CN107909136A - 射频识别系统中的电子标签及射频识别系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种射频识别系统中的电子标签及射频识别系统，电子标签包括标签天线、标签芯片以及基底；基底包括金属外壳、填充材料以及介质材料，所述金属外壳上表面设置有开口，所述填充材料填充于所述金属外壳内，所述介质材料设置于所述金属外壳上表面；标签芯片设置于所述介质材料上表面，且与所述金属外壳上的开口相对；标签天线包括一对天线臂，所述标签芯片位于所述一对天线臂之间，所述天线臂上设置有金属环，所述天线臂的尾端为弯折结构；该电子标签结构简单，制作成本低。

Description

射频识别系统中的电子标签及射频识别系统
技术领域
本发明涉及射频技术领域，尤其涉及一种射频识别系统中的电子标签及射频识别系统。
背景技术
随着物联网技术的不断发展，射频识别技术的应用越来越广泛，在货物供应链、资产管理、物流识别和跟踪货物中得到了广泛应用。然而，在一些特定领域，比如金属物体、装有液体的瓶体表面，由于金属的边界效应使得标签天线的辐射效率、辐射方向图都会发生剧烈变化，尤其是标签天线的阻抗会发生明显变化，从而影响与标签芯片的匹配，这就必然引起标签无法工作。此外，为了实现远距离识别，标签增益必须提高，这就使得标签尺寸变大。
目前在这些特定领域采用的电子标签，一种方法是将电子标签垫高一定距离，参考图1，标签天线1和金属物体2之间设置填充物质3，经过计算，标签天线距离金属表面h＝0.25λ高度时，电场强度最大，然而在超高频工作的射频标签工作波长范围为312.5mm-348.8mm，则0.25λ的高度范围为78mm-87mm，如此高的距离，即使标签工作性能良好，也不易小型化。
另外一种方法是采用特殊的吸波材料，置于标签和金属之间，入射波经标签后被吸波材料吸收，并且阻止了高频反射波的能量，使得入射波和反射波无法形成驻波，通常，吸波材料通过磁环路谐振及环路的涡流损耗使得高频能量以热损耗的方式被吸收掉。由于标签工作时的返回信号不受金属反射波的干扰使得标签可以正常工作。然而，吸波材料常采用高分子的多品铁纤维隐身涂料或者泡沫吸波材料，铁氧体吸波胶片等较为昂贵的材料。在超高频段工作的标签一般要求成本低，这就使得吸波材料无法广泛应用到标签中，而且，要具有远距离的读取性能的标签天线需要使用较厚的吸波材料，也会明显增加标签体积，不易于小型化。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的特殊领域使用的电子标签尺寸较大的问题，提出一种射频识别系统中的电子标签及射频识别系统，能够有效减小电子标签体积，并且具有较高的增益。
一种射频识别系统中的电子标签，包括标签天线、标签芯片以及基底；
所述基底包括金属外壳、填充材料以及介质材料，所述金属外壳上表面设置有开口，所述填充材料填充于所述金属外壳内，所述介质材料设置于所述金属外壳上表面；
所述标签芯片设置于所述介质材料上表面，且与所述金属外壳上的开口相对；
所述标签天线包括一对天线臂，所述标签芯片位于所述一对天线臂之间，所述天线臂上设置有金属环，所述天线臂的尾端为弯折结构。
进一步地，所述标签天线为对称结构，所述天线尾端为锯齿形弯折结构。
进一步地，所述标签天线为对称结构，每个所述天线尾端分叉出四个分支，其中两个分支向外弯折，另外两个分支内弯折。
一种射频识别系统，包括上述的电子标签，还包括阅读器以及阅读器天线；
所述阅读器天线包括介质基板，接地板以及辐射贴片；
所述接地板设置在所述介质基板的下表面，所述辐射贴片设置在所述介质基板的上表面；
所述辐射贴片为切角的正方形贴片，所述辐射贴片的几何中心处设置有正方形孔洞。
本发明提供的射频识别系统中的电子标签及射频识别系统，至少包括如下有益效果：
