CN107480756B - 一种柔性抗金属标签的天线设计方法 - Google Patents

一种柔性抗金属标签的天线设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性抗金属标签的天线设计方法，包括以下步骤：构建从上至下依次包括辐射贴片层（1）、介质基板层（2）和地板层（12）的抗金属标签结构模型；根据介质基板层（2）介电常数，计算辐射贴片层（1）的谐振长度，确定辐射贴片层（1）的尺寸；根据抗金属标签的芯片（4）阻抗，计算芯片（4）共轭匹配阻抗，作为的辐射贴片层（1）设计阻抗；根据设计阻抗、介质基板的厚度，计算辐射贴片层（1）中各参数之间的关系，按照各参数之间的关系完成金属标签的天线设计。本发明构建体积小、加工难度低的抗金属标签结构模型，并在芯片共轭匹配条件下，确定辐射贴片层各参数之间的关系，完成的天线设计。

Description

一种柔性抗金属标签的天线设计方法
技术领域
本发明涉及标签天线涉及，特别是涉及一种柔性抗金属标签的天线设计方法。
背景技术
在各种标签的应用中,很多时候需要对金属物体进行标识,例如汽车、钢瓶、集装箱、武器装备等等；而普通的超高频标签放置在金属表面时,标签的读取距离会迅速缩短,甚至不能被读取。当普通超高频标签贴于金属表面时,导致标签性能变差的主要因素是金属边界条件使得阅读器询问信号的反射波与入射波的相位相反，从而导致能量被抵消,标签难以获得足够的能量激活标签芯片。当入射波垂直于金属表面时,由于反射波与入射波正好相差180°,电场分量在金属表面呈驻波分布,换而言之,当标签直接贴在金属表面时,能够获得的能量几乎为零,而当放在距离金属表面入处,能够获得的能量是最大的；因此,当标签天线直接贴于金属表面时,由于边界条件的影响标签天线的辐射效率严重衰减。
除了标签天线辐射效率受到影响外,标签天线的阻抗匹配也会变差,从而导致天线与芯片的功率传输系数减小；天线阻抗的变化一方面是由于天线辐射电阻的减小,另一方面是由于金属表面对天线会产生加感的影响；由金属边界条件导致的辐射效率的减小某种程度上可以采用吸波材料来克服,但金属表面对天线的加感影响则无法消除。
针对该情况，一些内国外厂家专门设计了一些能用于金属表面的抗金属标签，这些标签往往会利用到微带天线，这就需要对介质基板进行打孔接地，或是像开路微带天线一般在后方延长，体积大、成本高、加工难度大；同时，在抗金属标签的微带天线的设计过程中，芯片的阻抗匹配复杂，实际应用的方便性还存在着欠缺。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种柔性抗金属标签的天线设计方法，构建体积小、加工难度低的抗金属标签结构模型，并在芯片共轭匹配条件下，确定辐射贴片层各参数之间的关系，完成的天线设计。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种柔性抗金属标签的天线设计方法，包括以下步骤：
S1.构建从上至下依次包括辐射贴片层、介质基板层和地板层的抗金属标签结构模型；
S2.根据介质基板层的介电常数εr，计算辐射贴片层的谐振长度L，确定辐射贴片层的尺寸；
S3.根据抗金属标签的芯片阻抗ZC，计算芯片共轭匹配阻抗Zin，作为的辐射贴片层设计阻抗：
Zin＝ZC *； (A)
S4.根据设计阻抗Zin、介质基板的厚度H，计算辐射贴片层中各参数之间的关系，按照各参数之间的关系完成金属标签的天线设计。
步骤S1所构建的抗金属标签结构模型中，辐射贴片层整体呈矩形，包括辐射区域和馈电区域；所述馈电区域包括芯片、第一微带线和第二微带线；芯片的左端连接第一微带线的一端，芯片的右端连接第二微带线的一端；第一微带线另一端与第二微带线的另一端连接在一起作为两条微带线的公共端连接到辐射区域，使馈电区域与辐射区域形成一个整体；
第一微带线包括L形部分与矩形部分；L形部分的短边与芯片连接，L形部分的长边与矩形部分的一端连接且相互垂直，矩形部分的另一端与第二微带线连接；第二微带线为L形微带线，第二微带线的长边与芯片连接，第二微带线的短边与第一微带线连接；第一微带线L型部分的短边下边界、第二微带线的长边下边界，以及辐射区域的下边界处于同一直线上；
所述第一微带线与辐射区域之间设置有L形的第一缝隙；第二微带线与辐射区域之间设置有矩形的第二缝隙；第一微带线与第二微带线之间设置有矩形的第三缝隙。
所述步骤S2包括以下子步骤：
S201.根据介质基板层的介电常数，计算电磁波在介质基板层中的工作波长λg：
