CN112928455B - 一种超材料rfid标签天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超材料RFID标签天线，其特征在于，包括若干第一超材料单元和第二超材料单元；每一第一超材料单元均包括第一基板，每一第一基板的顶部中心均刻蚀有对应第一十字单元、每一第一十字单元的外侧均刻蚀有对应第一谐振环构成对应第一超材料单元，若干第一超材料单元依次横向连接并固定设置在折叠偶极子天线的一侧；每一第二超材料单元均包括第二基板，每一第二基板的顶部中心均刻蚀有对应第二十字单元、每一第二十字单元的外侧均刻蚀有对应第二谐振环构成对应第二超材料单元，若干第二超材料单元依次横向连接并固定设置在折叠偶极子天线的另一侧，本发明可广泛用于超材料加载领域中。

Description

一种超材料RFID标签天线
技术领域
本发明是关于一种超材料RFID(radiation frequency identification，射频识别)标签天线，属于超材料加载领域。
背景技术
随着5G通信和物联网的发展，射频识别作为一种通过射频信号空间耦合实现非接触式自动识别的方法，被广泛应用于医药、军事和民用领域中。基本的RFID系统包括读写器、天线和芯片三部分，在RFID信息读写过程中，天线起着重要的作用。随着智慧交通、智慧城市等智慧产业的出现，对于高性能RFID天线的需求日益增长。RFID天线分为两种，一种是读写器天线，一种是标签天线，两种天线的工作频率和增益决定RFID系统的工作频率及读取距离，提高天线性能最主要的方面就是提升天线增益。超材料是一种能够显示出自然材料所不具备的特殊物理性质的人工设计结构，因其能实现负介电常数和负磁导率，又被称作“左手材料”。特定介电常数的低损耗介质材料可以存储电磁波能量，正是利用这一原理，在天线的周围加载超材料可以相对改变辐射特性，从而达到波束收敛的效果，在将波束收敛的同时，可以增大天线辐射增益，从而提高天线辐射效率。
目前，常用超材料提升标签天线增益的方式有两种：一种是作为“反射板”朝特定方向反射电磁能量从而改善天线性能；另一种是在天线上直接加载超材料结构，通过改善天线中的电流分布来提高天线增益。超材料加载方法是改善天线性能的重要手段。
然而，现有的超材料“反射阵列”加载方式，不可避免地会增大天线的整体剖面，这与标签天线所要求的低剖面相悖；现有直接在天线上加载超材料的方式，增益明显提升时，超材料加载天线整体尺寸过大，这与一张“IC”卡尺寸差别较大；超材料加载后尺寸在“IC”卡大小范围内时，增益性能改善不明显。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种尺寸小且增益性能改善明显的超材料RFID标签天线。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种超材料RFID标签天线，包括若干第一超材料单元和第二超材料单元；
每一所述第一超材料单元均包括第一基板，每一所述第一基板的顶部中心均刻蚀有对应第一十字单元、每一所述第一十字单元的外侧均刻蚀有对应第一谐振环构成对应所述第一超材料单元，若干所述第一超材料单元依次横向连接并固定设置在折叠偶极子天线的一侧；
每一所述第二超材料单元均包括第二基板，每一所述第二基板的顶部中心均刻蚀有对应第二十字单元、每一所述第二十字单元的外侧均刻蚀有对应第二谐振环构成对应所述第二超材料单元，若干所述第二超材料单元依次横向连接并固定设置在所述折叠偶极子天线的另一侧；
所述第一谐振环和第二谐振环均为同心圆开口结构，每一所述第一谐振环的开口均位于远离所述折叠偶极子天线的一侧，每一所述第二谐振环的开口均位于靠近所述折叠偶极子天线的一侧。
进一步地，每一所述第一十字单元和第二十字单元上均刻蚀有对应圆环构成凯尔特十字结构。
进一步地，每一所述第一谐振环和第二谐振环均包括两个同心圆，每一所述第一谐振环和第二谐振环位于外侧的同心圆均设置有所述开口。
进一步地，每一所述第一谐振环的圆心均与对应所述第一十字单元的中心重合，每一所述第二谐振环的圆心均与对应所述第二十字单元的中心重合。
进一步地，每一所述第一基板和第二基板均采用非金属介质基板，每一所述第一基板和第二基板的顶部均设置有铜质材料的涂层。
进一步地，每一所述第一基板和第二基板的介电常数均为3.5。
