CN110768000B - 一种无线测量介电常数的超高频rfid标签天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线测量介电常数的超高频RFID标签天线，包括介质基板、辐射单元和匹配单元，辐射单元包括射频芯片、第一扇形金属层和第二扇形金属层，第一扇形金属层和第二扇形金属层均附着在介质基板的上表面，将介质基板的左右对称面作为基准面，介质基板的中心线位于该基准面上，第一扇形金属层位于基准面的左侧，第二扇形金属层位于基准面的右侧，匹配单元包括第一弧形金属层和第二弧形金属层，第一弧形金属层和第二户型金属层分别附着在介质基板的下端面上，第一弧形金属层圆心位于垂直于介质基板且经过介质基板的中心的直线上，第二弧形金属层圆心位于垂直于介质基板且经过介质基板的中心的直线上；优点是尺寸较小，且阅读距离较长。

Description

一种无线测量介电常数的超高频RFID标签天线
技术领域
本发明涉及一种RFID标签天线，尤其是涉及一种无线测量介电常数的超高频RFID标签天线。
背景技术
RFID标签天线能够粘贴在不同的物体上，与RFID读写器通过射频信号进行数据交互，从而达到物体识别和追踪等目的，目前已取代传统的条码扫描技术得到了广泛的应用。RFID标签天线的常用工作频段通常包括低频段、高频段和超高频段，其中低频段RFID标签天线和高频段RFID标签天线分别采用电磁耦合方式工作，传输数据速度较慢，阅读距离较近，而超高频段RFID标签天线一般采用电磁发射原理工作，传输数据速度较快，阅读距离较远。因此，超高频段RFID标签天线是当前研究的主流。当超高频RFID标签天线粘贴在不同介电常数的介质上时，超高频RFID标签天线的谐振频率将发生不同的偏移。当超高频RFID标签天线粘贴在介电常数较低的介质上时，超高频RFID标签天线的谐振频率将向高频偏移，当超高频RFID标签天线粘贴在介电常数较高的介质上时，超高频RFID标签天线的谐振频率将向低频偏移。根据超高频RFID标签天线这一特性，可以绘制超高频RFID标签天线的谐振频率随介电常数变化的曲线，从而可以计算出未知介质的介电常数。
现有的用于测量介质介电常数的超高频RFID标签天线通常采用偶极子RFID标签天线结构来实现。该超高频RFID标签天线由两根直导体组成，每根直导体的长度为1/4波长，即该超高频RFID标签天线总长度为半波长，且两根直导体没有采用任何的折叠措施，由此导致超高频RFID标签天线尺寸较大。由于偶极子RFID标签天线的远场辐射较强，所以超高频RFID标签天线对不同介电常数的介质较敏感导致测量精度较低，当超高频RFID标签天线放置在不同介电常数的介质上时，由于远场辐射较强，超高频RFID标签天线的谐振频率将发生较大偏移，导致超高频RFID标签天线的阻抗和射频芯片阻抗不匹配，此时超高频RFID标签天线的S11参数变差，最终使得RFID标签天线的阅读距离较短。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种尺寸较小，且阅读距离较长的无线测量介电常数的超高频RFID标签天线。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种无线测量介电常数的超高频RFID标签天线，包括介质基板、设置在所述的介质基板上表面的辐射单元和设置在所述的介质基板下端面的匹配单元；所述的介质基板为圆形，所述的介质基板的半径为32.2mm；所述的辐射单元包括射频芯片、第一扇形金属层和第二扇形金属层，所述的第一扇形金属层和所述的第二扇形金属层均附着在所述的介质基板的上表面，将所述的介质基板的左右对称面作为基准面，所述的介质基板的中心线位于该基准面上，所述的第一扇形金属层位于所述的基准面的左侧，所述的第二扇形金属层位于所述的基准面的右侧，所述的第一扇形金属层的圆心到所述的基准面的距离为1.3mm，所述的第一扇形金属层的半径为25.7mm，所述的第一扇形金属层的弧度为90度，所述的第二扇形金属层与所述的第一扇形金属层两者相对于所述的基准面左右对称，所述的介质基板的上表面的中心处设置有矩形凹槽，所述的矩形凹槽相对于所述的基准面左右对称，所述的矩形凹槽沿左右方向的长度为1mm，沿前后方向的长度为1mm，所述的射频芯片安装在所述的矩形凹槽内，所述的射频芯片通过第一金属连接块与所述的第一扇形金属层连接，所述的射频芯片通过第二金属连接块与所述的第二扇形金属层连接，所述的第一金属连接块和所述的第二金属连接块两者相对于所述的基准面左右对称，所述的第一金属连接块和所述的第二金属连接块均附着在所述的介质基板的上表面；所述的匹配单元包括第一弧形金属层和第二弧形金属层，所述的第一弧形金属层和所述的第二弧形金属层分别附着在所述的介质基板的下端面上，所述的第一弧形金属层圆心位于垂直于所述的介质基板且经过所述的介质基板的中心的直线上，所述的第二弧形金属层圆心位于垂直于所述的介质基板且经过所述的介质基板的中心的直线上，所述的第一弧形金属层和所述的第二弧形金属层的内径均为23.3mm，所述的第一弧形金属层和所述的第二弧形金属层的外径均为30.8mm；所述的第一弧形金属层的弧度为96度，所述的第二弧形金属层的弧度为150度，所述的第一弧形金属层相对于所述的基准面左右对称，所述的第二弧形金属层相对于所述的基准面左右对称。
