CN108242599A - 一种适用于无源/半无源超宽带圆极化抗金属uhf rfid标签天线 - Google Patents

一种适用于无源/半无源超宽带圆极化抗金属uhf rfid标签天线 Download PDF

Info

Publication number
CN108242599A
CN108242599A CN201611243367.1A CN201611243367A CN108242599A CN 108242599 A CN108242599 A CN 108242599A CN 201611243367 A CN201611243367 A CN 201611243367A CN 108242599 A CN108242599 A CN 108242599A
Authority
CN
China
Prior art keywords
passive
label
semi
inverted
circular polarisation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201611243367.1A
Other languages
English (en)
Inventor
罗志勇
王将宏
杨美美
赵杰
罗蓉
郑焕平
赵洪图
沈勋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing University of Post and Telecommunications
Original Assignee
Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing University of Post and Telecommunications filed Critical Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority to CN201611243367.1A priority Critical patent/CN108242599A/zh
Publication of CN108242599A publication Critical patent/CN108242599A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/50—Structural association of antennas with earthing switches, lead-in devices or lightning protectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/2208—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems
    • H01Q1/2225—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems used in active tags, i.e. provided with its own power source or in passive tags, i.e. deriving power from RF signal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开了一种适用于无源/半无源超宽带圆极化UHF RFID标签天线，由辐射贴片、介质基板、接地金属片和标签芯片组成，所述辐射贴片置于介质基板的上表面；所述接地金属贴片置于介质基板的下表面；所述辐射贴片的内部增开不等长“C”和反“C”形槽为微扰获得圆极化；所述“C”和反“C”形槽的内部引入不等长“C”和反“C”形枝节为微扰获得圆极化；所述标签芯片与辐射贴片通过1/4波长微带馈线直接相连；所述标签芯片采用AMS公司SL900A，该芯片可工作于无源和半无源两种模式下，与阅读器进行能量和信息的交换。本发明的标签天线覆盖了全球主要国家的UHF RFID应用频段840～960MHz，3dB轴比带宽较宽分别覆盖840～868MHz、909～925MHz和938～958MHz，能够在更加复杂的环境中保持稳定的性能。