其中基底采用双层耦合的形式，下层采用金属外壳包裹低损耗材料，用于与标签天线耦合，降低了金属的表面效应，避免随着标签距离金属表面越近电场衰减越大，此外，设置有耦合腔和耦合缝隙，通过耦合缝隙，标签芯片可以更好的获取耦合能量，从而激活标签芯片，可以通过调节耦合缝隙的宽度调节谐振频率，适用性更强；标签天线设置有金属环，相当于短路线，可以使得阻抗的实部较小，更好的与标签芯片达到共轭匹配，标签天线采用锯齿形弯折结构，在不扩大面积的情况下相当于延长了偶极子的长度，从而实现减小天线的目的，有利于电子标签整体体积的小型化；
射频识别系统中的阅读器天线，结构简单，制作成本低，采用辐射贴片上挖孔、切角的方式，在同等天线性能下，可以有效减小天线的尺寸，有利于整体结构的小型化，还可以根据增益需要调整接地板的尺寸。
附图说明
图1为现有技术中通过填充物垫高标签一种实施例的示意图。
图2为本发明提供的射频识别系统中的电子标签第一种实施例的结构示意图。
图3为本发明提供的射频识别系统中的电子标签第一种实施例中基底的结构示意图。
图4为本发明提供的射频识别系统中的电子标签第一种实施例中振频率随着耦合缝隙宽度变化的仿真示意图。
图5为本发明提供的射频识别系统中的电子标签第二种实施例的结构示意图。
图6为本发明提供的射频识别系统一种实施例的结构示意图。
图7为本发明提供的射频识别系统中阅读器天线一种实施例的结构示意图。
图8为本发明提供的射频识别系统中阅读器天线一种实施例的剖面图。
图9为本发明提供的射频识别系统中的阅读器天线一种实施例中天线尾端电流分布示意图。
图10为本发明提供的射频识别系统中阅读器天线一种应用场景下的天线回波损耗一种实施例的示意图。
图11为本发明提供的射频识别系统中阅读器天线一种应用场景下的天线轴比带宽一种实施例的示意图。
图12为本发明提供的射频识别系统中阅读器天线一种应用场景下的天线增益一种实施例的示意图。
图13为本发明提供的射频识别系统中阅读器天线第二种应用场景下的天线回波损耗一种实施例的示意图。
图14为本发明提供的射频识别系统中阅读器天线第二种应用场景下的天线轴比带宽一种实施例的示意图。
图15为本发明提供的射频识别系统中阅读器天线第二种应用场景下的天线增益一种实施例的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
参考图2和图3，本实施例提供一种射频识别系统中的电子标签，包括标签天线、标签芯片102以及基底103；
基底103包括金属外壳1031、填充材料1032以及介质材料1033，金属外壳1033上表面设置有开口1034，填充材料1032填充于金属外壳1033内，介质材料1033设置于金属外壳1031上表面；
标签芯片102设置于介质材料1033上表面，且与金属外壳1033上的开口1034相对；
标签天线包括一对天线臂1011，标签芯片102位于一对天线臂1011之间，天线臂1011上设置有金属环1012，天线臂1011的尾端为弯折结构。
作为一种优选的实施方式，填充材料1032采用低损耗的聚丙烯(PP材料)，介电常数为2.6，损耗角正切0.001，填充材料的厚度为3mm；介质材料1033采用介电常数为4.2，损耗角正切为0.02的FR4材料，例如工程塑料，此类材料适合标签天线的印刷，易于加工。
具体地，标签芯片102设置于一对天线臂1011之间，通过标签天线获取的射频能量激活标签芯片，标签芯片采用Higgs-3芯片，标签组装起来后，标签芯片正好位于开口的正上方，整个电子标签的厚度为4.5mm。
金属外壳内部的腔体结构可以称之为耦合腔，金属外壳上表面的开口为耦合缝隙。
天线的等效阻抗和耦合腔的等效阻抗影响标签天线的输入阻抗，通过调节标签天线和耦合腔，使得标签天线的输入阻抗和标签芯片的阻抗匹配。
上层的标签天线靠近耦合缝隙，可以使得下层介质板为一个空腔反射式缝隙天线，空腔尺寸的合理设计，可以使得下层耦合腔和上层标签天线形成谐振，能量通过耦合缝隙传递到标签天线，从而激活标签芯片，到达识别的目的。
