CN107658559B - 小型化抗金属天线及标签 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种小型化抗金属天线及标签，该天线包括基板、第一导电部、第二导电部、第三导电部以及金属连接部。第一导电部形成于基板的第一表面。第二导电部形成于基板的第一表面且位于第一导电部的一侧，第一导电部和第二导电部之间形成馈电部。第三导电部形成于基板的第二表面或基板的内部。金属连接部电性连接第二导电部和第三导电部。

Description

小型化抗金属天线及标签
技术领域
本发明涉及射频技术领域，且特别涉及一种小型化抗金属天线及标签。
背景技术
射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identification)是一种新兴的自动识别技术，即通过无线方式进行双向数据通信，进而对目标加以识别。典型的RFID系统由电子标签、读写器和相关软件组成。由于RFID标签和读写器之间无需物理接触即可完成识别，因此RFID系统可以工作在恶劣环境中，并实现对多个运动目标的识别。
作为RFID系统的基本单元，标签天线的性能将直接影响接收和发射信号的准确性。而基于电磁波传送原理的RFID在实际应用中，有相当部分的应用场合都不可避免的要和金属体打交道，故产生了抗金属标签。目前国内的抗金属标签一般是在传统的对称偶极子标签天线上改进的，即通过增加标签天线与金属表面的距离来减少金属反射面对标签天线的影响，实现标签天线的抗金属性能，但其缺点是使整个标签的体积和成本增加且标签天线的带宽降低。
进一步的，现有的抗金属标签根据材料大致可分为陶瓷标签和PCB标签。PCB标签的优点在于易于调试，可批量生产；其缺点是由于基材介电常数低，因此标签整体厚度和面积较大。而陶瓷标签，由于节电常数高，虽然可以在一定程度上减小体积，但是由于加工工艺没有PCB标签的工艺精准，因此标签的一致性差，调试难度大，不适合批量生产。
发明内容
本发明为了克服现有抗金属标签体积大的问题，提供一种小型化抗金属天线及标签。
为了实现上述目的，本发明提供一种小型化抗金属天线，该天线包括基板、第一导电部、第二导电部、第三导电部以及金属连接部。第一导电部形成于基板的第一表面。第二导电部形成于基板的第一表面且位于第一导电部的一侧，第一导电部和第二导电部之间形成馈电部。第三导电部形成于基板的第二表面或基板的内部。金属连接部电性连接第二导电部和第三导电部。
根据本发明的一实施例，基板上具有过线孔，金属连接部穿过过线孔，电性连接第二导电部和第三导电部。
根据本发明的一实施例，第二导电部的长度大于或等于第一导电部的长度。
根据本发明的一实施例，沿基板的长度方向，第一导电部或第二导电部的两边具有多个交错间隔分布且开口朝外的切割区。
根据本发明的一实施例，多个切割区均匀交错分布，切割区的形状为圆形、椭圆形、三角形或矩形中的任一种或其中几种的结合。
根据本发明的一实施例，小型化抗金属天线还包括第四导电部，第四导电部设置于基板且位于第三导电部的一侧，第三导电部和第四导电部之间形成馈电部。
根据本发明的一实施例，沿基板的长度方向，第三导电部或第四导电部的两边具有多个交错间隔分布且开口朝外的切割区。
根据本发明的一实施例，基板为印制电路板且基板呈长条状。
本发明另一方面还提供一种标签，该标签包括上述小型化抗金属天线和芯片。芯片设置于馈电部且分别与馈电部两侧的导电部电性连接。
综上所述，本发明提供的小型化抗金属天线及标签通过在基板的第一表面上设置第一导电部和第二导电部，并且设置第二导电部和位于基板的第二表面或内部的第三导电部电性连接，而馈电部则设置在第一导电部和第二导电部之间。该设置使得第一导电部成为天线的一个极子，而第二导电部和第三导电部则成为第二个极子。天线的两个极子不仅长度不一致且延伸的方向也并非如传统的偶极子一样呈镜像对称，正是这样不对称的结构使得标签天线能不断的切割磁力线，大幅度提高了标签的增益，而第三导电部的设置则可对第一导电部和第二导电部所辐射的电磁波进行反射，实现抗金属的效果。相比传统的通过增加标签天线与金属表面的距离来减少金属反射面对标签天线的影响的对称偶极子抗金属标签，本发明提供的小型化抗金属标签则是通过改变标签的结构来实现数据的传输性能，故其体积可做到非常的小。