Description

一种适用于无源/半无源超宽带圆极化抗金属UHF RFID标签 天线
技术领域
本发明涉及射频识别(RFID)领域，尤其是一种适用于无源/半无源超宽带圆极化抗金属 UHF RFID标签天线。
背景技术
近年来，物联网的快速发展，有效促进了RFID技术的提升。其中，RFID在超高频(UHF， ultra-high frequency)860MHz～960MHz波段的应用呈指数增长，该频段涵盖世界主要国家的RFID频段。如美国可用的频段为902～928MHz，欧洲为865～867MHz，亚太地区为840～955MHz。而在亚太地区各国的RFID频段又不统一：中国(840.5～844.5MHz，920.5～924.5MHz)，日本 (950～955MHz)，印度(865～867MHz)，韩国(908.5～914MHz)，新加坡(866～869MHz， 923～925MHz)，澳大利亚(920～926MHz)。由此可以看出，除美国外，世界各国的RFID UHF 频段带宽约为3～6MHz。为保证RFID系统的通用性，设计一款覆盖多个国家RFID标签且呈现圆极化特性是有必要的。
标签作为RFID系统的重要组成部分，对其性能提出了更高的要求。针对特定的应用场合，标签往往需要贴附在金属表面。由于金属的边界条件，在金属的另一边产生了与偶极子电流方向相反的镜像电流，电磁场的分布也随之改变，导致天线在空间中的辐射相互抵消，标签的性能受到极大的影响，甚至不能读取，造成标签未识别。
此外，RFID系统中的阅读器与标签之间借助天线进行能量和信息交换，如果标签与阅读器之间天线的极化失配，也可能导致标签不能识别。RFID系统中阅读器通常采用圆极化天线来增加方向取向的多样性。虽然，圆极化阅读器与线极化标签之间能够进行能量交换，但它们之间仍然存在不足，由于圆极化与线极化天线之间的极化失配将会导致标签仅接受到阅读器一半的传输能量。例如，对于一个线极化标签来说，阅读器标称8dBi的圆极化天线其实只相当于5dBi的线极化天线。因此在这种情况下如果把标签设计成圆极化且极化方向相同，则标签的功率接受可以提高3dB，理论上，标签最大识别范围将提高约41％。
另一方面，特别的场合则需要阅读器天线的高指向性，此类天线要求高增益、窄波束特性，只能在线极化的条件下满足。在阅读器天线为线极化情况下，如果标签仍为线极化，极可能导致两个极化正交，即出现无法读取标签的情况。因此，当阅读器采用线极化天线的射频识别系统时，解决极化不匹配问题的最佳方案是使用具有圆极化的标签天线。
如上所述，在实际应用中，所设计的标签天线应具有圆极化和抗金属特性。目前，已有一些RFID标签在UHF频段设计并展现出了圆极化特性。中国台湾地区高雄师范大学的陈弘典教授团队，提出了多款可用于金属表面的圆极化标签天线，天线采用一终端或者两终端开路对辐射体进行耦合馈电、圆极化都是通过辐射贴片中的不等长十字缝隙实现的。虽然已研究出具有抗金属性和圆极化特性的标签，但此类天线的带宽相对较窄，约25MHz～50MHz，且轴比带宽约为6MHz。另外，部分标签为获得理想的谐振频率，通常在设计时借助短路针等得以实现，此方法为天线的生产和加工增加了麻烦。
值得注意的是常用的标签设计均以UHF无源射频芯片为对象，该类射频芯片一般只具有 2～4个射频引脚，一般阻抗的实部为十几欧姆，虚部为一百欧姆左右，整体阻抗值较小。如今，随着市场需求的多样化，一种射频芯片只工作在无源的模式下是不能满足人们的需求，通常要求标签除携带自身唯一的识别码外，还需携带其他感知数据。AMS公司推出的SL900A 芯片可以工作无源和半无源的两种模式下，芯片采用QFN封装，有16个引脚。在无源模式下，和普通的无源标签一样，只传递标签唯一识别码；在半无源的模式下，依靠3V电池供电，可以传递内部集成的温度传感器数据和外部扩展其他传感器数据，扩展了标签的感知功能。
基于上述的研究和存在的问题，为解决标签天线抗金属、圆极化带宽较宽且加工方便，本文设计出了一款基于SL900A芯片的简单且尺寸较小的圆极化微带天线，馈电方式采用1/4 微带馈线直接与辐射体连接，通过辐射体内部加载缝隙并嵌入的枝节获得谐振频率和圆极化特性，整个天线设计没有短路针。实验结果表明天线的带宽(回波损耗S11小于-10dB)覆盖全球的RFID频段，轴比AR带宽分别为840～868MHz、903～925MHz和938～958MHz，显著提高标签的性能。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了基于SL900A射频芯片的一种适用于无源 /半无源超宽圆极化抗金属UHF RFID标签天线，该标签天线具有超宽带、圆极化、抗金属的优点，且覆盖了全球主要国家的RFID应用频段，天线轴比小于3dB带宽较宽。
一种适用于无源/半无源超宽圆极化抗金属UHF RFID标签天线，其特征在于：
自上而下由方形辐射贴片、介质基板、金属接地片、微带馈线和标签芯片组成；
进一步，所述方形辐射贴片、金属接地片、微带馈线均采用铜材料制作；
进一步，所述介质基板采用FR4材料，介电常数为4.4，损耗正切为0.002；
进一步，所述介质基板与金属接地片大小相等；
进一步，所述辐射贴片、微带馈线位于介质基板上表面；