由于标签芯片的输入阻抗具有一个较小的实部和一个较大的负的虚部，为达到共轭匹配，需要一个感性的天线作为匹配网络，由平行板波导模式：
其中，η为特征阻抗，Lp为等效电感，Cp为分布电容，Zp为等效阻抗，hdown为腔体厚度，W为腔体宽度。
分布电容为：
其中，g为耦合缝隙宽度，L为腔体长度，W为腔体宽度，hdown为腔体厚度。
可见，通过调节耦合缝隙的宽度g、腔体的长L、宽W以及腔体的厚度hdown可以改变所需要的容值和电感值，从而达到下层耦合腔体和标签天线的谐振。
标签芯片位于耦合缝隙的正上方，通过耦合缝隙，标签芯片可以更好的获取耦合能量，从而激活标签芯片。
由于标签芯片阻抗具有实部和虚部，因此标签天线的输入阻抗要与标签芯片共轭匹配，而标签芯片在不同的频率具有不同的输入阻抗，如果标签芯片仅仅是工作在一个较小的频段内，势必会由于阻抗失配而影响标签的性能，因此电子标签应该具有一定的阻抗带宽，谐振频率最好是可调的。
从公式(2)可见，耦合缝隙宽度g对分布电容具有较大影响，腔体的长L、宽W以及腔体的厚度hdown影响标签的外观尺寸，在满足设计要求的同时，应当尽量减小。参考图4，通过仿真计算可以看出，谐振频率随着耦合缝隙宽度g的增加而逐渐向高频偏移，通过仿真，得到谐振频率随耦合缝隙宽度g变化情况，如表1所示：
耦合缝隙宽度g 2mm 3mm 4mm 5mm
谐振频率f 889MHz 915MHz 935MHz 952MHz
表1
射频识别系统工作的超高频段内，不同国家具有不同频段，以美国的UHF射频标签频段902MHz-928MHz为例，其工作频率一般选为915MHz，因此可设置耦合缝隙宽度g为3mm，因此可以通过调节耦合缝隙宽度g来调节谐振频率。
作为一种可选的实施方式，在本实施例中，标签天线为对称结构，天线臂1011上设置的金属环1012为圆形金属环，天线臂1011的尾端为锯齿形弯折结构。
一对天线臂上加上了金属环，相当于短路线，可以使得阻抗的实部较小，更好的与标签芯片达到共轭匹配。
由天线理论可知，通过弯折偶极子臂可以调节天线的大小，锯齿形弯折偶极子在远处辐射场主要为水平极化，来自不同弯折段的辐射场在不同程度的叠加和抵消，这样在不扩大面积的情况下相当于延长了偶极子的长度，可以实现减小天线的目的。
本实施例提供的射频识别系统中的电子标签，其中基底采用双层耦合的形式，下层采用金属外壳包裹低损耗材料，用于与标签天线耦合，降低了金属的表面效应，避免随着标签距离金属表面越近电场衰减越大，此外，设置有耦合腔和耦合缝隙，通过耦合缝隙，标签芯片可以更好的获取耦合能量，从而激活标签芯片，可以通过调节耦合缝隙的宽度调节谐振频率，适用性更强；标签天线设置有金属环，相当于短路线，可以使得阻抗的实部较小，更好的与标签芯片达到共轭匹配，标签天线采用锯齿形弯折结构，在不扩大面积的情况下相当于延长了偶极子的长度，从而实现减小天线的目的，有利于电子标签整体体积的小型化。
实施例二
参考图5，本实施例提供一种射频识别系统中的电子标签，包括标签天线、标签芯片202以及基底203；
基底203包括金属外壳、填充材料以及介质材料，金属外壳上表面设置有开口，填充材料填充于金属外壳内，介质材料设置于金属外壳上表面；
标签芯片202设置于介质材料上表面，且与金属外壳上的开口相对；
标签天线包括一对天线臂2011，标签芯片202位于一对天线臂2011之间，天线臂2011上设置有金属环2012，天线臂2011的尾端为弯折结构；
其中，金属环2012为圆形金属环，标签天线为对称结构，每个天线尾端分叉出四个分支，其中两个分支向外弯折，另外两个分支内弯折。
基底203的结构和工作原理请参考实施例一，在此不再赘述。
