CN109449571A - 一种用于卷烟盒的超高频射频识别标签天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于卷烟盒的超高频射频识别标签天线，包括主辐射单元、金属拉线结构和RFID标签芯片，标签天线利用卷烟盒内的铝箔面这一金属背景，将其作为能量反射器改变天线的辐射模式，阅读器向RFID标签芯片发射射频信号，RFID标签芯片被射频信号激活开始工作，发射反馈信号，该反馈应答信号经过铝箔改变天线的辐射模式后，最终被阅读器接收，完成数据交换。因此本发明具有良好的半球辐射特性、较高的增益以及较远的读取距离，能够满足实际应用的需求；另外本发明无需再设置接地板，从而便于标签的安装及使用，同时由于标签与拉线环一体化，拉线拆封标签即毁，能增强标签的防伪性能。

Description

一种用于卷烟盒的超高频射频识别标签天线
技术领域
本发明涉及一种射频识别标签天线，具体是一种用于卷烟盒的超高频射频识别标签天线。
背景技术
射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是一种非接触式自动识别技术，其中，超高频射频识别(UHF RFID)技术因具有较远的读取距离而被广泛应用于交通、物流、防伪等各种领域。在UHF RFID系统中，电子标签一般为无源被动式标签，仅由天线和芯片组成，标签芯片正常工作所需的能量是通过天线接收读写器发射的射频信号而获得的，因此，标签天线在保证系统效率和可靠性方面扮演了极为重要的角色。
在很多实际应用中，RFID标签需要贴附于金属物体表面，或直接印刷并集成于金属物品的包装介质之上。但是，普通UHF RFID标签应用于金属表面时，由于金属的边界条件，标签的读取距离会迅速缩短，甚至不能被读取，标签天线的辐射效率、输入阻抗、增益、方向图等都会受到很大的影响，导致标签的整体性能下降。因此，抗金属UHF RFID标签天线的设计已成为国内外各相关企业、高校和科研院所研究的热点。有学者提出通过调整标签天线与金属表面的距离来减小金属边界的影响，但这种处理方法使得天线的体积大大增加，不方便固定在物体表面上，只适用于对标签厚度要求不严格的应用环境中。另有学者提出在微带贴片天线的接地面使用周期性的EBG(Electromagnetic Band Gap，电磁场带隙)结构以抑制特定频带的电磁波传播，从而减少旁瓣电平，提高增益，改善天线的性能，但其缺点在于制作过于复杂，生产实现困难。还有学者提出的PIFA天线(Planar Inverted-FAntenna，平面倒F天线)可以将金属表面作为其接地板，并将接地板与贴片连接在一起，成为辐射天线的一部分，从而达到抗金属的效果，克服了微带天线在某些领域无法满足小型化的缺点，但其性能取决于被贴附物体的特性，比如电导率和物体尺寸，并且有些PIFA天线利用陶瓷作为介质层，成本相对较高。
在卷烟包装盒内，一般采用铝箔包裹香烟从而能起到防潮和保持烟草的香味，这一金属背景对标签天线的影响为普通RFID标签的读取带来了困难。目前的抗金属标签均需要金属接地板，导致标签芯片和接地板不在包装介质的同一个表面上，限制了标签的应用，且不易集成。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于卷烟盒的超高频射频识别标签天线，无需接地板，从而便于标签的安装及使用，另外标签与拉线环一体化，拉线拆封标签即毁，能增强标签一次性的防伪性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于卷烟盒的超高频射频识别标签天线，包括主辐射单元、金属拉线结构和RFID标签芯片，主辐射单元固定在卷烟盒的表面，主辐射单元由矩形辐射单元A和矩形锯齿凸起B组成，矩形锯齿凸起B固定在矩形辐射单元A其中一个短边端，且矩形辐射单元A的短边中心线平分矩形锯齿凸起B，矩形辐射单元A的长边与卷烟盒的长边平行；
