CN108336474A - 用于医药瓶等非导电体表面的uhf频段rfid标签天线及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线及其制作方法，包括：介质基片，粘贴于所述介质基片两侧的双螺旋臂天线结构，所述双螺旋臂结构对称式分布，每侧的双螺旋臂天线结构包括：曲形螺旋臂天线结构和菱形尾端天线结构，所述曲形螺旋臂天线结构的一端粘贴在所述介质基片上，另一端与所述菱形尾端天线结构连接，采用谐振法测量等效介电常数；采用缩尺模型技术应用与比例测量法，测量两种环境下的天线的谐振频率，得到频率变化系数为1.2；其中，所述用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线的频带位于1073‑1104MHz，天线增益GEIRP>‑2dB。本发明应用于复杂材料环境条件下的标签、天线与RFID的匹配方式更优、频带扩展性能好、天线更加小型化。
Description
技术领域
本发明涉及天线制作技术领域，特别涉及一种用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线及其制作方法。
背景技术
标签的组成可分为芯片和天线两大组成部分，标签的性能及其性能分析也是从这两个组成部分展开。然而在芯片型号定型后，天线的性能及与芯片的匹配性也就决定了标签的性能，因此天线的设计为标签设计主体部分。
目前该技术研发成本高，电子标签的识读率受环境影响大，识读率不够高，当电子标签贴到复杂的环境中时，漏识别和误识率的概率明显提高，
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线及其制作方法。
为了实现上述目的，本发明一方面的实施例提供一种用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，包括：介质基片，粘贴于所述介质基片两侧的双螺旋臂天线结构，所述双螺旋臂结构对称式分布，每侧的双螺旋臂天线结构包括：曲形螺旋臂天线结构和菱形尾端天线结构，所述曲形螺旋臂天线结构的一端粘贴在所述介质基片上，另一端与所述菱形尾端天线结构连接，采用谐振法测量等效介电常数，其中，设置所述介质基片的介电常数为3.4；采用缩尺模型技术应用与比例测量法，测量两种环境下的天线的谐振频率，得到频率变化系数为1.2；其中，所述用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线的频带位于1073-1104MHz，天线增益GEIRP>-2dB。
进一步，所述用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，全长为50mm，宽度为4mm。
进一步，所述用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，天线阻抗匹配系数>0.5。
本发明另一方面的实施例提供一种用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线的制作方法，包括如下步骤：
步骤S1，设计UHF标签天线的参数：采用谐振法测量等效介电常数，设置所述介质基片的介电常数为3.4；采用缩尺模型技术应用与比例测量法，测量两种环境下的天线的谐振频率，得到频率变化系数为1.2；设计UHF标签天线的频带位于1073-1104MHz；设计UHF标签天线的动态阻抗匹配；设计所述用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线的频带位于1073-1104MHz，天线增益GEIRP>-2dB；
步骤S2，制作两个双螺旋臂天线结构，所述双螺旋臂结构对称式分布，每侧的双螺旋臂天线结构包括：曲形螺旋臂天线结构和菱形尾端天线结构，所述曲形螺旋臂天线结构的一端粘贴在所述介质基片上，另一端与所述菱形尾端天线结构连接；
步骤S3，将两个螺旋臂天线结构分别粘贴于所述介质基片的两侧，形成最终的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线。
进一步，所述用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，全长为50mm，宽度为4mm。
进一步，所述用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，天线阻抗匹配系数>0.5。
根据本发明实施例的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线及其制作方法，具有以下优点：可以应用于复杂材料环境条件下的标签、天线与RFID的匹配方式更优、频带扩展性能好、天线更加小型化。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线的示意图；