所述的射频芯片为Alien厂商生产的H3芯片，所述的介质基板的厚度为1mm，所述的介质基板的材料为FR4_epoxy板材。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过介质基板、设置在介质基板上表面的辐射单元和设置在介质基板下端面的匹配单元构成无线测量介电常数的超高频RFID标签天线，辐射单元包括射频芯片、第一扇形金属层和第二扇形金属层，第一扇形金属层和第二扇形金属层均附着在介质基板的上表面，将介质基板的左右对称面作为基准面，介质基板的中心线位于该基准面上，第一扇形金属层位于基准面的左侧，第二扇形金属层位于基准面的右侧，第一扇形金属层的圆心到基准面的距离为1.3mm，第一扇形金属层的半径为25.7mm，第一扇形金属层的弧度为90度，第二扇形金属层与第一扇形金属层两者相对于基准面左右对称，介质基板的上表面的中心处设置有矩形凹槽，矩形凹槽相对于基准面左右对称，矩形凹槽沿左右方向的长度为1mm，沿前后方向的长度为1mm，射频芯片安装在矩形凹槽内，射频芯片通过第一金属连接块与第一扇形金属层连接，射频芯片通过第二金属连接块与第二扇形金属层连接，第一金属连接块和第二金属连接块两者相对于基准面左右对称，第一金属连接块和第二金属连接块均附着在介质基板的上表面；匹配单元包括第一弧形金属层和第二弧形金属层，第一弧形金属层和第二弧形金属层分别附着在介质基板的下端面上，第一弧形金属层圆心位于垂直于介质基板且经过介质基板的中心的直线上，第二弧形金属层圆心位于垂直于介质基板且经过介质基板的中心的直线上，第一弧形金属层和第二弧形金属层的内径均为23.3mm，第一弧形金属层和第二弧形金属层的外径均为30.8mm；第一弧形金属层的弧度为96度，第二弧形金属层的弧度为150度，第一弧形金属层相对于基准面左右对称，第二弧形金属层相对于基准面左右对称，当将本发明的超高频RFID标签天线放置在不同介电常数的介质上时，介质上由于多了一种材料的存在，超高频RFID标签天线和介质表面之间产生了一个寄生电容，相当于改变了超高频RFID标签天线的阻抗，进而导致超高频RFID标签天线谐振频率的偏移，由此可以通过超高频RFID标签天线的相对谐振频率对介电常数的偏移来拟合出超高频RFID标签天线的相对谐振频率随介电常数变化的曲线，从而可以计算出未知介质的介电常数，本发明的辐射单元采用蝶形结构，匹配单元采用第一弧形金属层和第二弧形金属层实现，大大降低了尺寸，且有较低的远场辐射，由此本发明尺寸较小，阅读距离较长，增强了测量结果的准确性。
附图说明
图1为本发明的无线测量介电常数的超高频RFID标签天线的俯视图；
图2为本发明的无线测量介电常数的超高频RFID标签天线的底视图；
图3为采用本发明的无线测量介电常数的超高频RFID标签天线对不同介电常数的介质上进行测试，根据测试数据拟合得到的相对频率偏移与介电常数的曲线图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：如图1和图2所示，一种无线测量介电常数的超高频RFID标签天线，包括介质基板1、设置在介质基板1上表面的辐射单元和设置在介质基板1下端面的匹配单元；介质基板1为圆形，介质基板1的半径为32.2mm；辐射单元包括射频芯片2、第一扇形金属层3和第二扇形金属层4，第一扇形金属层3和第二扇形金属层4均附着在介质基板1的上表面，将介质基板1的左右对称面作为基准面，介质基板1的中心线位于该基准面上，第一扇形金属层3位于基准面的左侧，第二扇形金属层4位于基准面的右侧，第一扇形金属层3的圆心到基准面的距离为1.3mm，第一扇形金属层3的半径为25.7mm，第一扇形金属层3的弧度为90度，第二扇形金属层4与第一扇形金属层3两者相对于基准面左右对称，介质基板1的上表面的中心处设置有矩形凹槽，矩形凹槽相对于基准面左右对称，矩形凹槽沿左右方向的长度为1mm，沿前后方向的长度为1mm，射频芯片2安装在矩形凹槽内，射频芯片2通过第一金属连接块5与第一扇形金属层3连接，射频芯