Figure BDA0001376861260000021
式中，λ表示电磁波在自由空间中的波长；
S202.根据电磁波在介质基板层中的工作波长λg，计算标签天线的谐振长度：对于矩形贴片形式的微带天线，谐振长度L为：
Figure BDA0001376861260000022
S203.根据计算得到的谐振长度，设计辐射贴片层的长宽尺寸，使其长宽尺寸之和为谐振长度L。
所述步骤S4包括以下子步骤：
S401.在满足谐振长度
Figure BDA0001376861260000023
的条件下，确定辐射区域的尺寸，并确定其阻抗ZL；
S402.计算第一微带线的等效阻抗Z3；
S403.将芯片右端看作馈电端，左端看作接地端，则第二微带线作为传输线，第一微带线为终端短路的匹配枝节线，计算第一微带线与辐射区域的等效并联阻抗Zin1；
S404.计算Zin1与第二微带线连接后的等效阻抗值，使该阻抗值与辐射贴片层设计阻抗Zin相等，获得辐射贴片层中各参数之间的关系，按照各参数之间的关系完成金属标签的天线设计。
所述步骤S402包括：
计算第一微带线中矩形部分的微带线特性阻抗Z031和L形部分的微带线特性阻抗Z032：
Figure BDA0001376861260000031
Figure BDA0001376861260000032
式中，H为介质基板层的厚度，εr为介质基板层的介电常数，T为走线厚度；W31为矩形部分线宽；W32为L形部分的线宽；
计算L形部分的等效阻抗：
Figure BDA0001376861260000033
式中，β为传播常数；l32为L形部分的线长；
计算第一微带线整体的等效阻抗Z3：
Figure BDA0001376861260000034
l31为矩形部分线长；
所述第一微带线与辐射区域的等效并联阻抗为Zin1：
Figure BDA0001376861260000035
所述步骤S044包括以下子步骤：
计算第二微带线长边的微带线特性阻抗Z021和短边微带线特性阻抗Z022：
Figure BDA0001376861260000041
Figure BDA0001376861260000042
式中，W21为第二微带线长边的线宽，W22为第二微带线短边的线宽；
计算Zin1与第二微带线短边连接后的等效阻抗值为：
Figure BDA0001376861260000043
式中，l22为第二微带线短边的线长；
计算Zin1与第二微带线整体连接后的等效阻抗值为：
Figure BDA0001376861260000044
式中，l21为第二微带线长边的线长；
令计算得到的整体阻抗值与步骤S3中得到的辐射贴片层设计阻抗Zin相等，即：
Figure BDA0001376861260000045
联立公式(A)～(M)，求解，即可获得与芯片阻抗共轭匹配的辐射贴片层中各参数之间的关系，按照各参数之间的关系完成金属标签的天线设计。
本发明的有益效果是：本发明构建了抗金属标签结构模型，将天线的馈电区域与辐射区域结合成一个整体，形成了一个共面整体的特殊微带天线，无需对介质基板进行打孔接地，也不需要像一些开路微带天线一样在后方延长，减小了标签的整体尺寸，降低了标签的加工难度和加工成本；同时在天线设计过程中，在芯片共轭匹配条件下，确定辐射贴片层各参数之间的关系，完成的天线设计，芯片阻抗匹配简单方便。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为抗金属标签结构模型示意图；
图3为辐射贴片层的结构示意图；
图4为第一微带线的结构示意图；
图5为辐射贴片层电流流向示意图；
图6为馈电区域的等效电路图；
图中，1-辐射贴片层，2-介质基板层，3-辐射区域，4-芯片，5-第一微带线，6-第二微带线，7-第一缝隙，8-第二缝隙，9-第三缝隙，10-L形部分，11-矩形部分，12-地板层。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种柔性抗金属标签的天线设计方法，包括以下步骤：
S1.构建从上至下依次包括辐射贴片层1、介质基板层2和地板层12的抗金属标签结构模型；
S2.根据介质基板层2的介电常数εr，计算辐射贴片层1的谐振长度L，确定辐射贴片层1的尺寸；
S3.根据抗金属标签的芯片4阻抗ZC，计算芯片4共轭匹配阻抗Zin，作为的辐射贴片层1设计阻抗：
Zin＝ZC *； (A)
