图7是本发明超高频电子标签天线的将第一馈点与芯片进行共轭匹配示意图。
图8是本发明超高频电子标签天线的将第二馈点与芯片进行共轭匹配示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本申请的限定。
如图1及图2所示为现有技术中通常超高频电子标签天线100及超高频电子标签天线200的示意图。
所述超高频电子标签天线100和超高频电子标签天线200具有共同特点。所述超高频电子标签天线100和所述超高频电子标签天线200的结构左右对称，且所述超高频电子标签天线100的中部具有短路环110，所述超高频电子标签天线200的中部也具有短路环220。在标签天线的设计中，短路环的功能主要是为了电子标签天线呈现小电阻、大容抗特性输入阻抗，进而为提供更好的共轭匹配，同时还可解决生产过程中产生的ESD(ElectroStaticDischarge)静电问题。所述超高频电子标签天线100的短路环110上具有对称的两个馈点120向外引出两侧的天线臂130。所述超高频电子标签天线200的短路环210上具有对称的两个馈点220向外引出两侧的天线臂230。所述超高频电子标签天线100和所述超高频电子标签天线200为对称偶极子天线，该等天线具有类似苹果状的三维辐射方向图，如图3所示。
由图3所示可以看出，普通超高频电子标签天线100、200的最大辐射方向就是标签平面的法向方向。图4为图3所示三维辐射方向的截面图。所述普通超高频电子标签100、200沿着所述图4所示截面图中0°～180°方向放置，所述辐射最大方向为沿着90°～270°方向。当所述普通超高频电子标签天线100、200附着于人体表面附近时，所述普通超高频电子标签100、200的最大辐射方向正垂直指向人体。
请参考图5,本发明超高频电子标签天线300采用非对称馈点来减少人体对于超高频电子标签天线性能的干扰。本发明超高频电子标签天线300被封装于一封装体(未显示)内以形成超高频电子标签(未显示)。所述封装体通过一附着件(未显示)贴附于人体衣物的表面。所述超高频电子标签天线300包括闭环的短路环310、设置于所述短路环310中部一点的芯片320及自所述短路环310的左右两侧分别延伸形成的两天线臂330、340。所述天线臂330、340分别自所述设置于短路环310的第一馈点3101和第二馈点3102延伸出来，所述天线臂330和所述天线臂340具有相似结构。所述第一馈点3101和所述第二馈点3102相对所述短路环310上设置芯片320的位置为非对称的两点，且分别位于所述短路环310的通过芯片320位置的中线的左右两侧。由于第一馈点3101和所述第二馈点3102相对于芯片320为非对称，整个短路环310和天线臂330、340上的电流分布也不对称。在本实施方式中，本发明超高频电子标签天线300具有矩形的短路环310,所述第一馈点3101和所述第二馈点3102分别位于所述短路环310的两对角顶点。所述芯片320位于所述短路环310的顶侧边的中点处。
图6所示为本发明超高频电子标签天线300的三维辐射图，本发明超高频电子标签天线300沿图中Y轴方向摆放，因本发明超高频电子标签天线300具有非对称的电流分布，因此其三维辐射方向图(如图5所示)的最大辐射方向(在图中即为Z轴上半轴方向)相对普通超高频电子标签天线的最大辐射方向而言，变化为法向方向上向上的方向，此时若本发明超高频电子标签天线300附着于人体皮肤附近，所述人体皮肤位于Z轴的下半轴方向，则可降低超高频电子标签天线300对人体的辐射。根据等效原理，人体受到本发明超高频电子标签天线300的辐射减少也就意味着本发明超高频电子标签天线300受到人体的影响也相对减少。
请参考图7所示，在实际设计时，在对于所述第一馈点3101和所述第二馈点3102的设计时，可以先分析第一馈点3101和与之相对称的馈点所构成的超高频电子标签天线的输入阻抗。通常情况可以令对称的第一馈点3101的超高频电子标签天线在自由空间中呈现出与芯片320共轭匹配的阻抗特性。请继续参考图8所示，再分析第二馈点3102和与之相对称的馈点所构成的超高频电子标签天线在50左右介电常数的介质体上呈现出与芯片320共轭匹配的阻抗特征。由此判断第一馈点3101和第二馈点3102的位置的初始值。接下来，再根据实际测试的效果进行微调即可。