片2通过第二金属连接块6与第二扇形金属层4连接，第一金属连接块5和第二金属连接块6两者相对于基准面左右对称，第一金属连接块5和第二金属连接块6均附着在介质基板1的上表面；匹配单元包括第一弧形金属层7和第二弧形金属层8，第一弧形金属层7和第二弧形金属层8分别附着在介质基板1的下端面上，第一弧形金属层7圆心位于垂直于介质基板1且经过介质基板1的中心的直线上，第二弧形金属层8圆心位于垂直于介质基板1且经过介质基板1的中心的直线上，第一弧形金属层7和第二弧形金属层8的内径均为23.3mm，第一弧形金属层7和第二弧形金属层8的外径均为30.8mm；第一弧形金属层7的弧度为96度，第二弧形金属层8的弧度为150度，第一弧形金属层7相对于基准面左右对称，第二弧形金属层8相对于基准面左右对称。
本实施例中，射频芯片2为Alien厂商生产的H3芯片，介质基板1的厚度为1mm，介质基板1的材料为FR4_epoxy板材。
采用本发明的测量介电常数的超高频RFID标签天线对不同介电常数的介质上进行测试，这些介质都是长20cm,宽6cm,高1mm的长方体，测试数据如表1所示，根据这些测试数据拟合得到的相对频率偏移与介电常数的曲线图如图3所示。
表一
介电常数 谐振频率f<sub>ref</sub>(MHz) 相对频率偏移(△f)
1 930 0
2.13 890 0.043
3 865 0.07
3.66 850 0.086
4.08 830 0.1032
5.82 815 0.1237
表1中，△f表示相对频率偏移，
Figure GDA0002646285660000051
f表示超高频RFID标签天线放置在不同介电常数的介质板上时对应的谐振频率，fref表示超高频RFID标签天线未放在介质板上的谐振频率，fref＝930MHz，；图3的横坐标表示相对频率偏移，纵坐标表示未知介质的介电常数，图3曲线是根据表1的相对频率偏移和介电常数的关系拟合出来的。分析表1数据和图3可知：当超高频RFID标签天线放在介电常数较高的介质板上面时，超高频RFID标签天线的谐振频率将向低频偏移，这与理论相吻合，根据图3的曲线可以较方便的测出未知介质的介电常数，且准确度较高。

Claims (2)

1.一种无线测量介电常数的超高频RFID标签天线，其特征在于包括介质基板、设置在所述的介质基板上表面的辐射单元和设置在所述的介质基板下端面的匹配单元；所述的介质基板为圆形，所述的介质基板的半径为32.2mm；
所述的辐射单元包括射频芯片、第一扇形金属层和第二扇形金属层，所述的第一扇形金属层和所述的第二扇形金属层均附着在所述的介质基板的上表面，将所述的介质基板的左右对称面作为基准面，所述的介质基板的中心线位于该基准面上，所述的第一扇形金属层位于所述的基准面的左侧，所述的第二扇形金属层位于所述的基准面的右侧，所述的第一扇形金属层的圆心到所述的基准面的距离为1.3mm，所述的第一扇形金属层的半径为25.7mm，所述的第一扇形金属层的弧度为90度，所述的第二扇形金属层与所述的第一扇形金属层两者相对于所述的基准面左右对称，所述的介质基板的上表面的中心处设置有矩形凹槽，所述的矩形凹槽相对于所述的基准面左右对称，所述的矩形凹槽沿左右方向的长度为1mm，沿前后方向的长度为1mm，所述的射频芯片安装在所述的矩形凹槽内，所述的射频芯片通过第一金属连接块与所述的第一扇形金属层连接，所述的射频芯片通过第二金属连接块与所述的第二扇形金属层连接，所述的第一金属连接块和所述的第二金属连接块两者相对于所述的基准面左右对称，所述的第一金属连接块和所述的第二金属连接块均附着在所述的介质基板的上表面；
所述的匹配单元包括第一弧形金属层和第二弧形金属层，所述的第一弧形金属层和所述的第二弧形金属层分别附着在所述的介质基板的下端面上，所述的第一弧形金属层圆心位于垂直于所述的介质基板且经过所述的介质基板的中心的直线上，所述的第二弧形金属层圆心位于垂直于所述的介质基板且经过所述的介质基板的中心的直线上，所述的第一弧形金属层和所述的第二弧形金属层的内径均为23.3mm，所述的第一弧形金属层和所述的第二弧形金属层的外径均为30.8mm；所述的第一弧形金属层的弧度为96度，所述的第二弧形金属层的弧度为150度，所述的第一弧形金属层相对于所述的基准面左右对称，所述的第二弧形金属层相对于所述的基准面左右对称。
2.根据权利要求1所述的一种无线测量介电常数的超高频RFID标签天线，其特征在于所述的射频芯片为Alien厂商生产的H3芯片，所述的介质基板的厚度为1mm，所述的介质基板的材料为FR4_epoxy板材。
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