图2为图1中天线在空气介质条件下仿真计算输入阻抗频率曲线图；
图3为图1中天线使用磁探针实测空气介质条件下天线耦合功率曲线
图4为图1中天线贴附于复合板上耦合功率曲线图；
图5为图1中天线贴附于复合板上输入阻抗曲线图；
图6为芯片输入阻抗频率曲线图；
图7为调整后天线在空气介质条件下仿真计算输入阻抗频率曲线图；
图8为根据本发明实施例的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线的制作方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提出一种用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线及其制作方法，其中非导电体，例如为医用药瓶。
图1所示，本发明实施例的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，包括：介质基片1，粘贴于介质基片两侧的双螺旋臂天线结构，包括第一双螺旋臂天线结构2和第二双螺旋臂天线结构3。其中，双螺旋臂结构对称式分布，每侧的双螺旋臂天线结构包括：曲形螺旋臂天线结构和菱形尾端天线结构，曲形螺旋臂天线结构的一端粘贴在介质基片上，另一端与菱形尾端天线结构连接。
具体的，因标签天线尺寸较小，本发明采用图1所示的天线结构。为了有效增加天线臂宽度，标签天线采用对称式的双螺旋臂结构。由电磁感应定律中的楞次定律知道，感生电流总是阻逆原生电流变化，由于天线臂螺旋结构使流经每个天线臂的电流环向相同，感生电流的阻逆作用产生叠加，相当于电流在天线臂的流速降低，天线的谐振频率会较曲折臂和直臂天线降低。因此对称螺旋臂天线的长度相对传统的曲折臂天线臂长短，短臂天线在给定空间内可以增宽天线臂，使天线臂宽而短。天线臂的长宽比越小，天线的阻入阻抗曲线越趋向平滑，与芯片的匹配带宽增大，因而标签的性能更稳定。
下面对用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线的各项参数进行设置。
1、天线的等效测量
RFID标签天线分为HF和UHF，HF的天线通常可忽略介电影响，可直接通过电桥或阻抗分析仪测量其电感及分布电容。UHF标签天线的精确测量较难实现，通常以等效测量方式以实现。下面是两种适用于UHF RFID标签设计的测量方法：
(1)谐振法测量等效介电常数
UHF标签天线输入阻抗对材料比较敏感，当贴附在不同材料上时，其阻抗变化量通常存在较大差异。等效介电常数是指把复合材料等效成一均质材料，把复合材料对天线的综合影响等效成均质材料影响。
图2示出了空气介质条件下仿真计算输入阻抗频率曲线，图3示出了使用磁探针实测空气介质条件下天线耦合功率曲线。
由图2输入阻抗曲线图，天线输入阻抗的实部在940MHz附近达到最大值与3中耦合功率曲线图940MHz附近最小值相对应，通常说天线在940MHz谐振。下面就举例通过谐振频率法来推算标签所贴附的复合板的等效介电常数。
图4所示标签天线贴附于某复合板上时，实测耦合功率曲线如图4，可以看到耦合功率最小值飘移至780MHz附近，即天线的谐振频率变为780MHz。
按照复合板尺寸进行仿真计算，当复合板的介电常数设置为3.4时，天线输入阻抗仿真计算实部最大值落在780MHz，如图5，复合板介电常数等效为3.4。复合板等效介电常数已确定，即可按正常设计方法进行设计标签天线。
综上，采用谐振法测量等效介电常数，其中，设置介质基片的介电常数为3.4。
(2)采用缩尺模型技术应用与比例测量法，测量两种环境下的天线的谐振频率，得到频率变化系数为1.2。
缩尺模型技术是指在满足一定条件下，将天线按一定缩尺比例缩小(或放大)，其特性参数也满足这一比例呈函数变化。缩尺模型技术通常为了便于测试，制作适于测试的模型进行等效测试，RFID标签天线的设计测量也可以直接采用缩尺模型技术进行等效测量。
由图3所示天线在空气中及贴附于复合板上两种环境下其输入阻抗曲线形状相同，位置及数值存在一定逻辑关系，与缩尺模型技术存在一定的相似性。由图2和4可推算出贴附于复合板材上时天线的输入阻抗频率乘以1.2与空气介质时近似。即我们可以通过测量两种环境下的天线的谐振频率，得到频率变化系数为1.2。
K＝F空/F介＝0.94/0.78＝1.2
2、标签天线设计频带的确定
标签天线设计，首先要根据要求确定设计频带。应用天线等效测算法进行天线设计，天线设计频带还要乘以比例系数K。如已知药瓶通过测试计算出频率变化比例K＝1.19，因频率段标准为902-928MHz，所以确定设计频带为：
Fmin＝Fmin标×K＝902×1.19＝1073MHz；Fmax＝Fmax标×K＝928×1.19＝1104MHz
即设计频带为1073-1104MHz，只要使天线在这个频带的特性参数达到目标值却可。
应用天线等效测算法进行天线设计，可以省去较多仿真计算工作，特别是明确在简单条件(纯天线)下的频带，这会使原本复杂的计算简单化。