此外，由于本发明提供的小型化抗金属天线及标签具有很小的体积，故可采用印制电路板作为基板，形成PCB标签，这不仅实现了小型化且具有了PCB标签易于调试、可批量生产的优势。进一步的，通过设置基板呈长条状，即基板的长度远远要大于其宽度，该设置使得本发明提供的小型化抗金属天线及标签可很好的贴覆于电缆等长度较长的圆柱状的物体上，大幅度提高了标签的检测精度。更进一步的，对于不同的使用场合或为匹配不同芯片的阻抗，设计人员只需调整小型化抗金属天线的长度即可，设计优化非常的方便，具有很好的通用性能。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1所示为本发明一实施例提供的小型化抗金属天线的主视示意图；
图2所示为图1的仰视示意图；
图3A至图3C所示为本发明另一实施例提供的小型化抗金属天线的结构示意图。
图4所示为本发明一实施例提供的标签的结构示意图。
图5所示为图1所示的天线设置于直径为25毫米，长度为4分米的金属圆柱体时的阻抗随频率变化图。
图6所示为图1所示的天线设置于直径为25毫米，长度为4分米的金属圆柱体时的反射系数随频率变化图。
图7所示为图1所示的天线设置于直径为25毫米，长度为4分米的金属圆柱体时中心频率915MHz处的增益二维方向图。
图8所示为图1所示的天线设置于宽度为30毫米，长度为4分米的金属平面时的阻抗随频率变化图。
图9所示为图1所示的天线设置于宽度为30毫米，长度为4分米的金属平面时的反射系数随频率变化图。
图10所示为图1所示的天线设置于宽度为30毫米，长度为4分米的金属平面时中心频率915MHz处的增益二维方向图。
图11为三维坐标参考图。
图12所示为图4所示的标签(其中芯片灵敏度为-12.9dBm)设置于宽度为30毫米，长度为4分米的金属平面时的理论传输距离图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例提供的小型化抗金属天线10包括基板1、第一导电部2、第二导电部3、第三导电部4以及金属连接部5。第一导电部2形成于基板1的第一表面。第二导电部3形成于基板1的第一表面且位于第一导电部2的一侧，第一导电部2和第二导电部3之间形成馈电部6。第三导电部4形成于基板1的第二表面或基板的内部。金属连接部5电性连接第二导电部3和第三导电部4。
于本实施例中，设置第二导电部的长度大于第一导电部的长度。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，第二导电部的长度可小于或等于第一导电部的长度，只需满足第二导电部和第三导电部的长度之和大于第一导电部的长度即可。
于本实施例中，基板1为双面印制电路板，第三导电部4形成于基板1的第二表面，第一表面和第二表面分别为双面印制电路板的两个表面。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，当基板1由两块相对的子板组成时，第一表面可为第一个子板的任意一个表面，第二表面可为第二个子板的任意一个表面。或者于其它实施例中，当基板1为多层印制电路板时，第三导电部4可形成在基板1的内部。
相比传统的对称偶极子结构的抗金属标签，本实施例提供的小型化抗金属天线中一个极子的长度将远远小于另一个极子的长度且两者的结构也完全不同，该设置使得本实施例提供的小型化抗金属天线为非对称的偶极子天线结构。非对称的结构不仅大大减小了天线的体积且大幅度提高了标签的增益，而第三导电部4的设置则是对第一导电部2和第二导电部3所辐射的电磁波进行反射，使得标签具有很好的抗金属效果。
于本实施例中，基板1上具有过线孔，金属连接部5穿过过线孔，电性连接第二导电部3和第三导电部4。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，可在基板的侧壁设置金属带来电性连接第二导电部和第三导电部。
为进一步实现小型化，于其它实施例中，还可设置沿基板的长度方向，第一导电部或第二导电部的两边具有多个交错间隔分布且开口朝外的切割区。优选的，还可设置多个切割区均匀交错分布。然而，本发明对此不作任何限定。如图3A至图3C所示，切割区的形状为圆形、椭圆形、三角形或矩形中的任一种或其中几种的结合。
