CN112164861B - 一种小型化折叠式超高频抗金属抗液体标签天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化折叠式超高频抗金属抗液体标签天线，包括上层介质基板、蚀刻在上层介质基板正面的天线辐射单元、下层介质基板、蚀刻在下层介质基板正面的U型阻抗匹配结构、蚀刻在下层介质基板反面的金属地板、第一金属短接线、第二金属短接线和标签芯片，天线辐射单元包括外圈辐射贴片和内圈馈电环，内圈馈电环的一端与外圈辐射贴片连接，另一端通过标签芯片与外圈辐射贴片连接；外圈辐射贴片的一端通过第一金属短接线与金属地板连接，另一端通过第二金属短接线与U型阻抗匹配结构连接；上层介质基板和下层介质基板之间设置有隔离层。本发明实现了标签天线小型化，达到与标签芯片阻抗匹配的目的，达到抗金属、抗液体的目的。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术，特别是涉及一种小型化折叠式超高频抗金属抗液体标签天线。
背景技术
射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)，是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，其原理为阅读器与标签天线之间进行非接触式的数据通信，读写器天线发出电磁波，标签天线从电磁波中接收能量，标签芯片在获得足够能量后被激活，当标签芯片被激活后，芯片阻抗也会发生变化，散射出不同强度的信号，完成信号的反向散射调制，以达到识别目标和交换数据的目的。
标签天线主要分为：线圈型、偶极子、缝隙(包括微带贴片)型。线圈型天线是将金属线盘绕成平面或将金属线缠绕在磁心上；偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈人，天线的长度决定频率范围；缝隙型天线是由金属表面切出的凹槽构成，其中微带贴片天线由一块末端带有长方形的电路板构成，长方形的长宽决定频率范围。
传统的RFID标签天线被贴于具有金属表面的对象(如汽车车牌、油井钻头)时，标签天线的方向特性、阻抗特性、增益、带宽以及谐振频率都会发生改变。而物联网的管理对象包罗万象，其形状、大小、表面材料、应用环境等各不相同，当传统标签天线放置在金属表面时，标签收到由读写器发出的入射波和由地板反射的反射波相位相差180°，入射波反射波能量相互抵消，标签无法获取到最小启动功率的能量，产生无法被识别的情况。当RFID标签天线贴在装有液体的商品瓶(如矿泉水瓶、啤酒瓶、饮料瓶)上时，由于瓶子内液体(水)的导电性，能够影响电磁波的传导，引起天线端口的阻抗变化，不利于与RFID标签芯片实现共轭匹配，会对标签的读取产生很大不利的影响。
标签天线是一种特殊的天线，对标签天线而言在设计时，除要考虑一般天线所要求的基本参数，在设计时还有其特殊性。一般的天线是通过50Ω或者75Ω的同轴线实现馈电，所以设计的天线要与同轴线端口阻抗匹配；标签天线也需要实现阻抗匹配，但是要求标签天线与电子芯片的输入阻抗，而且不同芯片的输入阻抗有很大差别，阻抗随频率也会变化。Za＝Ra+jXa为标签天线的输入阻抗，Zc＝Rc+jXc为标签芯片的输入阻抗，不同于普通天线的设计，由于标签芯片的输出阻抗具有电抗分量，根据功率传输理论，为了实现能量的最大传递，需要标签天线的输入阻抗与芯片的阻抗共轭匹配，即Za *＝Zc。由于成本和体积的限制，标签天线与标签芯片的阻抗匹配不能通过建立匹配网络或电路来实现，而需要通过标签天线结构的合理设计来实现。
射频识别系统的标签天线是自动识别的一种，拥有管阔的市场前景。但是，传统标签天线存在放置在金属或者液体表面产生识别距离短，甚至无法识别的不足。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于蛇形线和U型阻抗匹配结构的小型化折叠式的超高频抗金属、抗液体标签天线。
