CN108899647A - 应用于印刷的新型无源超高频标签天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种应用于印刷的新型无源超高频标签天线，包括：介质板、印刷在所述介质板上的标签芯片和天线、以及接地部，所述介质板与所述接地部连接，其中，所述标签天线的带宽为90MHz，工作在915MHz频点，工作带宽为870MHz～960MH，所述介质板采用柔性的聚酯材料或FR4材料制成，所述标签天线的辐射方向图为全向或半球覆盖。本发明设计的标签天线比一般的印刷标签天线结构新颖简单具有更宽的带宽，尺寸大小与常规的射频卡一致。并且这种天线制作简单，成本低廉，可在RFID系统中广泛应用。

Description

应用于印刷的新型无源超高频标签天线
技术领域
本发明涉及RFID标签天线技术领域，特别涉及一种应用于印刷的新型无源超高频标签天线。
背景技术
现有的RFID标签天线存在以下缺陷：
1.RFID标签依靠反射调制无线电波与阅读器通信，故标签天线是RFID电子标签系统的关键器件，RFID标签天线的设计优劣对RFID系统工作性能影响较大。
2.RFID标签天线小型化和附着物体表面等特点，如何在有限空间中提高标签天线效率是RFID技术中目前至关重要的问题。
3.现有天线的效率较低，且构造相对复杂。
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，本发明的一个目的在于提出一种应用于印刷的新型无源超高频标签天线。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种应用于印刷的新型无源超高频标签天线，包括：介质板、印刷在所述介质板上的标签芯片和天线、以及接地部，所述介质板与所述接地部连接，其中，所述标签天线的带宽为90MHz，工作在915MHz频点，工作带宽为870MHz～960MH，所述介质板采用柔性的聚酯材料或FR4材料制成，所述标签天线的辐射方向图为全向或半球覆盖。
进一步，所述介质板的长度为50mm～60mm，宽度为80mm～90mm，且厚度为1mm。
进一步，所述介质板的长度为86mm，宽度为54mm。
进一步，所述天线的上端部的宽度为4mm，厚度为4mm，下端部的厚度也为4mm。
进一步，所述标签天线选用铜，铝或银墨作为导体。
进一步，所述标签天线的特性阻抗为35欧姆。
根据本发明实施例的应用于印刷的新型无源超高频标签天线，带宽为90MHz，工作在915MHz。在H面几乎为全向。另外，这种标签天线结构简单，易于加工。本发明还通过对标签天线的阅读距离，工作频段，形状尺寸，成本等方面的仿真测试，对标签天线的设计要求进行验证。并运用Ansoft HFSS 10对标签的RCS进行了电磁分析。本发明的标签天线可成功集成到高速公路不停车收费系统的射频标签中。本发明设计的标签天线比一般的印刷标签天线结构新颖简单具有更宽的带宽，尺寸大小与常规的射频卡一致。并且这种天线制作简单，成本低廉，可在RFID系统中广泛应用。
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为根据本发明实施例的应用于印刷的新型无源超高频标签天线的结构图；
图2为根据本发明实施例的标签天线的回波损耗S11(dB)的示意图；
图3为根据本发明实施例的标签天线的辐射方向图；
图4为根据本发明实施例的平面波入射示意图；
图5为根据本发明实施例的匹配状态的示意图；
图6为根据本发明实施例的短路状态的示意图；
图7为根据本发明实施例的开始状态的示意图。
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。
由于标签最重要的工作特性是阅读距离，阅读距离指的是RFID阅读器能够识别到标签的反向散射信号的最大距离。因为一般而言阅读器的灵敏度比起标签的灵敏度通常是要高的，所以阅读距离也就以标签的响应门槛作为定义。标签的方向性，标签所附着的材料和电磁波传播的环境同样对RFID的阅读距离有影响。
阅读距离γ能够运用福利斯自由空间公式(Friis free-space formula)计算。公式如下：
λ是波长，Pt是阅读器的发射功率，Gt是阅读器天线的发射增益，Gr是标签天线的接收增益，Pth是提供给RFID标签芯片足够能量所必需的最小功率门槛。τ为功率传输系数，由下式给出：
此外，Zc＝Rc+jXc为标签芯片的阻抗值，Za＝Ra+jXa为标签天线的阻抗值。
从式(1)可以看出，当确定了标签的工作频率和标签芯片时，λ与Pth为常数。此时，标签的阅读距离由PtGt即阅读器的等效全向辐射功率(EIRP)，标签天线增益Gr和传输系数τ的乘积所决定。EIRP由国家条例规定了最大值。故标签天线的增益Gr和传输系数τ决定着阅读距离。
传输系数τ由在工作频率下，标签芯片的电阻与标签天线的电阻匹配的好坏决定。当阻抗共扼匹配时，即Rc＝Ra，Xc＝-Xa时，τ＝1，阅读距离最大。可见阻抗的匹配对于RFID系统的工作距离极其重要。
通过对标签天线的设计，可以使得标签芯片的电阻与标签天线的电阻得到较好的匹配，以取到较好的传输系数，进而提高标签的传输系数，达到理想的阅读距离。
但无法避免的是在RFID标签天线的设计过程中天线的增益，天线的阻抗值和带宽之间要进行一定的权衡和取舍。只有在Grτ为最大值时，阅读距离才为最大，单方面的提高标签天线的增益Gr和单方面的追求阻抗的匹配都是没有意义的。