为实现双面通用，于其它实施例中，还可设置小型化抗金属天线包括第四导电部，第四导电部设置在第三导电部的一侧，第三导电部和第四导电部之间形成馈电部。芯片即可安装在第一导电部和第二导电部之间的馈电部上，也可安装在第三导电部和第四导电部之间的馈电部。优选的，设置第三导电部和第四导电部分别与第一导电部和第二导电部对称设置。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，只要满足第二导电部和第三导电部的长度之和大于第四导电部的长度即可。同样的，为了实现小型化，还可设置沿基板的长度方向，第三导电部或第四导电部的两边具有多个交错间隔分布且开口朝外的切割区。多个切割区均匀交错分布，切割区的形状为圆形、椭圆形、三角形或矩形中的任一种或其中几种的结合。
与上述小型化抗金属天线10相对应的，如图4所示，本发明还提供一种标签，该标签包括上述小型化抗金属天线10和芯片20。芯片20设置于馈电部6且分别与第一导电部2和第二导电部3电性连接。于本实施例中，芯片20的工作频率范围为902～928MHz。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，当小型化抗金属天线双面均形成有馈电部时，芯片可安装在任意一个馈电部上。
于本实施例中，芯片20为集成有RFID识别器和温度传感器的测温RFID芯片。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，芯片20可为仅具有RFID识别功能的普通RFID芯片，或集成有其它传感器的RFID芯片，如集成有湿度传感器的测湿RFID芯片或集成有压力传感器的测压RFID芯片。
以下将以具体的应用场景为例详细介绍本实施例提供的具有小型化抗金属天线的标签的应用效果。
应用场景一：将天线设置于直径为25毫米，长度为4分米的金属圆柱体。图5为天线设置于直径为25毫米，长度为4分米的金属圆柱体时的阻抗随频率变化图。芯片在工作时具有re-j*im(re为实部，im为虚部，j为虚单元)的芯片阻抗Zic，在图5中实线为天线阻抗的实部，虚线为天线阻抗的虚部。图6所示为图1所示的天线设置于直径为25毫米，长度为4分米的金属圆柱体时的反射系数随频率变化图。其中，天线的反射系数于本实施例中，芯片在工作频带内中心频率915MHz处的阻抗Zic＝40-j*200，假定该芯片阻抗在工作频带内保持不变；Za为天线阻抗，同样为复数；则天线的反射系数(dB形式)S_RFID＝20lg|Γm|。
标签最远识别距离λ为标签的工作波长，其中Pth为芯片灵敏度，一般芯片确定下来，该项为已知项；Pt为读写器的发射功率，常见固定式读写器最大发射功率为30dBm；Gt为读写器端天线增益；τ＝1-|Γm|2为传输系数，ρ为读写器端天线与标签天线极化匹配系数，当读写器端天线极化与标签极化完全匹配时，该系数最大为1；η为天线的辐射效率，最大为1。因此在芯片、读写器和读写器端天线确定的情况下，标签的最远识别距离取决于标签天线的增益Gr以及标签天线与芯片之间的传输系数τ。
图7所示为图1所示的天线设置于直径为25毫米，长度为4分米的金属圆柱体时中心频率915MHz处的增益二维方向图。该二维方向图是沿着三维方向图的两个相互垂直坐标平面切割的二维结果，三维坐标图如图11所示。其中，实线代表沿着坐标平面XOZ切分的二维结果，该平面范围内，天线的最大增益由标记m2表示，为-4.4dB；虚线代表沿着坐标平面YOZ切分的二维结果，该平面范围内，天线的最大增益由标记m1表示，为-2.8dB，总体上可认为标签的三维最大增益为-2.8dB(915MHz)，即标签最远识别距离Rtag公式中的标签天线增益Gr为-2.8dB(915MHz)。
应用场景二：将天线放置于宽度为30毫米，长度为4分米的金属平面。同样的，图8所示为图1所示的天线设置于宽度为30毫米，长度为4分米的金属平面时的阻抗随频率变化图，其中实线为天线阻抗的实部，虚线为天线阻抗的虚部。图9所示为图1所示的天线设置于宽度为30毫米，长度为4分米的金属平面时的反射系数随频率变化图。图10所示为图1所示的天线设置于宽度为30毫米，长度为4分米的金属平面时中心频率915MHz处的增益二维方向图。从图10中可以看出：实线代表沿着坐标平面XOZ切分的二维结果，该平面范围内，天线的最大增益由标记m2表示，为-5.2dB；虚线代表沿着坐标平面YOZ切分的二维结果，该平面范围内，天线的最大增益由标记m1表示，为-5.5dB。总体上可认为天线的三维最大增益为-5.2dB(915MHz)，即标签最远识别距离Rtag公式中标签天线的增益Gr为-5.2dB(915MHz)。此时，如图12所示，采用芬兰voyantic仪表测试可发现该小型化抗金属天线搭配芯片灵敏度为-12.9dBm的芯片制成的标签理论识别距离可达3米(该仪表内置读写器的发射功率设置为30dBm，读写器端天线增益为5dB)，远远高于现有抗金属标签的读取距离。