进一步，所述金属接地片位于介质基板下表面；
进一步，所述辐射贴片内加载两条不等长“C”和反“C”形槽，作为微扰激发圆极化波；
进一步，所述“C”和反“C”形槽内嵌入不等长“C”和反“C”形枝节，作为微扰激发圆极化波；
进一步，所述标签芯片与辐射贴片下方1/4波长的微带馈线直接相连；
进一步，所述标签芯片信号为AMS公司的SL900A，该标签芯片的工作频率为860～960MHz，在中心工作频率900MHz处的输入阻抗为31-j320Ω。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1本发明基于AMS公司可工作于无源/半无源射频芯片SL900A，该芯片具有外部扩展接口，为充分实现该芯片的功能，标签天线馈电端口设计为1/4波长的微带馈线与辐射体直接相连，并没有内嵌在辐射体内部。设计时射频芯片的射频引脚直接与馈电线连接，其他引脚与外围电路进行连接。在没有外部电池供电下，使得该标签工作模式为无源模式，阅读器只阅读标签的唯一识别码；在外部电路电池供电下，标签工作模式为半无源模式，阅读器除阅读标签的唯一识别码外，还接收射频芯片内部集成的温度传感器数据和外部扩展传感器的数据。
2本发明采用方形辐射贴片内加载“C”和反“C”槽，并在槽内引入枝节的手段作为微扰，使得简并模在天线的中心工作频率处进行分离，产生一个模相位超前45°，另一个模相位滞后45°，从而在远场形成圆极化波。RFID标签天线在回波损耗S11＜-10dB带宽为840～960MHz，覆盖了美国、欧盟和中国的商用UHF RFID频段，并在840～868MHz、909～925MHz和 938～958MHz内的轴比小于3dB，实现了多频段、超宽圆极化的特性，能够在更加复杂的环境中保持稳定的性能。
3本发明结构简单、加工方便，仅需在介质基板上刻蚀铜皮即可，有效降低了RFID标签天线的加工成本。
附图说明
图1为本发明的标签天线俯视结构图；
图2为本发明的标签天线侧视结构图；
图3为本发明的标签天线回波损耗图；
图4为本发明的标签天线输入电抗图；
图5为本发明的标签天线输入电阻图；
图6为本发明的标签天线轴比带宽图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1标签天线俯视结构图和图2标签天线侧视结构图所示，本发明的超宽带圆极化抗金属UHF RFID标签天线自上而下包括顶层加载“C”和反“C”形槽并由槽内引入枝节的辐射贴片1、介质基板2、金属接地板3和标签芯片4，所述辐射贴片1设置在介质基板2的上表面，所述金属接地板3设置在介质基板2的下表面，所述标签芯片4与辐射贴片1通过馈线相连。
所述辐射贴片1、金属接地板3和馈电馈线均采用铜材料，介质基板2和金属接地板尺寸相同，大小为60mm*60mm，介质基板厚度为H＝1.6mm，相对介电常数为4.4，损耗正切为0.002。
所述辐射贴片1的结构辐射体大小为46mm*46mm，为获得圆极化特性，辐射体内部加载“C”和反“C”形槽作为微扰，槽宽度为Rw＝2.3mm，反“C”形槽总长度为42.775mm，其中上部分长度为13.25mm，中间部分长度为16.3mm，尾部长度为19.85mm，位置距离辐射体中央7mm，槽内弯折角度均为135°；“C”形槽总长度为40.375mm，其中上半部分长度为19.85mm，中间长度为16.3mm，尾部长度为7mm，位置距离辐射体中央7mm，槽内弯折角度均为135°。
所述辐射体贴片1内部“C”和反“C”形槽内嵌入枝节作为微扰实现圆极化，枝节宽度为Rw1＝1.8mm，反“C”形槽内嵌入枝节总长度为43.296mm，其中上部分长度为6.62mm，中间部分长度为16.3mm，尾部长度为20.37mm，位置距离辐射体中央7mm，枝节弯折角度均为135°；“C”形槽内嵌入枝节总长度为43.896mm，其中上半部分长度为23.37mm，中间长度为16.3mm，尾部长度为4.2mm，位置距离辐射体中央7mm，枝节弯折角度均为135°。
所述辐射贴片1通过1/4波长微带馈线与射频芯片4直接相连进行馈电，微带馈线L1由辐射贴片中间位置引出，在距离辐射贴片D1＝3mm处逆时针弯折90°并延伸至射频芯片4处，其长度L1＝24.9mm，微带线L2距离辐射贴片D1＝3mm处顺时针弯折90°，并延伸至距边长为 W2+D1为边长的正方形对角线上顺时针弯折90°后延伸至射频芯片4处，其长度为L2＝34.1mm。
依据上述具体实施内容在HFSS电磁仿真软件进行建模、仿真，其结果如图3标签天线回波损耗图、图4标签天线输入电抗图、图5标签天线输入电阻图、图6标签天线轴比带宽图所示，得出结果表明该标签天线回波损耗S11＜-10dB的带宽为100MHz(860～960MHz)、在芯片中心频率900MHz处芯片阻抗与天线阻抗基本上达到了共轭匹配、轴比带宽分别为840～868MHz、909～925MHz和938～958MHz，覆盖世界上多个国家的RFID应用的UHF频段，其中圆极化特性带宽较宽。
以上具体实施方式视具体芯片进行中心频率、阻抗进行设定，不限于本发明所选用的 SL900A芯片，针对不同厂家芯片，选用该标签天线模型并对相关建模参数的优化也可获得理想的带宽、抗金属、圆极化等特性。

Claims (7)

1.一种适用于无源/半无源的超宽带圆极化抗金属UHF RFID标签天线，其特征在于：包括辐射贴片、介质基板、金属接地贴片、1/4波长微带馈线和标签芯片，所述辐射贴片设置在介质基板的上表面，所述金属接地贴片设置在介质基板的下表面，所述辐射贴片的内部增开不等长“C”和反“C”形槽为微扰，所述“C”和反“C”形槽的内部引入不等长“C”和反“C”形枝节为微扰，所述标签芯片焊接在与辐射贴片直接相连微带馈线上。
2.根据权利要求1所述的适用于无源/半无源的超宽带圆极化抗金属UHF RFID标签天线，其特征在于：所述标签芯片的型号为AMS公司的SL900A，该标签芯片在工作频率为900MHz时输入阻抗为31-j320Ω；所述标签芯片在没有外部电池供电情况下，工作在无源模式下与阅读器天线进行能量和信息的交换，在外部电池供电情况下，工作在半无源的模式下与阅读器天线进行能量和信息的交换，此时除携带RFID标签唯一识别码外，还携带内部传感器信息和外部扩展传感器信息。
3.根据权利要求1-2任一项所述的适用于无源/半无源的超宽带圆极化抗金属UHFRFID标签天线，其特征在于：所述方形辐射贴片的尺寸为46mm×46mm，方形辐射贴片边长中央引出1/4波长微带馈线与射频芯片直接相连，其总长度为63mm，宽度为2mm。
4.根据权利要求1-2任一项所述的适用于无源/半无源的超宽带圆极化抗金属RFID标签天线，其特征在于：所述介质基板的平面尺寸和接地金属贴片的尺寸相同，均为60mm×60mm，且介质基板的厚度为1.6mm。
5.根据权利要求1-2任一项所述的适用于无源/半无源的超宽带圆极化抗金属UHFRFID标签天线，其特征在于：所述辐射贴片的内部开有不等长“C”和反“C”形槽的宽度均为2.3mm，周长分别为40.375mm、42.775mm，“C”和反“C”形槽内弯折角度均为135°。
6.根据权利要求1-2所述的适用于无源/半无源的超宽带圆极化抗金属UHF RFID标签天线，其特征在于：所述“C”和反“C”形槽的内部嵌入不等长“C”和反“C”形枝节的宽度均为1.8mm、周长分别为43.896mm、43.296mm，槽内“C”和反“C”形枝节弯折角度均为135°。
7.根据权利要求1-2所述的适用于无源/半无源的超宽带圆极化抗金属UHF RFID标签天线，其特征在于：所述标签芯片与方形贴片下方的1/4波长微带馈线直接连接，该微带馈线的宽度为2mm，芯片左右两侧距离方形辐射贴片的长度分别为24.9mm、34.1mm。
CN201611243367.1A 2016-12-23 2016-12-23 一种适用于无源/半无源超宽带圆极化抗金属uhf rfid标签天线 Pending CN108242599A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611243367.1A CN108242599A (zh) 2016-12-23 2016-12-23 一种适用于无源/半无源超宽带圆极化抗金属uhf rfid标签天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611243367.1A CN108242599A (zh) 2016-12-23 2016-12-23 一种适用于无源/半无源超宽带圆极化抗金属uhf rfid标签天线

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108242599A true CN108242599A (zh) 2018-07-03