技术方案：本发明的小型化折叠式超高频抗金属抗液体标签天线，包括上层介质基板、天线辐射单元、下层介质基板、U型阻抗匹配结构、金属地板、第一金属短接线、第二金属短接线和标签芯片，其中，天线辐射单元蚀刻在上层介质基板正面，包括外圈辐射贴片和内圈馈电环，内圈馈电环的一端与外圈辐射贴片连接，另一端通过标签芯片与外圈辐射贴片连接；U型阻抗匹配结构蚀刻在下层介质基板正面，金属地板蚀刻在下层介质基板反面，外圈辐射贴片的一端通过第一金属短接线与金属地板连接，外圈辐射贴片的另一端通过第二金属短接线与U型阻抗匹配结构连接；上层介质基板和下层介质基板之间设置有隔离层。馈电环的宽度直接影响天线表面电流密度。
优选的，外圈辐射贴片包括首尾依次相连的第一辐射贴片、第二辐射贴片和蛇形弯折线辐射贴片，蛇形弯折线辐射贴片通过第二短接线与U型阻抗匹配结构相连，金属地板通过第一短接线与第二辐射贴片相连。
优选的，第一辐射贴片和第二辐射贴片为矩形结构。
优选的，蛇形弯折线辐射贴片的弯折高度设置在1mm至14mm范围内，以实现所述射频识别标签天线工作在UHF超高频波段。采用蛇形弯折线的设计，有效增加了标签天线表面的电长度，能够缩减标签天线尺寸，有利于小型化的设计。
优选的，上层介质基板和下层介质基板之间的隔离层为泡沫隔板。
优选的，第一短接线的宽度即短接线与外圈辐射贴片相连的长度，设置在1mm至15mm范围内，以实现所述射频识别标签天线工作在UHF超高频段，标签天线的谐振频点约在920MHz。金属短接线所附着介质板的厚度较薄，便于对标签天线进行折叠，采用折叠式的方法能够使天线表面尺寸缩减1/2以上，从而实现小型化。采用折叠式的方法，也同时增加了标签天线到所放置金属、液体表面的距离，减小由金属液体产生的反向电磁波对标签天线的影响，从而达到抗金属、抗液体的目的。
优选的，U型阻抗匹配结构的线宽设置在1mm至8mm范围内，U型阻抗匹配结构的宽度设置在1mm至于40mm范围内，通过调节U型阻抗匹配结构的线宽和宽度，以调节该标签天线输入阻抗的实部和虚部，从而精确调节该射频识别标签天线的输入阻抗，以实现标签天线与标签芯片之间的阻抗匹配。
有益效果：与现有技术相比，本发明通过调整蛇形弯折线的弯折程度，增大标签天线表面的电长度，侧面增加短接线对标签天线进行折叠，从而有效缩减天线表面尺寸，有利于小型化的设计；通过调节U型阻抗匹配结构的线宽和宽度可以调节所述抗金属、抗液体射频识别标签天线的输入阻抗的实部和虚部，从而可以精确控制所述抗金属、抗液体射频识别标签天线的输入阻抗。本发明天线通过焊接技术将集成电路板与标签芯片连接在一起，主要工作在UHF超高频波段，其在交通、物流、生产防伪、门禁安全等方面运用广泛。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的RFID标签天线结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的RFID标签天线分层结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的RFID标签天线的上层结构正视图；
图4为本发明一实施例提供的RFID标签天线的下层结构正视图；
图5为本发明一实施例提供的RFID标签天线侧视图；
图6为图1所示的RFID标签天线放置在金属表面的辐射方向图；
图7为图1所示的RFID标签天线放置在不同大小金属表面的回波损耗图；
图8为图1所示的RFID标签天线放置在液体表面的辐射方向图；
图9为图1所示的RFID标签天线放置在不同大小液体表面的回波损耗图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1至图5所示，本实施提供的RFID标签天线包括双层介质基板1、蚀刻在上层介质基板正面的天线辐射单元2和标签芯片8、下层介质基板3、蚀刻在下层介质基板正面的U型阻抗匹配结构4和蚀刻在下层介质基板背面的金属地板5、连接上下层结构的第一金属短接线6和第二金属短接线7。上层天线辐射单元采用双环结构设计，包括外圈辐射贴片21和内圈馈电环22，外圈辐射贴片包括首尾依次相连的第一辐射贴片210、第二辐射贴片211和蛇形弯折线辐射贴片212；所述内圈馈电环的一端设有一缺口，该缺口两侧形成两个用于连接射频识别芯片的接触点，用于放置与标签天线阻抗匹配的标签芯片；且内圈馈电环的一端与第一辐射贴片连接，另一端通过标签芯片与第一辐射贴片连接；所述蛇形弯折线辐射贴片的自由端通过第二金属短接线与下层U型阻抗匹配结构连接；所述金属地板通过第一金属短接线与上层第二辐射贴片连接；上层介质基板和下层介质基板之间设置有隔离层。