S4.根据设计阻抗Zin、介质基板的厚度H，计算辐射贴片层1中各参数之间的关系，按照各参数之间的关系完成金属标签的天线设计。
如图2～4所示，在本申请的实施例中，步骤S1所构建的抗金属标签结构模型，由上至下辐射贴片层1、介质基板层2和地板层12，其中辐射贴片层1整体呈矩形，包括辐射区域3和馈电区域；所述馈电区域包括芯片4、第一微带线5和第二微带线6；芯片4的左端连接第一微带线5的一端，芯片4的右端连接第二微带线6的一端；第一微带线5另一端与第二微带线6的另一端连接在一起作为两条微带线的公共端连接到辐射区域3，使馈电区域与辐射区域3形成一个整体；
第一微带线5包括L形部分10与矩形部分11；L形部分10的短边与芯片4连接，L形部分10的长边与矩形部分11的一端连接且相互垂直，矩形部分11的另一端与第二微带线6连接；第二微带线6为L形微带线，第二微带线6的长边与芯片4连接，第二微带线6的短边与第一微带线5连接；第一微带线5L型部分10的短边下边界、第二微带线6的长边下边界，以及辐射区域3的下边界处于同一直线上；
所述第一微带线5与辐射区域3之间设置有L形的第一缝隙7；第二微带线6与辐射区域之间设置有矩形的第二缝隙8；第一微带线5与第二微带线6之间设置有矩形的第三缝隙9。
在该实施例中，介质基板层2具有多层结构，各层结构热压粘合成形成一个整体，从下至上依次包括格拉辛离型纸、铝箔、PP胶片、单层合成纸(基材)、PP胶片、单层合成纸(基材)、铝箔和格拉辛离型纸；所述辐射贴片层1与地板层12为同种金属层且厚度相同，金属材质可采用铝或铜。基于该模型，在具体加工过程中，将在介质基板层2的上下两面热压相同厚度的金属层后，只需要在上层金属上蚀刻所述的第一缝隙7、第二缝隙8和第三缝隙9，形成第一微带线5和第二微带线6后，将芯片4与两条微带线进行邦定即可，故降低了加工难度和加工成本。
在该实施例中，抗金属标签结构模型的辐射贴片层1表面电流流向如图5所示，第一微带线5和第二微带线6的长度相同；两条微带线兼顾馈线与阻抗匹配的作用；第一微带线5与第二微带线6的公共端将辐射区域3分成两部分；两个部分可分别看作第一微带线5和第二微带线6的振子臂；由于馈源在中点馈电时，振子上电流流向相同，故辐射贴片层上整体的电流流向一致(从图5中可以看出辐射贴片层1的电流流向为HJEF)；又由于地板层12对电流的镜像作用，地板层12上的电流与辐射贴片层1等幅反相，符合微带天线基本的辐射原理，故本申请设计的抗金属标签结构模型实现了微带天线共面馈电，避免了传统打孔接地的要求，也不需要像一些开路微带天线一样在后方延长，减小了标签的整体尺寸,降低了加工难度和成本。
所述步骤S2包括以下子步骤：
S201.根据介质基板层2的介电常数，计算电磁波在介质基板层2中的工作波长λg：
Figure BDA0001376861260000061
式中，λ表示电磁波在自由空间中的波长；
具体地，自由空间中的电磁波是以光速在传播，波长是速度与频率的比值，即λ＝v/f＝c/f，其中，λ为自由空间中的波长，v为波速，f为工作频率，c为光速；
但当电磁波在有损耗介质中传播时，工作波长λg为：
Figure BDA0001376861260000071
μ为磁性材料的磁导率，σ为导体的电导率，εr为电介质的介电常数，ω为角频率。本申请中
Figure BDA0001376861260000072
故上式可简化为：
Figure BDA0001376861260000073
本申请计算时采用公式：
Figure BDA0001376861260000074
S202.根据电磁波在介质基板层2中的工作波长λg，计算标签天线的谐振长度：对于矩形贴片形式的微带天线，谐振长度L为：
Figure BDA0001376861260000075
S203.根据计算得到的谐振长度，设计辐射贴片层1的长宽尺寸，使其长宽尺寸之和为谐振长度L。
所述步骤S4包括以下子步骤：
将芯片4右端看作馈电端，左端看作接地端，则第二微带线6作为传输线，第一微带线5为终端短路的匹配枝节线，馈电区域等效电路如图6所示：
S401.在满足谐振长度
Figure BDA0001376861260000076
的条件下，确定辐射区域3的尺寸，并确定其阻抗ZL；
S402.计算第一微带线5的等效阻抗Z3：所述步骤S402包括：
计算第一微带线5中矩形部分11的微带线特性阻抗Z031和L形部分10的微带线特性阻抗Z032：
Figure BDA0001376861260000077
Figure BDA0001376861260000078