作为一种试验实例，利用非对称馈点方法设计并制作一款抗人体干扰的天线，并与Impinj Monza R6芯片连接并进一步复合成为符合本发明超高频电子标签天线设计方式的超高频电子标签天线。超高频电子标签采用通用的超高频电子标签量产工艺进行加工，没有采用任何泡棉或其他加厚材料，成品的总厚度不大于0.1mm。2017年1月17日，在南京玄武湖的一场长跑测试赛中，在总计648个人身上紧贴我们设计出的非对称馈点天线的超高频电子标签。然后快速通过30dBm输出功率的RFID(Radio Frequency Identification)读写器和铺在地面上的5.5dBi的天线系统对这些超高频电子标签，测试结果显示所有标签无一遗漏，均达到我们的设计目标。
本发明技术不改变现有的大批量超高频电子标签的生产工艺，也不使用泡棉或其它加厚材料，而仅仅通过非对称馈点方法设计出了在超高频频段上具有超大的介电常数带宽的超高频电子标签天线300。本发明超高频电子标签天线经实测在多人的人体不同位置、不同温度下均能达到需要的标签读取效果，满足实际应用的要求。
以上所述不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变化，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种超高频电子标签天线，包括闭环的短路环、设置于所述短路环的芯片及自所述短路环的左右两侧分别延伸形成的两天线臂，所述短路环设置有第一馈点和第二馈点，所述两天线臂分别自所述设置于短路环的第一馈点和第二馈点延伸出来，其特征在于：所述第一馈点和所述第二馈点相对所述短路环上设置芯片的位置为非对称的两点。
2.根据权利要求1所述的超高频电子标签天线，其特征在于，所述其中一天线臂和所述另一天线臂具有相似结构。
3.根据权利要求1所述的超高频电子标签天线，其特征在于，所述第一馈点和所述第二馈点分别位于所述短路环的通过芯片所在位置的中线的左右两侧。
4.根据权利要求1所述的超高频电子标签天线，其特征在于，所述超高频电子标签天线具有矩形的短路环。
5.根据权利要求4所述的超高频电子标签天线，其特征在于：所述第一馈点和所述第二馈点分别位于所述短路环的两对角顶点。
6.根据权利要求5所述的超高频电子标签天线，其特征在于：所述芯片位于所述短路环的顶侧边的中点处。
7.根据权利要求1所述的超高频电子标签天线，其特征在于：所述第一馈点和与之相对称的馈点所构成的超高频电子标签天线在自由空间中呈现出与芯片共轭匹配的阻抗特性。
8.根据权利要求7所述的超高频电子标签天线，其特特征在于：所述第二馈点和与之相对称的馈点所构成的超高频电子标签天线在50左右介电常数的介质体上呈现出与芯片共轭匹配的阻抗特征。
9.根据权利要求1所述的超高频电子标签天线，其特征在于：所述其中一天线臂和所述另一天线臂具有不相似结构。
10.根据权利要求9所述的超高频电子标签天线，其特征在于：所述整个短路环和两天线臂上的电流分布不对称。
11.一种超高频电子标签，设置有如权利要求1～10所述的超高频电子标签天线、包覆于所述超高频电子标签天线外的封装体及将所述封装有超高频电子标签天线的封装体附着于人体衣物的附着件。
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| CN201898201U (zh) * | 2010-01-15 | 2011-07-13 | 何捷 | 一种宽频带标签天线 |
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- 2017-04-26 CN CN201710285743.1A patent/CN106997985A/zh active Pending
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