3、动态阻抗匹配的设计
芯片在未开启状态下通常可等效成容阻电路，即电容电阻并联电路。如一款芯片标称值为0.85PF，2KΩ，则其输入阻抗为：
Z＝(jR/ωC)/(R+1/jωC)＝(1-jωCR2)R/[1+(ωCR)2]
芯片输入阻抗曲线如图6。
由芯片的输入输阻抗曲线图可知，芯片的输入阻随频率变化而变化。当芯片绑定到天线上时，还会增加分布电容，芯片的实际输入阻抗与标称值还存在一定差异。为了使标签能够稳定工作，满足较宽频带内阻抗匹配，通常标签天线设计时考虑芯片的输入阻抗的动态变化，做动态阻抗匹配设计。通常所指的标签天线动态阻抗匹配设计是指天线输入阻抗在设计频带内阻抗变化趋势与芯片输入阻抗共轭值的变化趋势相对应。此外动态阻抗匹配设计还包含芯片开启、读、写等各个状态下的输入阻抗，为了兼顾标签各个状态的性能，设计上尽可能地使天线在工作频带内满足芯片在各个状态下基本符合匹配条件。
在本发明的一个实施例中，用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，全长为50mm，宽度为4mm。在本发明的一个实施例中，用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，天线阻抗匹配系数>0.5。
芯片输入阻抗已知在920MHz时为20-j145欧姆，则知天线设计阻抗目标为20+j145欧姆。套入天线等效测量技术则天线输入阻抗目标为：
Z＝(20+j145)×1.19＝23.8+j172欧姆
对应频率F＝920×1.19＝1095MHz
调整天线臂长度及闭合环的尺寸或凹陷程度使其在1095MHz时天线输入阻抗接近目标值，同时要考虑设计频带内(1073-1104MHz)阻抗波动值，控制波动范围。如图7通过天线调整后的天线输入阻抗曲线图。
在本发明的一种实施例中，本发明实施例的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，要求标签贴于医用药瓶瓶身处，瓶子陈列于金属货架上，手持读写器要求达到1.5米稳定盘点。对环境介质条件进行测试，得到设计比例系数为1.17-1.21，介质遮挡损耗最大为6dB。
本发明实施例的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线设计目标：
1、标签天线尺寸4×50mm，
2、设计频带1073-1104MHz，
3、天线增益GEIRP>-2dB
4、天线阻抗匹配系数>0.5
经反复测试确认的玻璃介电常数K＝1.2
设计定型后为了进一步确认设计符合性，可通过制作模型进行测试，确认与设计相符性。标签通过读标签开启功率扫频法测试标签贴于药瓶时的读灵敏度，进一步可推算出标签在实际场景中应用时的读距。
天线匹配性的测量：该天线最佳灵敏度频段在895-920MHz，可满足目标频带应用，且灵敏度达应用要求。
如图8所示，本发明实施例还提供一种用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线的制作方法，包括如下步骤：
步骤S1，设计UHF标签天线的参数：采用谐振法测量等效介电常数，设置介质基片的介电常数为3.4；采用缩尺模型技术应用与比例测量法，测量两种环境下的天线的谐振频率，得到频率变化系数为1.2；设计UHF标签天线的频带位于1073-1104MHz；设计UHF标签天线的动态阻抗匹配；设计用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线的频带位于1073-1104MHz，天线增益GEIRP>-2dB，用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，天线阻抗匹配系数>0.5。
步骤S2，制作两个双螺旋臂天线结构，双螺旋臂结构对称式分布，每侧的双螺旋臂天线结构包括：曲形螺旋臂天线结构和菱形尾端天线结构，曲形螺旋臂天线结构的一端粘贴在介质基片上，另一端与菱形尾端天线结构连接。
具体的，因标签天线尺寸较小，本发明采用图1所示的天线结构。为了有效增加天线臂宽度，标签天线采用对称式的双螺旋臂结构。由电磁感应定律中的楞次定律知道，感生电流总是阻逆原生电流变化，由于天线臂螺旋结构使流经每个天线臂的电流环向相同，感生电流的阻逆作用产生叠加，相当于电流在天线臂的流速降低，天线的谐振频率会较曲折臂和直臂天线降低。因此对称螺旋臂天线的长度相对传统的曲折臂天线臂长短，短臂天线在给定空间内可以增宽天线臂，使天线臂宽而短。天线臂的长宽比越小，天线的阻入阻抗曲线越趋向平滑，与芯片的匹配带宽增大，因而标签的性能更稳定。
步骤S3，将两个螺旋臂天线结构分别粘贴于介质基片的两侧，形成最终的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线。
