CN108682969A - 一种无源无芯片的抗金属射频识别标签 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无源无芯片的抗金属射频识别标签。该标签由基本频率选择表面单元组成阵列结构，每个单元采用三层圆环型频率选择表面，由上到下依次为金属贴片、介质层、金属地板，所有金属贴片在同一层且共用一块金属地板。所述每个基本频率选择表面单元中金属贴片为5个圆心相同、半径不同的谐振圆环贴片，半径从小到大依次对应高频到低频的谐振特性；通过改变谐振圆环贴片的有无，对不同的RFID标签进行编码；由基本频率选择表面单元组成2×2、3×3或4×4的阵列结构，提取标签反射信号中的交叉极化分量可以消除金属平台对标签性能的影响。本发明射频识别标签且具有成本低、体积小、重量轻、抗金属平台的优点，并能够采用印刷电路板技术进行批量生产。

Description

一种无源无芯片的抗金属射频识别标签
技术领域
本发明涉及射频识别技术领域，特别是一种无源无芯片的抗金属射频识别标签。
背景技术
现有的有芯片RFID标签在现有的技术上单个的加工成本最低能控制在5美分，由于传统的有芯片RFID标签里的射频集成IC非常昂贵。现有的RFID标签中需要设置独立的电路处理系统及信号处理单元，这使得RFID标签的加工工艺复杂，而且稳定性不高。现有的大多数RFID标签放在金属平台上时，其编码信号不稳定，其标签功能失效。所以与传统的RFID标签相比，无芯片RFID标签其结构中不携带任何用来处理通信协议电子电路，这有效的降低了无芯片RFID的制造成本。无芯片RFID标签能自身独立完成电磁波的收发和编码功能，这使得标签的制造工艺变得简单，可实现大批量生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小、重量轻的无源无芯片的抗金属射频识别标签，能够采用印刷电路板技术进行批量生产，有效控制了生产的成本。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种无源无芯片的抗金属射频识别标签，由基本频率选择表面单元组成阵列结构，每个基本频率选择表面单元采用三层圆环型频率选择表面，由上到下依次为金属贴片、介质层、金属地板，所有金属贴片在同一层且共用一块金属地板。
进一步地，所述每个基本频率选择表面单元中金属贴片为5个圆心相同、半径不同的谐振圆环贴片，谐振圆环贴片的宽度为0.1～2mm，谐振圆环贴片之间的缝隙为0.1～2mm，半径从小到大依次对应高频到低频的谐振特性；通过改变谐振圆环贴片的有无，对不同的RFID标签进行编码。
进一步地，所述由基本频率选择表面单元组成的阵列结构为2×2、3×3或4×4阵列，相邻金属贴片的中心间距为10～30mm。
进一步地，所述无源无芯片的抗金属射频识别标签的阻抗ZR等于频率选择表面的阻抗ZFSS与金属地板阻抗Zd的并联阻抗，根据以下公式确定：
进一步地，所述介质层的厚度为1～3mm，介电常数范围为2～6。
进一步地，所述抗金属射频识别标签的金属地板的阻抗呈感性，金属地板的阻抗Zd，根据以下公式确定：
Zd＝jζm tan(βd) (2)
其中为介质板的特性阻抗，为传播常数，ζ0为自由空间的波阻抗，k0为自由空间的波数；ε′r是复介电常数的实数，相当于通常的介电常数ε；ε″r是复介电常数的虚部，表示电介质中的电极化损耗。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用单层微带贴片天线，可以实现体积小、重量轻的特性，适用于运用印刷电路技术进行批量生产；(2)采用圆环型频率选择便面单元，具有极化不敏感、编码稳定新高的优点；(3)采用交叉极化编码思想，可以实现标签的抗金属平台性能；(4)标签结构由基本频率选择表面单元构成，减小了标签的尺寸，同时也降低了加工和制作的难度。
附图说明
图1是本发明无源无芯片的抗金属射频识别标签的结构图，其中(a)为单元结构俯视图，(b)为单元结构侧视图，(c)为编码分别为“00011”“01010”“01100”的标签结构图，(d)为为2×2阵列RFID标签结构图。
图2是本发明实施例中无源无芯片的抗金属射频识别标签的|S11|结果图。
图3是本发明实施例中无源无芯片的抗金属射频识别标签的编码可行性验证结果图。
图4是本发明实施例中无源无芯片的抗金属射频识别标签的交叉极化编码验证结果图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
结合图1(a)～(d)，本发明无源无芯片的抗金属射频识别标签，由基本频率选择表面单元组成阵列结构，每个基本频率选择表面单元采用三层圆环型频率选择表面，由上到下依次为金属贴片21、介质层1、金属地板11，所有金属贴片21在同一层且共用一块金属地板11。
作为一种优选方案，所述每个基本频率选择表面单元中金属贴片21为5个圆心相同、半径不同的谐振圆环贴片，谐振圆环贴片的宽度为0.1～2mm，谐振圆环贴片之间的缝隙为0.1～2mm，半径从小到大依次对应高频到低频的谐振特性；通过改变谐振圆环贴片的有无，对不同的RFID标签进行编码。
作为一种优选方案，所述由基本频率选择表面单元组成的阵列结构为2×2、3×3或4×4阵列，相邻金属贴片21的中心间距为10～30mm。。
作为一种优选方案，所述介质层1的厚度为1～3mm，介电常数范围为2～6。
作为一种优选方案，所述无源无芯片的抗金属射频识别标签的阻抗ZR等于频率选择表面的阻抗ZFSS与金属地板阻抗Zd的并联阻抗，根据以下公式确定：
作为一种优选方案，所述抗金属射频识别标签的金属地板11的阻抗呈感性，金属地板11的阻抗Zd，根据以下公式确定：
Zd＝jζm tan(βd) (2)
其中为介质板的特性阻抗，为传播常数，ζ0为自由空间的波阻抗，k0为自由空间的波数；ε′r是复介电常数的实数，相当于通常的介电常数ε；ε″r是复介电常数的虚部，表示电介质中的电极化损耗。
本发明无源无芯片的抗金属射频识别标签的参数设计过程如下：
(一)优化频率选择表面结构，首先根据标签的工作频段来确定同心圆环的半径R和介质板的厚度h。
(二)调整介质板的厚度h和介质板的介电常数ε，使其能与空气中的波阻抗η0相匹配。
(三)调整同心贴片圆环的宽度l分不同半径圆环之间的缝隙宽度gap，使其单元的谐振频率在工作频带范围内有良好的分布。
实施例1
结合图1本发明无源无芯片的抗金属射频识别标签的结构，设计了一个2×2结构的5bit编码的无源无芯片的抗金属射频识别标签：频段范围为3～9GHz；在该频段内有5个频点|S11|<-10dB，以此来作为射频识别标签的编码特性。无源无芯片的抗金属射频识别标签共有三层，由下到上分别是：金属贴片，同心圆环的宽度为0.468mm，同心圆环之间的缝隙为0.468mm；介质层，介电常数为4.5，厚度为1.6mm；第二介质层3，介电常数为3.38，厚度为1.5mm；最下面一层为金属地板。天线的尺寸为31.2mm×31.2mm×1.6mm。
图2是本发明无源无芯片的抗金属射频识别标签的|S11|结果图。采用主从边界条件原理进行建模仿真，标签在3～9GHz共出现了5个不同的谐振频点，分别为3.24GHz、4.64GHz、5.48GHz、6.74GHz、8.63GHz。
图3是本发明无源无芯片的抗金属射频识别标签的编码可行性验证结果图。移除不同的谐振圆环，相对应的谐振频点会消失。以此来作为不同标签唯一的编码身份。分别验证了编码为“00011”、“01010”和“01100”三种不同标签的谐振特性。结果表明，本设计具有良好的编码特性。
图4是采用交叉极化编码的思想验证了所设计的标签的抗金属性能。分别验证了在50mm×50mm、100mm×100mm和150mm×150mm三种不同的金属平台标签的编码特征。结果表明，采用交叉极化编码的思想提取出交叉极化回波的分量，使得所设计的标签完全可以适用于金属平台。
综上所述，本发明无源无芯片的抗金属射频识别标签，采用单层微带贴片天线，可以实现体积小、重量轻的特性，适用于运用印刷电路技术进行批量生产；采用圆环型频率选择便面单元，具有极化不敏感、编码稳定新高的优点；采用交叉极化编码思想，可以实现标签的抗金属平台性能；标签结构由基本频率选择表面单元构成，减小了标签的尺寸，同时也降低了加工和制作的难度。

