CN109742528B - 一种宽带rfid标签印制天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带RFID标签印制天线结构，能够在较小尺寸PCB上对RFID芯片所支持的频段，提供更好的全频匹配设计效果，并且可以根据不同的应用环境要求进行具体尺寸设计，使RFID标签产品在金属、非金属表面都能得到更好的使用效果；实际应用中，设计参数灵活，便于实际调试，而且使用单层PCB设计，对PCB加工工艺要求不高，可以在确保RFID芯片通信质量的前提下，近一步降低产品生产成本，同时确保设计的可靠性。

Description

一种宽带RFID标签印制天线结构

技术领域

本发明涉及一种宽带RFID标签印制天线结构，属于射频传输技术领域。

背景技术

为保证在UHF RFID标签产品的成本可控的同时，使产品能够满足可靠性设计要求，天线往往直接对接RFID芯片，因此RFID芯片输入口的阻抗匹配完全由天线承担。而对于无源RFID芯片设计，其输入阻抗随频率变化而变化，因此对于宽带天线设计带来了挑战。

由于无源RFID底层协议对通信编码、纠错和调制方式的实施都比较简单，无法保证无线通信质量，因此无源RFID芯片多呈差分输入输出形式，以便在提高传输速率的同时，去除环境引入的共模噪声。

另外，RFID标签的使用场景多要求其重量轻、轮廓低、体积小，并且具有抗金属特性，因此印制偶极子天线成为一种潜在的选择方案。但一般的印制偶极子天线很难在小尺寸下与RFID芯片实现宽带共轭匹配，从而造成实际应用中，针对不同使用地域，需要对天线进行反复开发和调试，会增加产品成本。

现有的宽带RFID天线设计方案主要以分形形式为主，在小尺寸PCB上对加工精度要求较高，且不易调试。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够在较小尺寸PCB上对RFID芯片所支持频段，提供更好全频匹配设计效果的宽带RFID标签印制天线结构。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种宽带RFID标签印制天线结构，包括介质基板、以及设置于介质基板上表面的辐射结构；其中，辐射结构包括两个彼此结构相同的辐射单元组，各个辐射单元组分别均包括至少两条辐射单元，各条辐射单元均为设置于介质基板上表面的金属直线线条；

各个辐射单元组中，各条辐射单元彼此相互平行设置于介质基板的上表面，且沿垂直于辐射单元所在直线的单一方向上，各条辐射单元的长度依次递减，定义最长辐射单元为初始辐射单元，以及定义最短辐射单元为末端辐射单元，由初始辐射单元至末端辐射单元方向，相邻辐射单元之间的距离依次递减，相邻辐射单元上中点位置之间通过设置于介质基板上表面的金属线条对接；

两辐射单元组中初始辐射单元的中点位置之间通过设置于介质基板上表面的金属线条对接，并定义该金属线条为中间金属线条；且位于中间金属线条同侧两初始辐射单元上的任意位置之间通过设置于介质基板上表面的金属线条对接，并定义该金属线条为旁侧金属线条；各辐射单元组中的各辐射单元、各金属线条、以及中间金属线条、旁侧金属线条上除彼此对接边缘以外其余边缘均被介质基板区域包围；旁侧金属线条上的中点位置设置RFID芯片焊接区，RFID芯片焊接区用于跨接RFID芯片贴片，RFID芯片的引脚对接天线端口。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各辐射单元组中末端辐射单元的外侧分别设置位于介质基板上表面的金属线条，定义该金属线条为短头，短头的一端与对应末端辐射单元的中点位置相对接，且短头上的其它边缘均被介质基板区域包围。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各辐射单元组中的各金属线条、各短头、以及中间金属线条、旁侧金属线条均为金属直线线条，且两辐射单元组中的所有辐射单元均彼此平行。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各辐射单元组中各金属线条所在直线、各短头所在直线、以及中间金属线条所在直线彼此相共线，且旁侧金属线条与中间金属线条相平行。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各辐射单元组中金属线条所在直线与辐射单元所在直线相垂直。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各辐射单元组中预设初始辐射单元的长度为l₁，则沿初始辐射单元至末端辐射单元方向，按如下公式：

l_n＝0.9×l₁

获得各辐射单元的长度l_n，其中，2≤n≤N，N表示辐射单元组中辐射单元的数目，l_n表示辐射单元组中由初始辐射单元向末端辐射单元方向、第n个辐射单元的长度；

以及沿初始辐射单元至末端辐射单元方向，按如下公式：

d_n＝0.2×ε_r ^0.5×l_n

获得各相邻辐射单元之间的间距d_n，其中，d_n表示辐射单元组中由初始辐射单元向末端辐射单元方向、第n个辐射单元与第n+1个辐射单元之间的间距，ε_r ^0.5表示所选择介质基板及其表面金属线条层整体结构的相对介电常数。

本发明所述一种宽带RFID标签印制天线结构采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计宽带RFID标签印制天线结构，能够在较小尺寸PCB上对RFID芯片所支持的频段，提供更好的全频匹配设计效果，并且可以根据不同的应用环境要求进行具体尺寸设计，使RFID标签产品在金属、非金属表面都能得到更好的使用效果；实际应用中，设计参数灵活，便于实际调试，而且使用单层PCB设计，对PCB加工工艺要求不高，可以在确保RFID芯片通信质量的前提下，近一步降低产品生产成本，同时确保设计的可靠性。

附图说明

图1是本发明所设计宽带RFID标签印制天线结构的俯视示意图；

图2是本发明所设计宽带RFID标签印制天线结构的侧视示意图；

图3是本发明设计应用于实施例一、非金属环境下RFID芯片输入端口反射系数示意图；

图4是本发明设计应用于实施例一、非金属环境下天线的辐射方向示意图。

其中，1.介质基板，2.辐射单元，3.金属线条,4.中间金属线条,5.旁侧金属线条,6.RFID芯片焊接区，7.短头。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计了一种宽带RFID标签印制天线结构，实际应用中，如图1和图2所示，包括介质基板1、以及设置于介质基板1上表面的辐射结构；其中，辐射结构包括两个彼此结构相同的辐射单元组，各个辐射单元组分别均包括至少两条辐射单元2，各条辐射单元2均为设置于介质基板1上表面的金属直线线条。

各个辐射单元组中，各条辐射单元2彼此相互平行设置于介质基板1的上表面，且沿垂直于辐射单元2所在直线的单一方向上，各条辐射单元2的长度依次递减，定义最长辐射单元2为初始辐射单元，以及定义最短辐射单元2为末端辐射单元，由初始辐射单元至末端辐射单元方向，相邻辐射单元2之间的距离依次递减，相邻辐射单元2上中点位置之间通过设置于介质基板1上表面的金属线条3对接。

两辐射单元组中初始辐射单元的中点位置之间通过设置于介质基板1上表面的金属线条对接，并定义该金属线条为中间金属线条4；且位于中间金属线条4同侧两初始辐射单元上的任意位置之间通过设置于介质基板1上表面的金属线条对接，并定义该金属线条为旁侧金属线条5；各辐射单元组中的各辐射单元2、各金属线条3、以及中间金属线条4、旁侧金属线条5上除彼此对接边缘以外其余边缘均被介质基板区域包围；旁侧金属线条5上的中点位置设置RFID芯片焊接区6，RFID芯片焊接区6用于跨接RFID芯片贴片，RFID芯片的引脚对接天线端口。

针对各辐射单元组中末端辐射单元的外侧，分别设置位于介质基板1上表面的金属线条，定义该金属线条为短头7，短头7的一端与对应末端辐射单元的中点位置相对接，且短头7上的其它边缘均被介质基板区域包围。

实际应用中，针对上述技术方案进行具体设计，各辐射单元组中的各金属线条3、各短头7、以及中间金属线条4、旁侧金属线条5均为金属直线线条，且各辐射单元组中各金属线条3所在直线、各短头7所在直线、以及中间金属线条4所在直线彼此相共线，两辐射单元组中的所有辐射单元2均彼此平行，且各辐射单元组中金属线条3所在直线与辐射单元2所在直线相垂直，旁侧金属线条5与中间金属线条4相平行。

基于上述所设计宽带RFID标签印制天线结构，可以方便地得到印制偶极子天线的图样，该图样主要特征是：在RFID芯片两侧以环的形式形成强耦合效果，设置辐射单元，并以近似八木天线的设计形式展开，构成辐射结构，同时，在各辐射单元组中末端辐射单元的外侧设置短头7，以便于天线的调试。

其中，天线输入阻抗对馈电环路的尺寸变化很敏感，短头7在一定频率范围内可以明显地影响天线的阻抗值，增加设计的灵活性。

实际应用中，上述所设计宽带RFID标签印制天线结构技术方案，根据不同产品的尺寸要求和RFID芯片输入阻抗规格，辐射单元2的宽度和长度可被进行具体设计。诸如在UHF频段(840MHz～960MHz)内，各辐射单元组中辐射单元2的个数一般为6～10个。

将本发明所设计宽带RFID标签印制天线结构应用于实际当中，以频段840MHz～960MHz，输入电阻20Ω～15Ω，输入感抗130Ω～110Ω的某RFID芯片为例。

基材为FR4的PCB，各辐射单元组中辐射单元2的个数设计为8个，即N＝8，初始辐射单元，即由初始辐射单元向末端辐射单元方向、第1个辐射单元2的长度设计为l₁＝20mm，并根据如下公式：

l_n＝0.9×l₁

获得沿初始辐射单元至末端辐射单元方向、各辐射单元2的长度l_n，l_n表示辐射单元组中由初始辐射单元向末端辐射单元方向、第n个辐射单元2的长度。

以及沿初始辐射单元至末端辐射单元方向，按如下公式：

d_n＝0.2×ε_r ^0.5×l_n

获得各相邻辐射单元2之间的间距d_n，其中，d_n表示辐射单元组中由初始辐射单元向末端辐射单元方向、第n个辐射单元2与第n+1个辐射单元2之间的间距，ε_r ^0.5表示所选择介质基板1及其表面金属线条层整体结构的相对介电常数。

即获得如下表1所示的宽带RFID标签印制天线结构尺寸数据。

表1

则基于上述具体尺寸设计下宽带RFID标签印制天线结构的实际应用中，其中，如图3所示，表示天线端口的反射系数与频率的关系，在RFID分配的UHF频段范围内，设计结果可以满足反射系数-10dB以下的应用要求。以及如图4所示，表示天线在915MHz频点的2D辐射方向图，通过合理地选择设计放置方式，可保证应用中具有较好的全向性。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种宽带RFID标签印制天线结构，其特征在于：包括介质基板(1)、以及设置于介质基板(1)上表面的辐射结构；其中，辐射结构包括两个彼此结构相同的辐射单元组，各个辐射单元组分别均包括至少两条辐射单元(2)，各条辐射单元(2)均为设置于介质基板(1)上表面的金属直线线条；

各个辐射单元组中，各条辐射单元(2)彼此相互平行设置于介质基板(1)的上表面，且沿垂直于辐射单元(2)所在直线的单一方向上，各条辐射单元(2)的长度依次递减，定义最长辐射单元(2)为初始辐射单元，以及定义最短辐射单元(2)为末端辐射单元，由初始辐射单元至末端辐射单元方向，相邻辐射单元(2)之间的距离依次递减，相邻辐射单元(2)上中点位置之间通过设置于介质基板(1)上表面的金属线条(3)对接；

两辐射单元组中初始辐射单元的中点位置之间通过设置于介质基板(1)上表面的金属线条对接，并定义该金属线条为中间金属线条(4)；且位于中间金属线条(4)同侧两初始辐射单元上的任意位置之间通过设置于介质基板(1)上表面的金属线条对接，并定义该金属线条为旁侧金属线条(5)；各辐射单元组中的各辐射单元(2)、各金属线条(3)、以及中间金属线条(4)、旁侧金属线条(5)上除彼此对接边缘以外其余边缘均被介质基板区域包围；旁侧金属线条(5)上的中点位置设置RFID芯片焊接区(6)，RFID芯片焊接区(6)用于跨接RFID芯片贴片，RFID芯片的引脚对接天线端口。

2.根据权利要求1所述一种宽带RFID标签印制天线结构，其特征在于：所述各辐射单元组中末端辐射单元的外侧分别设置位于介质基板(1)上表面的金属线条，定义该金属线条为短头(7)，短头(7)的一端与对应末端辐射单元的中点位置相对接，且短头(7)上的其它边缘均被介质基板区域包围。

3.根据权利要求2所述一种宽带RFID标签印制天线结构，其特征在于：所述各辐射单元组中的各金属线条(3)、各短头(7)、以及中间金属线条(4)、旁侧金属线条(5)均为金属直线线条，且两辐射单元组中的所有辐射单元(2)均彼此平行。

4.根据权利要求3所述一种宽带RFID标签印制天线结构，其特征在于：所述各辐射单元组中各金属线条(3)所在直线、各短头(7)所在直线、以及中间金属线条(4)所在直线彼此相共线，且旁侧金属线条(5)与中间金属线条(4)相平行。

5.根据权利要求4所述一种宽带RFID标签印制天线结构，其特征在于：所述各辐射单元组中金属线条(3)所在直线与辐射单元(2)所在直线相垂直。

6.根据权利要求5所述一种宽带RFID标签印制天线结构，其特征在于：所述各辐射单元组中预设初始辐射单元的长度为l₁，则沿初始辐射单元至末端辐射单元方向，按如下公式：

l_n＝0.9×l₁

获得各辐射单元(2)的长度l_n，其中，2≤n≤N，N表示辐射单元组中辐射单元(2)的数目，l_n表示辐射单元组中由初始辐射单元向末端辐射单元方向、第n个辐射单元(2)的长度；以及沿初始辐射单元至末端辐射单元方向，按如下公式：

d_n＝0.2×ε_r ^0.5×l_n

获得各相邻辐射单元(2)之间的间距d_n，其中，d_n表示辐射单元组中由初始辐射单元向末端辐射单元方向、第n个辐射单元(2)与第n+1个辐射单元(2)之间的间距，ε_r ^0.5表示所选择介质基板(1)及其表面金属线条层整体结构的相对介电常数。

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