一方面，在天线臂上加的圆形金属环，相当于短路线，通过圆形金属环可以调节阻抗，另一方面，继续用弯折的方法减小天线尺寸，将天线的尾端分叉出四个分支，将其中两个分支向外弯折，另外两个分支向内弯折，相对于普通的弯折结构，这样的弯折结构具有更多的弯折部，进一步减小天线尺寸，并且能够减少金属的使用，节约材料。
作为一种优选的实施方式，标签天线的总尺寸为52mm*44mm*0.5mm，圆形金属环的半径为17mm，天线臂和圆形金属环的宽度为2mm，经过计算，天线的输入阻抗实部在几十欧姆左右，虚部在几百欧姆左右，这可以满足大多数UHF频段标签芯片的匹配要求，在840-925MHz范围内，回波损耗皆低于-10dB，满足要求。从天线增益角度来说，天线在标签正反面方向最大增益均在1dB以上，满足要求。
本实施例提供的电子标签，其中基底采用双层耦合的形式，下层采用金属外壳包裹低损耗材料，用于与标签天线耦合，降低了金属的表面效应，避免随着标签距离金属表面越近电场衰减越大，此外，设置有耦合腔和耦合缝隙，通过耦合缝隙，标签芯片可以更好的获取耦合能量，从而激活标签芯片，可以通过调节耦合缝隙的宽度调节谐振频率，适用性更强；标签天线设置有金属环，相当于短路线，可以使得阻抗的实部较小，更好的与标签芯片达到共轭匹配；
通过分叉再弯折的方式，可具有更多的弯折部，在不扩大面积的情况下相当于延长了偶极子的长度，减少金属的使用，节约材料，满足识别要求的同时，有利于整体结构的小型化。
实施例三
参考图6-图8，本实施例提供一种射频识别系统，其特征在于，电子标签301，还包括阅读器302以及阅读器天线303；
阅读器天线303包括介质基板3031，接地板3032以及辐射贴片3033；
接地板3032设置在介质基板3031的下表面，辐射贴片3033设置在介质基板的上表面；
辐射贴片3033为切角的正方形贴片，辐射贴片3033的几何中心处设置有正方形孔洞3034。
本实施例提供的射频识别系统中的阅读器天线，与实施例一或实施例二提供的电子标签相适配，应用于880MHz-925MHz的超高频段。
作为一种优选的实施方式，介质基板3031的介电常数为4.2-4.6，在介电常数增加时，增益变化不明显，因此在带内频带不下移的情况下，可以通过增加介电常数的方法减小天线尺寸。
作为一种优选的实施方式，介质基板3031的厚度为3mm。介质基板的厚度增加对频带的影响不明显，采用3mm厚度的介质基板，此厚度下的介质基板较为常见，易于取得。
作为一种优选的实施方式，接地板3032的边长为90mm-110mm。接地板3032的尺寸直接决定了天线的大小，通过仿真试验得出，接地板的尺寸也直接影响到天线的性能，接地板的反射作用直接影响到天线的增益大小，接地板尺寸减小时，天线增益同比减小，变化非常明显，同时，在接地板尺寸减小时，天线的阻抗带宽和轴比带宽略有减小，同时带内频带略有上移。
作为一种优选的实施方式，辐射贴片3033的切角为两个对角，切角的宽度为7-11mm，辐射贴片3033的边长为67mm-69mm，
辐射贴片对角上的切角可以产生微扰实现圆极化，通过仿真试验，切角宽度增大时，天线阻抗带宽增大，由于天线基于辐射贴片产生并模并实现圆极化，天线的圆极化特性对切角大小的变化非常敏感，增益的变化并不明显。
作为一种优选的实施方式，正方形孔洞的边长为23mm-25mm，在辐射贴片上挖孔，可以改变辐射贴片上电流走向使之弯曲，在同等体积下，相当于增大了天线的尺寸，有利于整个阅读器天线的小型化。通过仿真试验可以得知，当正方形孔洞的边长增加时，带内阻抗带宽和轴比带宽都下移，天线增益变化不明显，辐射贴片上的电流分布如图9所示，可以看出，辐射贴片上电流沿着辐射贴片的两侧流动，当正方形孔洞的尺寸增加时，电流的路径延长，这样在保证频带不下移的情况下可以减小天线的尺寸。
作为一种优选的实施方式，辐射贴片3033上还设置有馈电点3035，馈电点3035与辐射贴片3033的几何中心处的距离为13mm-17mm。通过仿真试验可以得出，馈电点3035与辐射贴片几何中心点的距离减小时，天线的阻抗带宽增大，轴比带宽基本不变，因此，可以尽可能减小馈电点与辐射贴片几何中心点的距离以实现较宽的阻抗带宽。