Claims (6)

1.一种无源无芯片的抗金属射频识别标签，其特征在于，由基本频率选择表面单元组成阵列结构，每个基本频率选择表面单元采用三层圆环型频率选择表面，由上到下依次为金属贴片(21)、介质层(1)、金属地板(11)，所有金属贴片(21)在同一层且共用一块金属地板(11)。
2.根据权利要求1所述的无源无芯片的抗金属射频识别标签，其特征在于，所述每个基本频率选择表面单元中金属贴片(21)为5个圆心相同、半径不同的谐振圆环贴片，谐振圆环贴片的宽度为0.1～2mm，谐振圆环贴片之间的缝隙为0.1～2mm，半径从小到大依次对应高频到低频的谐振特性；通过改变谐振圆环贴片的有无，对不同的RFID标签进行编码。
3.根据权利要求1或2所述的无源无芯片的抗金属射频识别标签，其特征在于，所述由基本频率选择表面单元组成的阵列结构为2×2、3×3或4×4阵列，相邻金属贴片(21)的中心间距为10～30mm。
4.根据权利要求1或2所述的无源无芯片的抗金属射频识别标签，其特征在于，所述无源无芯片的抗金属射频识别标签的阻抗ZR等于频率选择表面的阻抗ZFSS与金属地板阻抗Zd的并联阻抗，根据以下公式确定：
5.根据权利要求1或2所述的所述的无源无芯片的抗金属射频识别标签，其特征在于，所述介质层(1)的厚度为1～3mm，介电常数范围为2～6。
6.根据权利要求2所述的无源无芯片的抗金属射频识别标签，其特征在于，所述抗金属射频识别标签的金属地板(11)的阻抗呈感性，金属地板(11)的阻抗Zd，根据以下公式确定：
Zd＝jζm tan(βd) (2)
其中为介质板的特性阻抗，为传播常数，ζ0为自由空间的波阻抗，k0为自由空间的波数；εr′是复介电常数的实数，相当于通常的介电常数ε；εr″是复介电常数的虚部，表示电介质中的电极化损耗。
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