为此，本发明设计一种应用于印刷的新型无源超高频标签天线。如图1所示，本发明实施例的应用于印刷的新型无源超高频标签天线，包括：介质板、印刷在所述介质板上的标签芯片和天线、以及接地部，所述介质板与所述接地部连接，其中，所述标签天线的带宽为90MHz，工作在915MHz频点，工作带宽为870MHz～960MH。在915MHz时，多普勒效应小于30Hz不会影响到RFID系统的工作。
介质板可选用柔性的聚酯材料，也可选用刚性的用于PCB板的制作的材料，如FR4材料制成，所述标签天线的辐射方向图为全向或半球覆盖。
在本发明的一个实施例中，所述介质板的长度L为50mm～60mm，宽度W为80mm～90mm，且厚度为1mm。优选的，介质板的长度L为86mm，宽度W为54mm。主要是考虑到要便于安装到一般的智能卡内；辐射方向为全向；不考虑多普勒效应；结构简单，成本低廉，标签天线选用铜为导体，印刷在介电常数为4.3，电损耗为0.02，厚度为1mm的FR4介质板上。
天线的上端部的宽度W3为4mm，厚度W4为4mm，下端部的厚度W2也为4mm。
设计尺寸参数如图1：L＝54mm，W＝86mm，W1＝10mm，W2＝4mm，W3＝4mm，W4＝4mm，L1＝14.5mm。
需要说明的是，标签的尺寸和形状必须能够嵌入或者附着在需要被识别的物体上。
在本发明的一个实施例中，标签天线选用铜，铝或银墨作为导体。
下面对本发明设置的标签天线通过HFSS10进行仿真计算，以下为其仿真结果。图2为标签天线的回波损耗S11(dB)。图3为标签天线的辐射方向图。
从图中可以看到S11＜-10dB即VSWR<2的工作带宽为90MHz，在870MHz～960MHz之间。图3为标签天线的辐射方向图。从图中可以看出，天线在H面为全向辐射。
下面进一步对本发明的标签天线性能分析。
标签的性能分析主要是对其阅读距离的评估。而雷达散射截面RCS(Radar CrossSection)是评估标签性能的一个很好的途径。标签由芯片和天线组成。芯片的一个很重要的特性就是其终端阻抗。当改变阻抗值以改变芯片的状态(通常为匹配和短路状态)，标签的RCS也会因此改变。利用此特性，标签将调制后的信息传送给阅读器。调制方式为ASK(Amplitude Shift Keying)。利用RCS对标签性能进行分析时，标签从阅读器接收到的功率Pr可表示如下：
式中Pt为阅读器的发射功率，Gt为阅读器发射天线的增益，σ为标签的RCS，λ为波长，R为标签与阅读器天线的距离。从式(3)可以看出，Pt与RCS(σ)成正比例关系。故标签的RCS越大，则标签从阅读器接收到的功率越多，进而标签的可识别距离便相应的增加了。
标签的RCS可以通过电磁仿真和实际测量得到。在电磁仿真中，产生一平面波从不同的角度入射标签，就可以得到标签的雷达散射截面。
本发明设计的标签天线的特性阻抗为35Ω。通过改变标签芯片的阻抗来研究标签的RCS。阻抗值分别选为0Ω，35Ω，∞Ω。3种阻抗值分别表示为短路，匹配和开路。
本次运用Ansoft HFSS 10进行电磁仿真。平面波如图4所示对标签入射，当平面波打在标签上，标签通常会在所有方向上散射。但在实际情况中，如果标签处于几乎静止不动的状态下而被识别时，只需要考虑入射波方向上的散射，因为只有在来波方向上的散射才会被阅读器接收到，我们将此时的RCS以单基站雷达模式处理。而当标签处于运动中被阅读器识别时，阅读器发射的电磁波方向和标签的回波方向不一致，此时研究来波方向上的RCS没有意义，这种情况下必须考虑各个方向上的雷达散射截面，此时的RCS以收发分置的模式处理。
分别取θ值和值为0deg，30deg，60deg，90deg作为入射角度。图5为匹配状态时的RCS。图6为短路状态时的RCS。图7为开路时的RCS。
根据本发明实施例的应用于印刷的新型无源超高频标签天线，带宽为90MHz，工作在915MHz。在H面几乎为全向。另外，这种标签天线结构简单，易于加工。本发明还通过对标签天线的阅读距离，工作频段，形状尺寸，成本等方面的仿真测试，对标签天线的设计要求进行验证。并运用Ansoft HFSS 10对标签的RCS进行了电磁分析。本发明的标签天线可成功集成到高速公路不停车收费系统的射频标签中。本发明设计的标签天线比一般的印刷标签天线结构新颖简单具有更宽的带宽，尺寸大小与常规的射频卡一致。并且这种天线制作简单，成本低廉，可在RFID系统中广泛应用。
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极其等同限定。

Claims (6)

1.一种应用于印刷的新型无源超高频标签天线，其特征在于，包括：介质板、印刷在所述介质板上的标签芯片和天线、以及接地部，所述介质板与所述接地部连接，其中，所述标签天线的带宽为90MHz，工作在915MHz频点，工作带宽为870MHz～960MH，所述介质板采用柔性的聚酯材料或FR4材料制成，所述标签天线的辐射方向图为全向或半球覆盖。
2.如权利要求1所述的应用于印刷的新型无源超高频标签天线，其特征在于，所述介质板的长度为50mm～60mm，宽度为80mm～90mm，且厚度为1mm。
3.如权利要求2所述的应用于印刷的新型无源超高频标签天线，其特征在于，所述介质板的长度为86mm，宽度为54mm。
4.如权利要求1所述的应用于印刷的新型无源超高频标签天线，其特征在于，所述天线的上端部的宽度为4mm，厚度为4mm，下端部的厚度也为4mm。
5.如权利要求1所述的应用于印刷的新型无源超高频标签天线，其特征在于，所述标签天线选用铜，铝或银墨作为导体。
6.如权利要求1所述的应用于印刷的新型无源超高频标签天线，其特征在于，所述标签天线的特性阻抗为35欧姆。
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