CN111799554B - 一种柔性抗金属rfid标签天线及阻抗分析方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种柔性抗金属RFID标签天线及阻抗分析方法,所述标签天线包括:保护层、标签芯片、天线层、介质基板层、短路墙和金属底板。根据标签的结构组成,天线层和金属接地板等效为平板电容器;天线层中各结构等效为电阻、电感和电容;短路墙等效为电阻和电感,影响天线阻抗。由此推导出一个等效电路来描述阻抗特性,为天线的设计提供依据。其中,介质基板层有两部分构成,第一介质层为聚酰亚胺(PI)用来增强标签的鲁棒性和防止折叠时发生开裂。第二介质层为软泡沫(PP‑2)与第一介质层进行粘合。天线能提供足够的电阻和感应电抗与芯片进行共轭匹配。
Description
技术领域
本发明涉及无线射频识别领域,尤其涉及UHF RFID标签天线阻抗分析方法、软件的优化仿真及标签。
背景技术
射频识别(RFID)是一种自动识别技术,当标签接收到阅读器发出的射频信号,其表面会有感应电流产生,凭借感应电流标签会发送某一频率的信号,经过阅读器进行解码后,传入到系统进行数据处理。超高频(UHF)射频识别(RFID)标签具有读取范围长、数据传输速率高等优点,被广泛应用于商店内的商品标签。无源的RFID标签在物联网(LOT)领域备受关注,被用于物品的标识和追踪。在实际应用中,超高频射频识别(RFID)标签经常需要安装在各种尺寸和形状的导电物体上。传统的偶极型天线作为金属物体的标签通常是不可行的。这是因为当偶极型天线靠近导电表面时,其实际电流和镜像电流相互抵消,从而导致低辐射效率。
过去的二十年中,人们提出了几种方法来克服这个问题并实现更小的标签尺寸。将偶极臂折叠成多段是一种提高辐射效率、减少偶极子足迹的有效方法。将偶极子悬浮在人工磁导体(AMC)或电磁带隙(EBG)结构上,可以有效地从基体金属中分离出偶极子本身。然而,应用AMC和EBG结构可以使整个标签变得非常大。另一种方法是采用高介电常数衬底设计标签,可以很好地减小标签的尺寸和具有良好的抗金属性能,但这种技术的成本效益不高。微带贴片天线设计是用于金属上超高频RFID标签的另一种流行选择。与传统的偶极天线不同,它有一个可以用来隔离金属影响的金属底板;然而,由于金属的影响必须设计在其半波长共振,贴片天线的尺寸很大。
设计柔性RFID标签天线时,通常需要多种调谐机制来将标签的谐振频率调至所需的超高频RFID频段。天线的设计需要提供不同水平的粗调和精调的机制来现场调节标签的谐振频率。因此目前缺乏一种结构简单,外形灵活,成本低廉,调谐方便,且可用于复杂金属结构以及适合大批量生产的柔性UHF RFID标签。
发明内容
为了解决上述问题本发明提供了一种柔性抗金属RFID标签阻抗分析方法以及标签的设计方法。柔性抗金属RFID标签阻抗分析方法,是选定天线的类型后,通过理论公式,计算出标签各部分的尺寸。利用电磁仿真软件HFSS进行优化,然后确定所述标签的材料和最优参数;标签放到200×200×50mm3铝合金板上面,模拟谐振频率为912MHz时,天线的输入阻抗与芯片阻抗共轭匹配,表明在该特定频率下天线与芯片之间可以实现最大的功率传输。
利用上述方法设计的标签,有六层结构组成,包括:保护层、标签芯片、天线层、介质基板层、短路墙和金属底板。介质基板层由两层介质层贴合而成,其中,标签芯片和天线分别与第一介质层的上表面贴合,金属底板与第二介质层的下表面贴合,第一介质层与第二介质层进行粘合。
优选地,第一介质层为聚酰亚胺(PI),用来增强标签的鲁棒性和防止折叠时发生开裂。
优选地,第二介质层为软泡沫(PP-2),泡沫作为结构的支撑,使标签保持其形状。
优选地,第一介质层PI厚度为50μm,第二介质层PP-2厚度为1.25mm。
优选地,天线层的材料为铜,利用刻蚀工艺将天线复合在第一层介质层上,天线层的厚度为10μm。
优选地,标签芯片与天线通过导电胶连接。
