CN108321512A - 一种具有对称结构的超宽带抗金属uhf rfid标签天线 - Google Patents

一种具有对称结构的超宽带抗金属uhf rfid标签天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有对称结构的超宽带抗金属UHF RFID标签天线，由T型匹配网络、U型辐射贴片、介质基板、接地金属片和标签芯片组成。所述T性匹配网络和U型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U型辐射贴片的内部加载Z字型缝隙；所述标签芯片嵌入在T型匹配网络内；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。本发明的标签天线选型微带天线，具有抗金属性，覆盖了全球主要国家的UHF RFID应用频段840～960MHz，且结构简单且易加工，能够在更加复杂的环境中保持稳定的性能。

Description

一种具有对称结构的超宽带抗金属UHF RFID标签天线
技术领域
本发明涉及射频识别(RFID)领域，尤其是一种具有对称结构的超宽带抗金属UHFRFID 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；中国香港865～868MHz，920～925MHz；中国台湾920～928MHz)，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。
如上所述，在实际应用中，所设计的标签天线应具有抗金属特性且覆盖全球UHFRFID频段。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。
基于上述存在的问题，为解决标签天线抗金属、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微带天线，馈电设计采用T型匹配网络。整个天线设计没有短路针，通过U型辐射贴片激发两个谐振频率点，通过调节U型辐射贴片内部加载的 Z字型缝隙调节两个谐振频率的位置。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860MHz～960MHz。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术的缺陷，标签天线选型为微带贴片天线，提供了基于 SL900A射频芯片的一种具有对称结构的平面超宽带抗金属UHF RFID标签天线，该标签天线具有超宽带、抗金属的优点，覆盖了全球主要国家的RFID应用频段，天线可置于金属平面。
一种具有对称结构平面超宽带抗金属UHF RFID标签天线，其特征在于：
自上而下由加载Z字型的U型辐射贴片、T型匹配网络、介质基板、金属接地片、和标签芯片组成；
进一步，所述U型辐射贴片、金属接地片、T型匹配网络均采用铜材料制作；
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0.02；
进一步，所述介质基板与金属接地片大小相等；
进一步，所述U型辐射贴片、T型匹配网络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U型辐射贴片内加载Z字型缝隙；
进一步，所述Z字型缝隙关于缝隙的几何中心呈奇对称；
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采用T型匹配网络，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T型匹配网络连接，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本发明设计采用U型辐射贴片获得两个谐振频率点，同时在U型辐射贴片内加载Z字型缝隙，调节两个谐振频率点位置。其中Z字型缝隙关于缝隙几何中心呈奇对称，调节缝隙获得理想的相邻谐振频率。
3本发明结构简单、加工方便，没有采用短路针获得另一谐振频率，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阻图；
图5为本发明的标签天线输入电抗图；
图6为本发明的标签天线辐射方向图。
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，本发明的超宽带抗金属UHF RFID标签天线自上而下包括顶层T型匹配网络1、顶层加载Z字型缝隙的U型辐射贴片2、介质基板3、底层金属接地板4和标签芯片5。
所述U型辐射贴片2设置在介质基板3的上表面，所述金属接地板4设置在介质基板3 的下表面，所述标签芯片5嵌入在T型匹配网络1。
所述介质基板2和金属接地板尺寸相同，大小为70mm*35mm，长度Lp为70mm，宽度Lp/2为35mm，介质基板厚度为H为1.6mm，相对介电常数为4.4，损耗正切为0.02。
所述标签芯片5选型为奥地利(AMS)的SL900A射频芯片，该芯片中心工作频率为900MHz 处的输入阻抗为31-j320Ω。
所述T型匹配网络位于顶部的中下方，左右呈对称结构，边缘与介质基板边缘对齐，最大辐射边(第一个偶极子)长度Lc1为46mm，与U型辐射贴片底部间耦合距离G1为3.5mm； T型匹配网络第二偶极子总长度Lc2为34mm，其中第一偶极子与第二偶极子间距离Dc为 5mm。
所述U型辐射贴片外侧长度Lp为68mm，外侧宽度Wp为31.5mm。U型槽内侧长度L2 为48mm，宽度W2为20.5mm，U型贴片两侧耳垂宽度W1为11mm，长度L1为10mm。其中，U型辐射贴片最大辐射边与介质基板边缘的间距G3为1mm，耳垂底部与介质基板的间距G2为2.5mm。
所述U型辐射贴片内加载的Z字型缝隙位于U型辐射贴片最大面积的中心，且关于该中心位置奇对称。Z字型长臂Lz为23mm，两长臂间的距离Dz为5mm，缝隙宽度S为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标签天线输入电阻图、图5标签天线输入电抗图、图6标签天线辐射方向图所示，得出结果表明该标签天线回波损耗S11＜-10dB的带宽完全覆盖了世界主要国家的RFID 频段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，覆盖世界上多个国家的RFID应用的UHF频段。
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、抗金属特性。

Claims (5)

1.一种具有对称结构的超宽带抗金属UHF RFID标签天线，其特征在于：由T型匹配网络、加载Z字型的U型辐射贴片、介质基板、金属接地贴片和标签芯片组成，所述T型匹配网络、U型辐射贴片置于介质基板的上表面，所述金属接地贴片置于介质基板的下表面，所述标签芯片嵌入在T型匹配网络内。
2.根据权利要求1所述的一种具有对称结构的超宽带抗金属UHF RFID标签天线，其特征在于：所述标签天线采用T型匹配网络实现天线与射频芯片的共轭阻抗匹配，通过调节T型匹配网络的振子长度和高度实现天线的电阻和电抗的可控性。
3.根据权利要求1所述的一种具有对称结构的超宽带抗金属UHF RFID标签天线，其特征在于：所述U型辐射贴片产生两个谐振频率点。
4.根据权利要求1所述的一种具有对称结构的超宽带抗金属UHF RFID标签天线，其特征在于：所述U型辐射贴片内加载一条Z型缝隙，Z型缝隙关于缝隙几何中心位置成奇对称，获得相邻的谐振频率点，实现超宽带。
5.根据权利要求1所述的一种具有对称结构的超宽带抗金属UHF 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。
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