其中，天线辐射单元、U型阻抗匹配结构、金属地板、第一金属短接线和第二金属短接线为导电结构，其材质可以是，但是不限于铝、铜等金属或者导电浆料等等；所述上层介质基板和下层介质基板是天线辐射单元以及U型阻抗匹配结构和金属地板的载体，其主要作用是支撑天线辐射单元以及U型阻抗匹配结构和金属地板，其材料可以是FR4等非导电介质材料；所述隔离层，其主要作用是控制上、下层介质基板的距离，即控制金属、液体表面到天线辐射单元的距离，其材质可以是泡沫等相对介电常数接近于空气介电常数的材料。隔离层为泡沫隔板时，泡沫隔板的材料为pp4泡沫板，或直接为空气层。利用泡沫填充物，增加上层标签天线到放置金属表面的距离，调整上层标签天线到放置金属表面的距离为0.25λ0(真空中的工作波长)左右，既可以使金属反射电磁波与工作电磁波同向叠加，减小金属反射电磁波，使金属表面能量被抵消而导致标签天线不能获得足够的能量激活标签芯片，还可以减小金属或者液体表面对天线阻抗的影响，从而达到抗金属、抗液体的目的。
天线辐射单元采用双环结构设计，外环作为辐射单元，内环作为馈电环；包括第一矩形辐射贴片、第二矩形辐射贴片、蛇形弯折线辐射贴片以及向辐射贴片馈电的馈电环，馈电环的线宽直接影响天线表面电流密度。在较佳实施例中，所述矩形辐射贴片不限于矩形结构。
本实施例通过调整蛇形弯折线辐射贴片的弯折线高度，可以调整天线表面的有效电长度，有效缩减该标签天线的尺寸，达到小型化的目的，也可以调节标签天线的谐振频率在920MHz左右，使该标签天线工作在超高频段内。所述蛇形弯折线辐射贴片的弯折高度设置在1mm至14mm范围内，以实现所述射频识别标签天线工作在UHF超高频波段。
馈电环为环状的导电路径，馈电环的线宽直接影响该标签天线表面电流密度。在靠近第一矩形辐射贴片的一侧有一个缺口，在缺口两侧，馈电环形成两个接触点，用于连接射频识别芯片(标签芯片)的两个端口。本实施例通过调整连接标签芯片一侧的馈电环的线宽可以调节馈电环表面电流密度，从而可以调节标签天线的谐振频率。
所述第一金属短接线和第二金属短接线可弯折，对该标签天线进行折叠处理，直接缩减天线表面尺寸，达到小型化。所述第一金属短接线和第二金属短接线的宽度增大了天线到放置金属、液体表面的距离，减小了金属和液体反射的电磁波对天线的影响，增强了该标签天线抗金属抗液体的效果。
所述U型阻抗匹配结构通过第二金属短接线与蛇形弯折线辐射贴片相连。本实施例通过调节所述U型阻抗匹配结构的线宽d和宽度D，可以调节该射频识别标签天线的输入阻抗的实部和虚部，利用这一特点可以精确控制所述抗金属、抗液体标签天线的输入阻抗，从而达到与所用标签芯片阻抗匹配的目的。
所述第一金属短接线的宽度即短接线与矩形辐射贴片相连的长度，设置在1mm至15mm范围内，以实现所述射频识别标签天线工作在UHF超高频段，标签天线的谐振频点约在920MHz。第一金属短接线和第二金属短接线所附着介质板的厚度较薄，便于对标签天线进行折叠，采用折叠式的方法能够使天线表面尺寸缩减1/2以上，从而实现小型化。采用折叠式的方法，也同时增加了标签天线到所放置金属、液体表面的距离，减小由金属液体产生的反向电磁波对标签天线的影响，从而达到抗金属、抗液体的目的。
所述U型阻抗匹配结构的线宽d，设置在1mm至8mm范围内，宽度D设置在1mm至于40mm范围内，通过调节U型阻抗匹配结构的线宽d和宽度D，可以调节该标签天线输入阻抗的实部和虚部，从而精确调节该射频识别标签天线的输入阻抗，以实现所述标签天线与所述标签芯片之间的阻抗匹配。
如图6和图8所示，分别为该标签天线放置在直径为100mm的金属板和装有液体的圆柱体塑料瓶时的2D辐射方向图。从图中可以看出辐射波瓣宽度较宽，该标签天线放置在金属或者液体表面都可以在较大的角度空间被识别。当放置在金属表面相比于放置在液体表面时，天线增益较大，因此天线放置在金属表面阅读距离较远。
如图7所示，为标签天线分别放置在自由空间与放置在不同大小金属表面的S11。可以看出，当标签天线从自由空间移动到面积较小(d＝100mm)的金属表面时，标签天线的谐振频点向高频偏移了1.5MHz，当放置在面积较大(d＝300mm)的金属表面时，谐振频点向高频偏移了13MHz，频偏较小，带宽基本不变，都能保证在超高频段内工作，说明该标签天线具有较好的抗金属性。如图9所示，为该标签天线放置在不同大小的液体表面的S11。可以看出，谐振频点偏移较小，带宽基本不变，都能保证在超高频段内工作，具有较好的抗液体性。
本发明标签天线通过折叠增大天线表面到放置金属、液体层的距离，背面增加金属地板的方法实现抗金属、抗液体；通过U型阻抗匹配结构，可以调节该射频识别标签天线的输入阻抗的实部和虚部，从而精确调节该射频识别标签天线的输入阻抗，达到与标签芯片阻抗匹配的目的。本发明标签天线基于蛇形线和U型阻抗匹配结构，采用折叠的方法，具有小型化、折叠式、抗金属、抗液体的优势，所提出的U型阻抗匹配结构大幅降低加工复杂度，为工程实现降低了成本和复杂度。
Claims (6)
1.一种小型化折叠式超高频抗金属抗液体标签天线，其特征在于，包括上层介质基板（1）、天线辐射单元（2）、下层介质基板（3）、U型阻抗匹配结构（4）、金属地板（5）、第一金属短接线（6）、第二金属短接线（7）和标签芯片（8），其中，天线辐射单元蚀刻在上层介质基板正面，包括外圈辐射贴片（21）和内圈馈电环（22），内圈馈电环的一端与外圈辐射贴片连接，另一端通过标签芯片与外圈辐射贴片连接；U型阻抗匹配结构蚀刻在下层介质基板正面，金属地板蚀刻在下层介质基板反面，外圈辐射贴片通过第一金属短接线与金属地板连接，外圈辐射贴片通过第二金属短接线与U型阻抗匹配结构连接；上层介质基板和下层介质基板之间设置有隔离层；
外圈辐射贴片包括首尾依次相连的第一辐射贴片（210）、第二辐射贴片（211）和蛇形弯折线辐射贴片（212），蛇形弯折线辐射贴片的自由端通过第二金属短接线与U型阻抗匹配结构相连，金属地板通过第一金属短接线与第二辐射贴片相连；
通过调节U型阻抗匹配结构的线宽和宽度，以调节该标签天线输入阻抗的实部和虚部，从而精确调节该标签天线的输入阻抗，以实现标签天线与标签芯片之间的阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的小型化折叠式超高频抗金属抗液体标签天线，其特征在于，第一辐射贴片和第二辐射贴片为矩形结构。
3.根据权利要求1所述的小型化折叠式超高频抗金属抗液体标签天线，其特征在于，蛇形弯折线辐射贴片的弯折高度设置在1mm至14mm范围内。
4.根据权利要求1所述的小型化折叠式超高频抗金属抗液体标签天线，其特征在于，上层介质基板和下层介质基板之间的隔离层为泡沫隔板。
5.根据权利要求1所述的小型化折叠式超高频抗金属抗液体标签天线，其特征在于，第一金属短接线的宽度即第一金属短接线与外圈辐射贴片相连的长度，设置在1mm至15mm范围内。
6.根据权利要求1所述的小型化折叠式超高频抗金属抗液体标签天线，其特征在于，U型阻抗匹配结构的线宽设置在1mm至8mm范围内，U型阻抗匹配结构的宽度设置在1mm至40mm范围内。
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| JP2005025514A (ja) * | 2003-07-02 | 2005-01-27 | Fcm Kk | アンテナ内蔵非接触型ｉｃカード用の導電性シートおよびアンテナ内蔵非接触型ｉｃカード |
| CN103477497A (zh) * | 2011-04-07 | 2013-12-25 | 富士通株式会社 | 金属用薄片和标签集 |
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