式中，H为介质基板层1的厚度，εr为介质基板层1的介电常数，T为走线厚度；W31为矩形部分11线宽；W32为L形部分10的线宽；
计算L形部分10的等效阻抗：
Figure BDA0001376861260000081
式中，β为传播常数；l32为L形部分10的线长；
计算第一微带线5整体的等效阻抗Z3：
Figure BDA0001376861260000082
l31为矩形部分11线长，
S403.计算第一微带线5与辐射区域3的等效并联阻抗Zin1；
Figure BDA0001376861260000083
S404.计算Zin1与第二微带线6连接后的等效阻抗值，使该阻抗值与辐射贴片层1设计阻抗Zin相等，获得辐射贴片层1中各参数之间的关系，按照各参数之间的关系完成金属标签的天线设计。所述步骤S04包括以下子步骤：
计算第二微带线6长边的微带线特性阻抗Z021和短边微带线特性阻抗Z022：
Figure BDA0001376861260000084
Figure BDA0001376861260000085
式中，W21为第二微带线6长边的线宽，W22为第二微带线6短边的线宽；
计算Zin1与第二微带线6短边连接后的等效阻抗值为：
Figure BDA0001376861260000086
式中，l22为第二微带线6短边的线长；
计算Zin1与第二微带线6整体连接后的等效阻抗值为：
Figure BDA0001376861260000091
式中，l21为第二微带线6长边的线长；
令计算得到的整体阻抗值与步骤S3中得到的辐射贴片层1设计阻抗Zin相等：
Figure BDA0001376861260000092
联立公式(A)～(M)，求解，即可获得与芯片4阻抗共轭匹配的辐射贴片层1中各参数之间的关系，按照各参数之间的关系完成金属标签的天线设计。
而在具体实施例中，芯片4采用的型号为Monza R6，其阻抗ZC＝12-j120Ω，在此基础上，基于介质基板层2的介电常数εr，可根据直接获得合适的谐振长度L，完成辐射贴片层1的尺寸设计；
基于介质基板层2的介电常数εr、厚度H，在辐射区域3的等效阻抗ZL确定后，实际上的未知参数只有第一微带线5中矩形部分11的线长l31、线宽W31；第一微带线5中L形部分10的线长l32、线宽W32；第二微带线6中短边的线长l22、线宽W22；以及第二微带线6中长边的线长l21、线宽W21；联立公式(A)～(M)后，得到并非第一微带线5和第二微带线6各个参数的唯一解；而是能够使辐射贴片层1与芯片4共轭匹配的各参数(l31、W31、l32、W32、l22、W22、l21、W21)设置条件或相互关系，只要按照该条件或相互关系进行天线设计，即可实现与芯片的共轭匹配，完成天线设计。需要说明的是，在联立公式(A)～(M)得到各个参数相互关系的前提下，还需考虑第一微带线5与第二微带线6长度相同，即l31+l32＝l21+l22，使得辐射贴片层1上整体的电流流向一致。
最后，上述实施例仅为本发明较优的实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种柔性抗金属标签的天线设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.构建从上至下依次包括辐射贴片层(1)、介质基板层(2)和地板层(12)的抗金属标签结构模型；
抗金属标签结构模型中，辐射贴片层(1)整体呈矩形，包括辐射区域(3)和馈电区域；所述馈电区域包括芯片(4)、第一微带线(5)和第二微带线(6)；芯片(4)的左端连接第一微带线(5)的一端，芯片(4)的右端连接第二微带线(6)的一端；第一微带线(5)另一端与第二微带线(6)的另一端连接在一起作为两条微带线的公共端连接到辐射区域(3)，使馈电区域与辐射区域(3)形成一个整体；
第一微带线(5)包括L形部分(10)与矩形部分(11)；L形部分(10)的短边与芯片(4)连接，L形部分(10)的长边与矩形部分(11)的一端连接且相互垂直，矩形部分(11)的另一端与第二微带线(6)连接；第二微带线(6)为L形微带线，第二微带线(6)的长边与芯片(4)连接，第二微带线(6)的短边与第一微带线(5)连接；第一微带线(5)L型部分(10)的短边下边界、第二微带线(6)的长边下边界，以及辐射区域(3)的下边界处于同一直线上；
所述第一微带线(5)与辐射区域(3)之间设置有L形的第一缝隙(7)；第二微带线(6)与辐射区域之间设置有矩形的第二缝隙(8)；第一微带线(5)与第二微带线(6)之间设置有矩形的第三缝隙(9)；