Family

ID=62702886

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201611243367.1A Pending CN108242599A (zh) 2016-12-23 2016-12-23 一种适用于无源/半无源超宽带圆极化抗金属uhf rfid标签天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108242599A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111162373A (zh) * 2019-12-13 2020-05-15 山东冠通智能科技有限公司 一种rfid圆极化空气微带天线
CN113471694A (zh) * 2021-07-05 2021-10-01 上海磐启微电子有限公司 一种超宽带rfid天线

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004066436A1 (en) * 2003-01-23 2004-08-05 Pierre Steyn Antenna
US20060097922A1 (en) * 2004-11-09 2006-05-11 The Mitre Corporation Method and system for a single-fed patch antenna having improved axial ratio performance
CN201853797U (zh) * 2010-10-20 2011-06-01 大连海事大学 一种全球通用的超高频rfid读写器天线
CN102280701A (zh) * 2011-05-10 2011-12-14 北京航空航天大学 一种采用波浪形槽结构的圆极化微带天线
CN103682612A (zh) * 2013-12-27 2014-03-26 厦门大学 北斗系统带卍字臂闭环耦合调控的矩形开槽双频微带天线

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004066436A1 (en) * 2003-01-23 2004-08-05 Pierre Steyn Antenna
US20060097922A1 (en) * 2004-11-09 2006-05-11 The Mitre Corporation Method and system for a single-fed patch antenna having improved axial ratio performance
CN201853797U (zh) * 2010-10-20 2011-06-01 大连海事大学 一种全球通用的超高频rfid读写器天线
CN102280701A (zh) * 2011-05-10 2011-12-14 北京航空航天大学 一种采用波浪形槽结构的圆极化微带天线
CN103682612A (zh) * 2013-12-27 2014-03-26 厦门大学 北斗系统带卍字臂闭环耦合调控的矩形开槽双频微带天线

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YI-FANG LIN: "Proximity-Fed Circularly Polarized Slotted Patch Antenna for RFID Handheld Reader", 《IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION》 *
罗志勇等: "用于金属表面的UHF RFID标签天线优化设计", 《微波学报》 *
郭振: "超宽带与圆极化微带天线研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111162373A (zh) * 2019-12-13 2020-05-15 山东冠通智能科技有限公司 一种rfid圆极化空气微带天线
CN113471694A (zh) * 2021-07-05 2021-10-01 上海磐启微电子有限公司 一种超宽带rfid天线

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101236612B (zh) 射频识别标签
CN101159035B (zh) Rfid标签及其制造方法
CN105226390B (zh) 一种840/920MHz双频圆极化射频识别读写器天线及其阻抗匹配方法
CN101771190B (zh) 用于金属表面的rfid标签天线
CN206947519U (zh) 一种手持式射频识别阅读器天线
CN206349489U (zh) 一种双层结构宽频带uhf rfid抗金属标签天线
CN103515700B (zh) 一种rfid天线
CN108321512A (zh) 一种具有对称结构的超宽带抗金属uhf rfid标签天线
CN101355195A (zh) 超高频射频识双频带抗金属标签天线
CN101651256B (zh) 三频天线
CN105529520A (zh) 超宽带圆极化抗金属易于阻抗调节的rfid标签天线
CN102496776A (zh) 覆盖全球uhf rfid频段的标签天线和电子标签
Li et al. Eye-shaped segmented reader antenna for near-field UHF RFID applications
CN107104267A (zh) 一种内嵌式耦合馈电的rfid贴片天线
CN107768832A (zh) Rfid标签及rfid标签天线
CN201194252Y (zh) 一种线极化微带天线
CN108242599A (zh) 一种适用于无源/半无源超宽带圆极化抗金属uhf rfid标签天线
CN208570901U (zh) 一种紧凑宽带圆极化背腔式rfid阅读器天线
Chang et al. A dual-environment active RFID tag antenna mountable on metallic objects
CN101527391A (zh) 板状馈电空气介质贴片天线
CN104752809A (zh) 一种射频识别标签天线
CN102750566B (zh) 具有平面式圆极化天线的无线识别卷标
Tang et al. Broadband UHF RFID tag antenna with quasi-isotropic radiation performance
CN108281773A (zh) 一种可定制的圆极化抗金属uhf rfid标签天线
Dacuna et al. Low-profile patch antenna for RF identification applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180703