所述金属拉线结构由缠绕卷烟盒表面一周的拉线环E、主阻抗匹配矩形线C、辅阻抗匹配矩形单元D1和辅阻抗匹配矩形单元D2组成，拉线环E处于矩形锯齿凸起B的一侧，主阻抗匹配矩形线C处于拉线环E与矩形锯齿凸起B之间的卷烟盒表面，且主阻抗匹配矩形线C的一端垂直连接在拉线环E在该卷烟盒表面上的中点；辅阻抗匹配矩形单元D1和辅阻抗匹配矩形单元D2以主阻抗匹配矩形线C为中心线对称设置在两侧，且辅阻抗匹配矩形单元D1的其中一个短边端和辅阻抗匹配矩形单元D1的其中一个短边端均与拉线环E垂直连接；
所述RFID标签芯片处于主阻抗匹配矩形线C与矩形锯齿凸起B之间，且RFID标签芯片的天线输入端与矩形锯齿凸起B连接，RFID标签芯片的接地端与主阻抗匹配矩形线C的另一端连接。
进一步，所述主辐射单元和金属拉线结构均采用金属铜制作而成。
进一步，所述主辐射单元和金属拉线结构均采用导电油墨印刷制成。
与现有技术相比，本发明采用主辐射单元、金属拉线结构和RFID标签芯片相结合方式，本发明的天线利用卷烟盒内的铝箔面这一金属背景，将其作为能量反射器改变天线的辐射模式，阅读器向RFID标签芯片发射射频信号，RFID标签芯片被射频信号激活开始工作，发射反馈信号，该反馈应答信号经过铝箔改变天线的辐射模式后，最终被阅读器接收，完成数据交换。本发明在915MHz的输入阻抗能够与芯片阻抗较好地实现共轭匹配，带宽能够覆盖北美和我国UHF RFID频段。因此，该天线具有良好的半球辐射特性、较高的增益以及较远的读取距离，能够满足实际应用的需求；另外本发明无需再设置接地板，由于接地板与卷烟盒内的铝箔同为金属物质，铝箔可代替接地板作为能量反射器改变天线的辐射模式，使所设计的天线具有半球辐射模式，从而便于标签的安装及使用，同时由于标签与拉线环一体化，拉线拆封标签即毁，也能增强标签一次性的防伪性能。
附图说明
图1是本发明装配后的结构示意图；
图2是图1的俯视平面示意图；
图3是本发明谐振峰值S11的回波损耗图；
图4是915MHz处本发明的归一化二维辐射方向图。
图中：1、卷烟盒，2、主辐射单元，3、金属拉线结构，4、RFID标签芯片。
具体实施方式
下面将对本发明做进一步说明。
如图所示，本发明包括主辐射单元、金属拉线结构和RFID标签芯片，主辐射单元固定在卷烟盒的表面，主辐射单元由矩形辐射单元A和矩形锯齿凸起B组成，矩形锯齿凸起B固定在矩形辐射单元A其中一个短边端，且矩形辐射单元A的短边中心线平分矩形锯齿凸起B，矩形辐射单元A的长边与卷烟盒的长边平行；
所述金属拉线结构由缠绕卷烟盒表面一周的拉线环E、主阻抗匹配矩形线C、辅阻抗匹配矩形单元D1和辅阻抗匹配矩形单元D2组成，拉线环E处于矩形锯齿凸起B的一侧，主阻抗匹配矩形线C处于拉线环E与矩形锯齿凸起B之间的卷烟盒表面，且主阻抗匹配矩形线C的一端垂直连接在拉线环E在该卷烟盒表面上的中点；辅阻抗匹配矩形单元D1和辅阻抗匹配矩形单元D2以主阻抗匹配矩形线C为中心线对称设置在两侧，且辅阻抗匹配矩形单元D1的其中一个短边端和辅阻抗匹配矩形单元D1的其中一个短边端均与拉线环E垂直连接；
所述RFID标签芯片处于主阻抗匹配矩形线C与矩形锯齿凸起B之间，且RFID标签芯片的天线输入端与矩形锯齿凸起B连接，RFID标签芯片的接地端与主阻抗匹配矩形线C的另一端连接。
进一步，所述主辐射单元和金属拉线结构均采用金属铜制作而成。
进一步，所述主辐射单元和金属拉线结构均采用导电油墨印刷制成。
由于RFID标签芯片一般为复阻抗，当标签天线的输入阻抗与标签芯片的阻抗共轭匹配，且标签天线具有较高的增益时，RFID标签芯片可以获得较远的读取距离。通过调节矩形辐射单元A的长度L用于将天线输入阻抗的电阻和电抗的大小向相同方向调节，而调节矩形锯齿凸起B的长度La用于辅助微调；通过调节主阻抗匹配矩形线C的长度Ls能单独调节天线的电抗值；通过调节辅阻抗匹配矩形单元D1、D2的长度Ld能将天线输入阻抗的电阻和电抗的大小向相反方向调节，而调节辅阻抗匹配矩形单元D1、D2与矩形锯齿凸起B之间的距离b用于辅助微调。