S2.根据介质基板层(2)的介电常数εr，计算辐射贴片层(1)的谐振长度L，确定辐射贴片层(1)的尺寸；
S3.根据抗金属标签的芯片(4)阻抗ZC，计算芯片(4)共轭匹配阻抗Zin，作为的辐射贴片层(1)设计阻抗：
Zin＝ZC *； (A)
S4.根据设计阻抗Zin、介质基板的厚度H，计算辐射贴片层(1)中各参数之间的关系，按照各参数之间的关系完成金属标签的天线设计。
2.根据权利要求1所述的一种柔性抗金属标签的天线设计方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下子步骤：
S201.根据介质基板层(2)的介电常数，计算电磁波在介质基板层(2)中的工作波长λg：
Figure FDA0002427070450000011
式中，λ表示电磁波在自由空间中的波长；
S202.根据电磁波在介质基板层(2)中的工作波长λg，计算标签天线的谐振长度：对于矩形贴片形式的微带天线，谐振长度L为：
Figure FDA0002427070450000021
S203.根据计算得到的谐振长度，设计辐射贴片层(1)的长宽尺寸，使其长宽尺寸之和为谐振长度L。
3.根据权利要求1所述的一种柔性抗金属标签的天线设计方法，其特征在于：所述步骤S4包括以下子步骤：
S401.在满足谐振长度
Figure FDA0002427070450000022
的条件下，确定辐射区域(3)的尺寸，并确定其阻抗ZL；
S402.计算第一微带线(5)的等效阻抗Z3；
S403.将芯片(4)右端看作馈电端，左端看作接地端，则第二微带线(6)作为传输线，第一微带线(5)为终端短路的匹配枝节线，计算第一微带线(5)与辐射区域(3)的等效并联阻抗Zin1；
S404.计算Zin1与第二微带线(6)连接后的等效阻抗值，使该阻抗值与辐射贴片层(1)设计阻抗Zin相等，获得辐射贴片层(1)中各参数之间的关系，按照各参数之间的关系完成金属标签的天线设计。
4.根据权利要求3所述的一种柔性抗金属标签的天线设计方法，其特征在于：所述步骤S402包括：
计算第一微带线(5)中矩形部分(11)的微带线特性阻抗Z031和L形部分(10)的微带线特性阻抗Z032：
Figure FDA0002427070450000023
Figure FDA0002427070450000024
式中，H为介质基板层(1)的厚度，εr为介质基板层(1)的介电常数，T为走线厚度；W31为矩形部分(11)线宽；W32为L形部分(10)的线宽；
计算L形部分(10)的等效阻抗：
Figure FDA0002427070450000031
式中，β为传播常数；l32为L形部分(10)的线长；
计算第一微带线(5)整体的等效阻抗Z3：
Figure FDA0002427070450000032
其中，l31为矩形部分(11)的线长。
5.根据权利要求3所述的一种柔性抗金属标签的天线设计方法，其特征在于：所述第一微带线(5)与辐射区域(3)的等效并联阻抗为Zin1：
Figure FDA0002427070450000033
6.根据权利要求3所述的一种柔性抗金属标签的天线设计方法，其特征在于：所述步骤S04包括以下子步骤：
计算第二微带线(6)长边的微带线特性阻抗Z021和短边微带线特性阻抗Z022：
Figure FDA0002427070450000034
Figure FDA0002427070450000035
式中，W21为第二微带线(6)长边的线宽，W22为第二微带线(6)短边的线宽；
计算Zin1与第二微带线(6)短边连接后的等效阻抗值为：
Figure FDA0002427070450000036
式中，l22为第二微带线(6)短边的线长；
计算Zin1与第二微带线(6)整体连接后的等效阻抗值为：
Figure FDA0002427070450000041
式中，l21为第二微带线(6)长边的线长；
令计算得到的整体阻抗值与步骤S3中得到的辐射贴片层(1)设计阻抗Zin相等：
Figure FDA0002427070450000042
联立公式(A)～(M)，求解，即可获得与芯片(4)阻抗共轭匹配的辐射贴片层(1)中各参数之间的关系，按照各参数之间的关系完成金属标签的天线设计。
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