综上，通过增大正方形孔洞的尺寸、减小接地板的尺寸和增大贴片尺寸的方式在同等性能下减小天线的尺寸，其中辐射贴片的尺寸、挖孔的宽度以及介电常数的大小对频带的影响最为明显。
在增益要求较低的情况下，比如-1dB左右，可以选择接地板宽度90mm，在保证920MHz-925MHz频段内，各元件的参数如下：馈电点与辐射贴片几何中心处的距离为13mm，切角宽度为8mm，辐射贴片宽度为68mm，正方形孔洞的边长为23mm，介电常数为4.4,介质基板厚度为3mm，天线性能参考图10-图12，在此应用场景下，天线的回波损耗、轴比带宽和增益满足要求。
如果要求增益达到2dB，将接地板的宽度增大到110mm，此时馈电点与辐射贴片几何中心处的距离为15mm，切角宽度为9mm，辐射贴片宽度为68mm，正方形孔洞边长为24mm，介电常数为4.4，介质基板厚度为4mm，天线性能参考图13-15，可以看出，阻抗带宽在912MHz-951MHz，共39MHz带宽，3dB轴比带宽为912MHz-928MHz，增益在2dB左右，符合要求。
本实施例提供的射频识别系统，结构简单，制作成本低，采用辐射贴片上挖孔、切角的方式，在同等天线性能下，可以有效减小天线的尺寸，有利于整体结构的小型化，还可以根据增益需要调整接地板的尺寸。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种射频识别系统中的电子标签，其特征在于，包括标签天线、标签芯片以及基底；
所述基底包括金属外壳、填充材料以及介质材料，所述金属外壳上表面设置有开口，所述填充材料填充于所述金属外壳内，所述介质材料设置于所述金属外壳上表面；
所述标签芯片设置于所述介质材料上表面，且与所述金属外壳上的开口相对；
所述标签天线包括一对天线臂，所述标签芯片位于所述一对天线臂之间，所述天线臂上设置有金属环，所述天线臂的尾端为弯折结构。
2.根据权利要求1所述的射频识别系统中的电子标签，其特征在于，所述金属环为圆形金属环。
3.根据权利要求1所述的射频识别系统中的电子标签，其特征在于，所述填充材料为聚丙烯，所述介质材料为工程塑料。
4.根据权利要求1所述的射频识别系统中的电子标签，其特征在于，所述标签天线为对称结构，所述天线尾端为锯齿形弯折结构。
5.根据权利要求1所述的射频识别系统中的电子标签，其特征在于，所述标签天线为对称结构，每个所述天线尾端分叉出四个分支，其中两个分支向外弯折，另外两个分支内弯折。
6.一种射频识别系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的电子标签，还包括阅读器以及阅读器天线；
所述阅读器天线包括介质基板，接地板以及辐射贴片；
所述接地板设置在所述介质基板的下表面，所述辐射贴片设置在所述介质基板的上表面；
所述辐射贴片为切角的正方形贴片，所述辐射贴片的几何中心处设置有正方形孔洞。
7.根据权利要求6所述的射频识别系统，其特征在于，所述介质基板和所述接地板均为正方形，所述介质基板的介电常数为4.2-4.6，所述介质基板的厚度为3mm，所述接地板的边长为90mm-110mm。
8.根据权利要求7所述的射频识别系统，其特征在于，所述辐射贴片的切角为两个对角。
9.根据权利要求8所述的射频识别系统，其特征在于，所述切角的宽度为7-11mm，所述辐射贴片的边长为67mm-69mm，所述正方形孔洞的边长为23mm-25mm。
10.根据权利要求9所述的射频识别系统，其特征在于，所述辐射贴片上还设置有馈电点，所述馈电点与所述辐射贴片的几何中心处的距离为13mm-17mm。
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