优选地,标签还包括短路墙,天线层通过短路墙与金属底板连接。
优选地,标签还包括保护层油墨,用于防止标签天线层、金属底板、短路墙被氧化或腐蚀。
优选地,标签与金属构件利用不干胶粘接。
柔性抗金属UHF RFID标签验证方法是利用Tagformance检测系统,测量标签的性能参数。
本发明提供的柔性抗金属RFID标签阻抗分析方法,首先利用理论公式,计算出各部分适合的尺寸。利用HFSS软件进行尺寸优化,确定尺寸和材料。模拟过程中,通过改变天线的尺寸,进行谐振频点的粗调和精调;采用微带天线结构,有一个可以用来隔离导电表面影响的金属底板。天线和金属底板通过短路墙的方式连接,很好的解决了标签尺寸大的问题。双介质层的设计增强了标签的鲁棒性,不易发生开裂。标签具有较好的柔性,可以适合复杂的工作环境。天线的阻抗与芯片的阻抗共轭匹配,实现了高功率传输系数,阅读距离达到14m。本发明的柔性抗金属UHF RFID标签的设计简单、结构紧凑、弯曲性能好,不需要使用过孔、锯齿形边缘和弯曲的槽线进行频率调谐。标签可以用于金属平板、圆形件等产品的标识和跟踪,具有较广的生产适用性。
附图说明
图1为根据本发明一个优选实施例的柔性抗金属UHF RFID标签的结构示意图;
图2为根据本发明一个优选实施例的柔性抗金属UHF RFID标签的天线层的具体结构图;
图3为提出的柔性抗金属UHF RFID标签天线的等效电路;
图4为根据本发明一个优选实施例的柔性UHF RFID抗金属标签天线与AlienHiggs-3芯片共轭匹配时,回波损耗的仿真图形;
图5标签天线馈电端口阻抗设为(27+j201)Ω,频率为912MHz时,功率传输系数的仿真图形;
图6标签天线馈电端口阻抗设为(27+j201)Ω,频率为912MHz时,阅读距离的仿真图形;
其中:
1.保护层 2.标签芯片 3.天线层
4.介质基板层 41.第一介质层 42.第二介质层
5.短路墙 6.金属底板
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
图1为所提出的标签天线层的结构,看出有六层结构组成。该标签由上至下包括:保护层、标签芯片、天线层、介质基板层、短路墙和金属底板。图2为提出的标签天线层的结构,它有刻蚀掉的三个长方形结构的天线层(右侧)和一个正方形的金属底板(左侧)组成。天线层通过电感短路墙与金属底板相连。
为分析标签天线的阻抗特性,建立了标签天线的等效电路模型,如图3所示。天线层和金属接地板看作为平板电容器C1,计算公式为:
其中ε为基板的介电常数,A为辐射贴片的有效面积,h为基板的厚度。
天线层结构可以等效为电阻Ra、电感La和电容Ca。在考虑所有线段的情况下,天线层的总电感(La)为每个线段的自感和任意两个平行线段的互感之和,计算公式为:
其中,xr为自感线段的长度,yr为自感线段的宽度,tr为铜材料的厚度。
其中xp为互感线段的长度,D为互感线段的几何平均距离;天线层产生的电感La为:
天线层各段的耦合电容Ca计算公式为:
其中:
天线层的电阻(Ra)是损耗电阻(Rl)和辐射电阻(Rrad)之和,计算公式为;
其中:ρ为铜的电阻率,x为每个连接端的长度,Kc为电流拥挤因子,δ为铜的肌肤深度,t为铜的厚度,w为所求线段的长度。
wi1和wi2为所求线段的宽度,wa为天线的总宽度。
Ra=Rl+Rrad
短路墙可以等效为电阻Rr和电感Lr,计算公式为:
图3中等效电路模型的输入阻抗为:
当天线的阻抗与芯片的阻抗匹配时:
Zin=Zchip