实施例1：为了使本发明的天线在915MHz的输入阻抗能够与芯片阻抗较好地实现共轭匹配，采用的卷烟盒为285mm×87mm×48mm；本发明矩形辐射单元A的长度L为129mm，宽度W为87mm；矩形锯齿凸起B的长度La为20mm，宽度Wa为23mm；拉线环E的宽度a为2.5mm；主阻抗匹配矩形线C的长度Ls为20mm，宽度Ws为3mm；辅阻抗匹配矩形单元D1和D2的长度Ld均为25mm，宽度Wd均为15mm，且其与矩形锯齿凸起B之间的距离b为2mm。
RFID标签芯片采用TI公司的RI_UHF_00001_01芯片，在北美UHF RFID频段中心频率915MHz处的阻抗Zc＝9.9-j60.53Ω，采用上述参数制作的本发明的天线在915MHz频率处的输入阻抗值为Za＝9.89+j60.2Ω，非常接近RI_UHF_00001_01芯片阻抗的共轭值，说明该天线具有良好的阻抗匹配特性。
将带有上述参数制作成的标签天线的卷烟盒进行试验测试，采用Alien ALR-9900RFID阅读器，并使卷烟盒上的RFID标签与阅读器天线平行，阅读器发出射频信号，其谐振中心频率为915MHz；射频信号发送至所设计的RFID标签芯片天线，从而激活标签芯片电路，标签芯片通过整流的方法将射频波转换为电能存储在标签中的电容里，从而为标签的工作提供了能量，与此同时，由于铝箔的存在，使得标签天线反馈的信号具有半球辐射特性，在标签天线上形成反射应答回波信号，反射应答回波信号再被RFID阅读器天线接收，从而完成数据的交换。
将阅读器在发射射频信号的情况下逐渐远离本实施例的天线，根据阅读器是否能读取标签天线判断阅读最大距离，经试验测得，当阅读器有效全向辐射功率EIRP为4W时，测得的最大阅读距离可达8m，因此能够满足正常工况的要求。
由图3可知，本实施例的天线谐振在915MHz，谐振峰值S11为-71.13dB。其-10dB工作频段范围为902～929MHz，带宽为29MHz，所设计的标签天线能够覆盖北美UHF(902～928MHz)以及中国UHF(920～925MHz)RFID频段范围，满足实际应用中的需要。
由图4可知，天线的最大增益可达到3.01dB，且辐射方向具有近半球辐射特性，可以使阅读器在不同的角度都能准确读取到标签，满足实际需求。

Claims (3)

1.一种用于卷烟盒的超高频射频识别标签天线，其特征在于，包括主辐射单元、金属拉线结构和RFID标签芯片，主辐射单元固定在卷烟盒的表面，主辐射单元由矩形辐射单元A和矩形锯齿凸起B组成，矩形锯齿凸起B固定在矩形辐射单元A其中一个短边端，且矩形辐射单元A的短边中心线平分矩形锯齿凸起B，矩形辐射单元A的长边与卷烟盒的长边平行；
所述金属拉线结构由缠绕卷烟盒表面一周的拉线环E、主阻抗匹配矩形线C、辅阻抗匹配矩形单元D1和辅阻抗匹配矩形单元D2组成，拉线环E处于矩形锯齿凸起B的一侧，主阻抗匹配矩形线C处于拉线环E与矩形锯齿凸起B之间的卷烟盒表面，且主阻抗匹配矩形线C的一端垂直连接在拉线环E在该卷烟盒表面上的中点；辅阻抗匹配矩形单元D1和辅阻抗匹配矩形单元D2以主阻抗匹配矩形线C为中心线对称设置在两侧，且辅阻抗匹配矩形单元D1的其中一个短边端和辅阻抗匹配矩形单元D1的其中一个短边端均与拉线环E垂直连接；
所述RFID标签芯片处于主阻抗匹配矩形线C与矩形锯齿凸起B之间，且RFID标签芯片的天线输入端与矩形锯齿凸起B连接，RFID标签芯片的接地端与主阻抗匹配矩形线C的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于卷烟盒的超高频射频识别标签天线，其特征在于，所述主辐射单元和金属拉线结构均采用金属铜制作而成。
3.根据权利要求1所述的一种用于卷烟盒的超高频射频识别标签天线，其特征在于，所述主辐射单元和金属拉线结构均采用导电油墨印刷制成。
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