上述两个应用场景表明：相比同类型的抗金属标签，本实施例提供的小型化抗金属标签在缩小天线尺寸的同时可以保证标签的增益基本不变或甚至在一些场景下可大幅度提高天线的增益，从而提高标签的读取距离。
于本实施例中，基板1为印制电路板且基板1呈长条状。天线结构的改变使得本实施例提供的小型化抗金属标签具有很小的体积，该小体积的优势使得其基板1可选择印制电路板，形成PCB标签，从而具有PCB标签易于调试、可批量生产的优势。长条状的基板使得标签可很好的设置于圆柱状的待检测物件(如电缆等)，进一步提高检测精度。
综上所述，本发明提供的小型化抗金属天线及标签通过在基板的第一表面上设置第一导电部和第二导电部，并且设置第二导电部和位于基板的第二表面或内部的第三导电部电性连接，而馈电部则设置在第一导电部和第二导电部之间。该设置使得第一导电部成为天线的一个极子，而第二导电部和第三导电部则成为第二个极子。天线的两个极子不仅长度不一致且延伸的方向也并非如传统的偶极子一样呈镜像对称，正是这样不对称的结构使得标签天线能不断的切割磁力线，大幅度提高了标签的增益，而第三导电部的设置则可对第一导电部和第二导电部所辐射的电磁波进行反射，实现抗金属的效果。相比传统的通过增加标签天线与金属表面的距离来减少金属反射面对标签天线的影响的对称偶极子抗金属标签，本发明提供的小型化抗金属标签则是通过改变标签的结构来实现数据的传输性能，故其体积可做到非常的小。
此外，由于本发明提供的小型化抗金属天线及标签具有很小的体积，故可采用印制电路板作为基板，形成PCB标签，这不仅实现小型化且具有了PCB标签易于调试、可批量生产的优势。进一步的，通过设置基板呈长条状，即基板的长度远远要大于其宽度，该设置使得本发明提供的小型化抗金属天线及标签可很好的贴覆于电缆等长度较长的圆柱状的物体上，大幅度提高了标签的检测精度。更进一步的，对于不同的使用场合或为匹配不同芯片的阻抗，设计人员只需调整小型化抗金属天线的长度即可，设计优化非常的方便，具有很好的通用性能。
虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (8)

1.一种小型化抗金属天线，其特征在于，包括：
基板；
第一导电部，形成于所述基板的第一表面；
第二导电部，形成于所述基板的第一表面且位于第一导电部的一侧，第一导电部和第二导电部之间形成馈电部；
第三导电部，形成于所述基板的第二表面或基板的内部；以及
金属连接部，电性连接所述第二导电部和第三导电部；
其中，第一导电部成为天线的一个极子，而第二导电部和第三导电部则成为第二个极子，两个极子为非对称结构；基板由两块相对的子板组成时，第一表面可为第一个子板的任意一个表面，第二表面可为第二个子板的任意一个表面；所述小型化抗金属天线还包括第四导电部，所述第四导电部设置于所述基板且位于所述第三导电部的一侧，所述第三导电部和第四导电部之间形成馈电部。
2.根据权利要求1所述的小型化抗金属天线，其特征在于，所述基板上具有过线孔，金属连接部穿过过线孔，电性连接第二导电部和第三导电部。
3.根据权利要求1所述的小型化抗金属天线，其特征在于，第二导电部的长度大于或等于第一导电部的长度。
4.根据权利要求1所述的小型化抗金属天线，其特征在于，沿所述基板的长度方向，所述第一导电部或第二导电部的两边具有多个交错间隔分布且开口朝外的切割区。
5.根据权利要求4所述的小型化抗金属天线，其特征在于，多个切割区均匀交错分布，切割区的形状为圆形、椭圆形、三角形或矩形中的任一种或其中几种的结合。
6.根据权利要求1所述的小型化抗金属天线，其特征在于，沿所述基板的长度方向，所述第三导电部或第四导电部的两边具有多个交错间隔分布且开口朝外的切割区。
7.根据权利要求1所述的小型化抗金属天线，其特征在于，所述基板为印制电路板且所述基板呈长条状。
8.一种标签，其特征在于，所述标签包括：
权利要求1～7任一项所述的小型化抗金属天线；以及
芯片，设置于所述馈电部且分别与馈电部两侧的导电部电性连接。
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