由等效电路图和公式,计算出各结构尺寸,然后利用电磁仿真软件HFSS优化确定所述柔性抗金属UHF RFID标签天线的材料和最优参数。根据UHF RFID标签的计算和模拟优化后的尺寸,加工标签。其中,铜材料层压在厚度为50μm、介电常数为3.3、损耗正切角为0.003的61×40×0.05mm3聚酰亚胺膜的一侧,背面的铜在制造过程中被腐蚀掉。聚酰亚胺薄膜用来增强标签的鲁棒性和防止折叠时发生开裂。第二层为厚度1.25mm,介电常数为1.03、损耗正切角为0.0001的61×40×1.25mm3软泡沫(PP-2),其作为结构的支撑,使标签保持其形状。金属地板的铜材料层压在软泡沫一侧,厚度均为10μm,用来消除镜像电流的影响,提高标签的抗金属性能,然后将第一层和第二层进行粘合。短路墙为铜材料,体积为38×1.3×0.01mm3,起到连接天线层和金属接地板的作用。
标签设计中,使用了Alien Higgs-3芯片,其读取灵敏度为-20dBm。在912MHz下,芯片的输入阻抗为Zchip=(27+j201)Ω。利用HFSS仿真软件中的有限元法,通过固定L=60mm对所提出的标签天线的设计参数进行优化。优化器提供的优化设计参数具体尺寸(单位:mm)如下表所示。
参见图4,是标签天线馈电口阻抗设为(27+j201)Ω,标签的回波损耗仿真图形;观察到所提出的标签天线的输入阻抗在模拟谐振频率912MHz时与芯片阻抗共轭匹配,表明在该特定频率下天线与芯片之间可以实现最大的功率传输。
参见图5标签天线馈电端口阻抗设为(27+j201)Ω,标签的传输功率图;观察到所提出的标签天线与芯片共轭匹配,频率为912MHz时,功率传输系数达到0.99,说明设计的标签具有很好的传输性能。
参见图6标签天线馈电端口阻抗设为(27+j201)Ω,标签的阅读距离的仿真图形;观察到所提出的标签天线与芯片共轭匹配,频率为912MHz时,阅读距离达到14.6m,完全可以达到使用的要求。
柔性抗金属UHF RFID标签验证方法是利用Tagformance检测系统,测量标签的性能参数。Tagformance读写器的扫频范围从860MHz到960MHz,步长为1MHz。测试时将RFID标签放置于铝板中央。标签与Tagformance之间的距离保持在30cm,测得极限阅读距离为14m。
最后,本发明的方法仅为较佳的实施方案,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种柔性抗金属RFID标签天线,其特征在于,该标签由上至下包括:保护层、标签芯片、天线层、介质基板层、短路墙和金属底板,天线层通过电感短路墙与金属底板相连,天线层和金属接地板等效为平板电容器;天线层中各结构等效为电阻、电感和电容;短路墙等效为电阻和电感,影响天线阻抗;用一个等效电路来描述天线的阻抗特性,介质基板层由两层介质层贴合而成,其中,标签芯片和天线分别与第一介质层的上表面贴合,金属底板与第二介质层的下表面贴合,天线与金属底板通过金属短路墙连接,第一介质层为聚酰亚胺,第二介质层为软泡沫,然后将两种质层进行粘合,第一介质层PI厚度为50μm,第二介质层PP-2厚度为1.25mm;其中,所述短路墙等效为电阻和电感,计算公式为:
2.根据权利要求1所述的标签天线,其特征在于,标签还包括保护层油墨,用于防止标签天线层、金属底板、短路墙被氧化或腐蚀。
3.根据权利要求1所述的标签天线,其特征在于,所述标签芯片和天线层通过打线工艺绑定或导电胶固定。
4.根据权利要求1所述的标签天线,其特征在于,所述天线层的材料为铜,利用刻蚀工艺将所述天线复合在所述第一介质层聚酰亚胺上,所述天线层的厚度为10μm。
5.根据权利要求1所述的标签天线,其特征在于,所述金属底板层的材料为铜与铝合金板构件表面贴合。
6.根据权利要求1所述的标签天线,其特征在于,天线包覆有薄型透明材料,用于防止标签天线、金属底板、短路墙被氧化或腐蚀。
8.根据权利要求7所述的分析方法,其特征在于,利用电磁仿真软件HFSS进行优化,然后确定所述标签的材料和最优参数,标签放到200×200×50 mm3铝合金板上面,模拟谐振频率为912 MHz时,天线的输入阻抗与芯片阻抗共轭匹配,表明在该特定模拟谐振频率下天线与芯片之间能够实现最大的功率传输。
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