在本发明的一个实施例中，用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，全长为50mm，宽度为4mm。在本发明的一个实施例中，用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，天线阻抗匹配系数>0.5。
本发明实施例的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线设计目标：
1、标签天线尺寸4×50mm，
2、设计频带1073-1104MHz，
3、天线增益GEIRP>-2dB
4、天线阻抗匹配系数>0.5
经反复测试确认的玻璃介电常数K＝1.2。
设计定型后为了进一步确认设计符合性，可通过制作模型进行测试，确认与设计相符性。标签通过读标签开启功率扫频法测试标签贴于药瓶时的读灵敏度，进一步可推算出标签在实际场景中应用时的读距。
天线匹配性的测量：该天线最佳灵敏度频段在895-920MHz，可满足目标频带应用，且灵敏度达应用要求。
根据本发明实施例的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线及其制作方法，具有以下优点：可以应用于复杂材料环境条件下的标签、天线与RFID的匹配方式更优、频带扩展性能好、天线更加小型化。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (6)
1.一种用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，其特征在于，包括：介质基片，粘贴于所述介质基片两侧的双螺旋臂天线结构，所述双螺旋臂结构对称式分布，每侧的双螺旋臂天线结构包括：曲形螺旋臂天线结构和菱形尾端天线结构，所述曲形螺旋臂天线结构的一端粘贴在所述介质基片上，另一端与所述菱形尾端天线结构连接，
采用谐振法测量等效介电常数，其中，设置所述介质基片的介电常数为3.4；
采用缩尺模型技术应用与比例测量法，测量两种环境下的天线的谐振频率，得到频率变化系数为1.2；
其中，所述用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线的频带位于1073-1104MHz，天线增益GEIRP>-2dB。
2.如权利要求1所述的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，其特征在于，所述用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，全长为50mm，宽度为4mm。
3.如权利要求1所述的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，其特征在于，所述用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，天线阻抗匹配系数>0.5。
4.一种用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，设计UHF标签天线的参数：采用谐振法测量等效介电常数，设置所述介质基片的介电常数为3.4；采用缩尺模型技术应用与比例测量法，测量两种环境下的天线的谐振频率，得到频率变化系数为1.2；设计UHF标签天线的频带位于1073-1104MHz；设计UHF标签天线的动态阻抗匹配；设计所述用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线的频带位于1073-1104MHz，天线增益GEIRP>-2dB；
步骤S2，制作两个双螺旋臂天线结构，所述双螺旋臂结构对称式分布，每侧的双螺旋臂天线结构包括：曲形螺旋臂天线结构和菱形尾端天线结构，所述曲形螺旋臂天线结构的一端粘贴在所述介质基片上，另一端与所述菱形尾端天线结构连接；
步骤S3，将两个螺旋臂天线结构分别粘贴于所述介质基片的两侧，形成最终的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线。
5.如权利要求4所述的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线的制作方法，其特征在于，所述用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，全长为50mm，宽度为4mm。
6.如权利要求4所述的用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线的制作方法，其特征在于，所述用于医药瓶等非导电体表面的UHF频段RFID标签天线，天线阻抗匹配系数>0.5。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180727 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |