CN109754053A - 基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线 - Google Patents

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黄贝
张俊
章国豪
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Abstract

本发明属于射频识别及天线领域，主要是一款小型化高增益抗金属标签天线，所述标签天线包括介质谐振器和金属圆环；金属圆环设于介质谐振器的上方，所述标签天线还包括标签芯片，所述金属圆环设有用于安装标签芯片的开口结构。本发明提出一种小型化高增益的抗金属标签天线，主要包括介质谐振器和金属圆环。通过介质谐振结构形状和尺寸选取使其工作在HEM11δ模式，所述的介质谐振结构及模式可有效减小天线尺寸并安装在金属表面。本发明通过调节金属圆环的大小，天线尺寸可以进一步降低，同时可以顺利实现与标签芯片的共轭匹配。标签天线收集空间中的能量用于激活标签芯片，标签芯片通过调节自身接入天线两端阻抗以实现后向散射通信。

Description

基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线
技术领域
本发明属于射频识别及天线领域，更具体地涉及一种基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线。
背景技术
与传统的条形码技术相比，RFID标签具有感应距离长、信息量大、识别效率高、读取快、可重复利用等优点。目前，不同频率的RFID标签在物流、交通等领域已经广泛使用。但是在现实生活中，经常会遇到各种环境的干扰，其中最主要的是金属和液体环境。普通标签天线放置在金属或液体环境中阅读距离会急剧下降，影响RFID系统的正常工作。因此，需要专门设计能在金属环境中正常工作的抗金属标签天线。
同时RFID系统的应用对标签天线尺寸的要求越来越高，不仅需要保持比较长的阅读距离，同时要方便安装，因此标签天线具备小型化、高增益、抗金属等特点。传统抗金属天线的倒F型结构，具有较高的增益，但是对形状要求高且带宽窄，不适应如今品类繁多的物流领域。为解决上述问题，本发明使用了基于介质谐振器的抗金属标签结构，可以同时兼顾小型化高增益抗金属等要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线，通过设置，提供一种抗金属标签天线，具有小型化高增益等特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线，所述标签天线包括介质谐振器和金属圆环；金属圆环设于介质谐振器的上方，所述标签天线还包括标签芯片，所述金属圆环设有用于安装标签芯片的开口结构。
优选地，所述金属圆环为尺寸可调节的非封闭结构且所述开口结构设于所述所述金属圆环的端部。
优选地，所述介质谐振器为天线辐射体，所述介质谐振器为圆柱体结构，圆柱体结构的高度范围为8mm～10mm，圆柱体结构的直径范围为25mm～30mm。优选地，所述介质谐振器为高介电常数低损耗的陶瓷材料，所述陶瓷材的相对介电常数范围为88～95，所述损耗正切角范围为0.00005～0.00008。通过介质谐振器是天线的辐射体，以高介电常数低损耗陶瓷作为基板材料的设置，是为了实现小型化的同时保持较高的天线增益。
优选地，所述开口结构的尺寸与标签芯片的尺寸相匹配。这样设置是为了使得，开口结构的宽度可以容纳标签芯片，用于与标签芯片的电气连接。
优选地，标签天线收集空间中的能量激活标签芯片，标签芯片通过调节自身接入天线两端阻抗实现后向散射通信。
优选地，所述天线阻抗随着金属圆环尺寸变化改变。
优选地，标签天线整体安装于金属地板上，标签天线的反射系数随着金属地板尺寸变化改变不显著。需要说明的是，金属地板尺寸不是用于调节反射系数的，在一定尺寸金属环境下天线工作频率不变，具有良好的抗金属性。
优选地，标签天线的工作模式为HEM11δ模式。其中，介质谐振器通过选取陶瓷形状和尺寸，工作在HEM11δ模式，可安装在金属表面。
优选地，金属圆环放置于柱状介质谐振器上方，用于天线模式的激励；
优选地，圆环尺寸可灵活调节标签天线的输入阻抗，用于与一般标签芯片阻抗的共轭匹配。
本发明的有益效果是：
本发明提出一种小型化高增益的抗金属标签天线，主要包括介质谐振器和金属圆环。通过介质谐振结构形状和尺寸选取使其工作在UEM11δ模式，所述的介质谐振结构及模式可有效减小天线尺寸并安装在金属表面。金属圆环位于介质谐振器上方，用于激励介质谐振器，标签芯片位于金属圆环的开口处，通过调节金属圆环的大小，天线尺寸可以进一步降低，同时可以顺利实现与标签芯片的共轭匹配。标签天线收集空间中的能量用于激活标签芯片，标签芯片通过调节自身接入天线两端阻抗以实现后向散射通信。因此，本发明提出的抗金属天线具有小型化、高增益等优点。
附图说明
图1为本发明所述的小型化高增益抗金属标签天线的结构图。
图2为介质谐振器内部的电场和磁场分布。
图3为抗金属标签天线随圆环尺寸变化的(a)输入阻抗及(b)反射系数。
图4为抗金属标签天线反射系数随金属地板尺寸的变化曲线。
图5为抗金属标签天线实际增益随地板地板尺寸的变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
如图1至5为一种基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线的实施例，标签天线包括介质谐振器1和金属圆环2；金属圆环2设于介质谐振器1的上方，标签天线还包括标签芯片3，金属圆环2设有用于安装标签芯片3的开口结构21。
其中，金属圆环2为尺寸可调节的非封闭结构且开口结构21设于金属圆环2的端部。
另外，介质谐振器1为天线辐射体，介质谐振器1为圆柱体结构，圆柱体结构的高度范围为8mm～10mm，圆柱体结构的直径范围为25mm～30mm。
其中，开口结构21的尺寸与标签芯片3的尺寸相匹配。
另外，介质谐振器1为高介电常数低损耗的陶瓷材料，陶瓷材的相对介电常数范围为88～95，所述损耗正切角范围为0.00005～0.00008。
其中，标签天线收集空间中的能量激活标签芯片3，标签芯片3通过调节自身接入天线两端阻抗实现后向散射通信。
另外，天线阻抗随着金属圆环2尺寸变化改变。
其中，标签天线整体安装于金属地板4上，标签天线的反射系数随着金属地板4尺寸变化改变不显著。
另外，标签天线的工作模式为HEM11δ模式。
具体地：
本发明的抗金属标签天线包括：介质谐振器1和金属圆环2，其中图1(a)是抗金属标签天线的正视图，图1(b)是抗金属标签天线的侧视图。
其中，金属圆环2尺寸(D1)可调节，圆环一端预留一开口，用于安装标签芯片3；所述的标签天线安装在金属地板4上。
其中，介质谐振器1是天线的辐射体，形状选取为圆柱体，圆柱体高度H2为9mm，圆柱直径D2为26mm。通过尺寸选取，使天线工作在HEM11δ模式下，其介质谐振器对应的电场分布如图2(a)所示，对应的磁场分布图如图2(b)所示；
选用高介电常数低损耗的陶瓷材料作为天线基板。该陶瓷材料相对介电常数为90，损耗正切角为0.00007。
标签天线收集空间中的能量用于激活标签芯片3，标签芯片3通过调节自身接入天线两端阻抗以实现后向散射通信。本实施例选取NXP UCODE G2iM+芯片作为目标标签芯片，其在915MHz输入阻抗为21.2-j199.7Ohm。
图3(a)是天线阻抗随着金属圆环尺寸变化曲线，图3(b)是天线输入阻抗随着金属圆环尺寸变化曲线。在本实施例中，选择中心频率为915MHz，因此选取圆环外径D1为21.7mm，圆环宽度为W1＝2.35mm；
图4为反射系数随着金属地板4尺寸变化时变化曲线，可见只要地板尺寸大于L3＝W3＝100mm，金属地板对天线谐振频率的影响较小；
图5是天线增益随着金属地板4尺寸变化曲线，随着金属地板4尺寸不断变大，天线增益稳定在3dBi左右；
具体实施方式如下：
本实施例的小型化高增益的抗金属标签天线，主要包括介质谐振器1和金属圆环2。通过介质谐振器1形状和尺寸选取使其工作在HEM11δ模式，有效减小天线尺寸并安装在金属表面4。金属圆环2位于介质谐振器1上方，用于激励介质谐振器1。通过调节金属圆环1的大小，介质谐振器1的尺寸可以进一步降低，同时可以顺利实现与标签芯片3的共轭匹配。标签芯片3位于金属圆环1的开口处，与其电气相连。所述的标签天线收集空间中的能量用于激活标签芯片3，标签芯片3通过调节自身接入天线两端负载实现后向散射通信。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线，其特征在于，所述标签天线包括介质谐振器(1)和金属圆环(2)；金属圆环(2)设于介质谐振器(1)的上方，所述标签天线还包括标签芯片(3)，所述金属圆环(2)设有用于安装标签芯片(3)的开口结构(21)。
2.根据权利要求1所述的基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线，其特征在于，所述金属圆环(2)为尺寸可调节的非封闭结构且所述开口结构设于所述金属圆环(2)的端部。
3.根据权利要求1所述的基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线，其特征在于，所述介质谐振器(1)为天线辐射体，所述介质谐振器(1)为圆柱体结构，圆柱体结构的高度范围为8mm～10mm，圆柱体结构的直径范围为25mm～30mm。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线，其特征在于，所述开口结构(21)的尺寸与标签芯片(3)的尺寸相匹配。
5.根据权利要求1所述的基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线，其特征在于，所述介质谐振器(1)为高介电常数低损耗的陶瓷材料，所述陶瓷材的相对介电常数范围为88～95，所述损耗正切角范围为0.00005～0.00008。
6.根据权利要求1所述的基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线，其特征在于，标签天线收集空间中的能量激活标签芯片(3)，标签芯片(3)通过调节自身接入天线两端阻抗实现后向散射通信。
7.根据权利要求1所述的基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线，其特征在于，所述天线阻抗随着金属圆环(2)尺寸变化改变。
8.根据权利要求7所述的基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线，其特征在于，标签天线整体安装于金属地板(4)上，标签天线的反射系数随着金属地板(4)尺寸变化保持稳定。
9.根据权利要求1所述的基于介质谐振器的小型化高增益抗金属标签天线，其特征在于，标签天线的工作模式为HEM11δ模式。
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