进一步地，每一所述第一谐振环和第二谐振环的外圆环的最大直径均为23mm，由外到内的直径依次为23mm、21.6mm、19.85mm和18.45mm；每一所述第一谐振环和第二谐振环的外圆环和内圆环的宽度均为0.7mm；每一所述第一谐振环和第二谐振环的外圆环和内圆环之间的距离均为0.87mm。
进一步地，每一所述第一十字单元和第二十字单元的每一枝节长度均为13mm，宽度均为2mm。
进一步地，每一所述圆环的宽度均为1mm。
进一步地，所述折叠偶极子天线的中心刻蚀的偶极子金属长度为32mm、宽为2.9mm，刻蚀部分长为28mm、宽为0.4mm。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明基于传统超材料加载，将两种镶边十字超材料直接加载到折叠偶极子天线上，相较于其他现有超材料的直接加载方式，通过优化镶边谐振环和十字单元参数，在达到相同半功率波束宽度的同时，有着尺寸小、剖面低，增益大以及柔性大的优点，能够在折叠偶极子天线的工作频带内增强天线辐射方向性。
2、本发明由于设置有第一超材料单元和第二超材料单元，两种超材料单元均由中心的十字结构以及外围的同心圆开口结构的谐振环构成，区别在于谐振环的劣环位置不同，电磁波辐射发生在介质交界处，由于此结构有效介电常数变化面积大，能够有效改善天线效率。
3、本发明增多了电磁波在介质表面传播路径，增加电流路径，可以更好地提高天线的实际增益，提高天线效率，可以广泛应用于超材料加载领域中。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的超材料RFID标签天线的结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的超材料单元的俯视图，其中，图2(a)为第一超材料单元的俯视图，图2(b)为第二超材料单元的俯视图；
图3是本发明实施例1提供的超材料单元的侧视图；
图4是本发明实施例1提供的超材料RFID标签天线的S参数仿真结果示意图；
图5是本发明实施例1提供的超材料RFID标签天线的功率传输系数(τ)示意图；
图6是本发明实施例1提供的超材料RFID标签天线的E面、H面辐射方向以及实际增益示意图，其中，图6(a)为E面、H面辐射方向示意图，图6(b)为实际增益示意图；
图7是本发明实施例1提供的超材料RFID标签天线的不同输入功率下E面、H面可读取范围示意图，其中，图7(a)为输入功率为2W时的E面、H面可读取范围示意图，图7(b)为输入功率为4W时的E面、H面可读取范围示意图；
图8是本发明实施例2提供的超材料RFID标签天线的结构示意图；
图9是本发明实施例2提供的超材料单元的俯视图，其中，图9(a)为第三超材料单元的俯视图，图9(b)为第四超材料单元的俯视图；
图10是本发明实施例2提供的超材料RFID标签天线的S参数仿真结果示意图；
图11是本发明实施例2提供的超材料RFID标签天线的功率传输系数(τ)示意图；
图12是本发明实施例2提供的超材料RFID标签天线的E面、H面辐射方向以及实际增益示意图，其中，图12(a)为E面、H面辐射方向示意图，图12(b)为实际增益示意图；
图13是本发明实施例2提供的超材料RFID标签天线的不同输入功率下E面、H面可读取范围示意图，其中，图13(a)为输入功率为2W时的E面、H面可读取范围示意图，图13(b)为输入功率为4W时的E面、H面可读取范围示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明实施例提供的超材料RFID标签天线，将两种镶边十字超材料直接加载到折叠偶极子天线上，通过优化镶边谐振环和十字单元参数，在达到相同半功率波束宽度的同时，能够在工作频带内增强天线辐射方向性。
实施例1
如图1至图2所示，本发明提供一种超材料RFID标签天线，包括若干第一超材料单元1和第二超材料单元2，其中，每一第一超材料单元1均包括第一基板11、第一十字单元12和第一谐振环13，每一第二超材料单元2均包括第二基板21、第二十字单元22和第二谐振环23，每一第一谐振环13和第二谐振环23均为同心圆开口结构。
每一第一基板11的顶部中心均刻蚀有对应第一十字单元12、每一第一十字单元12的外侧均刻蚀有对应第一谐振环13构成对应第一超材料单元1。
每一第二基板21的顶部中心均刻蚀有对应第二十字单元22、每一第二十字单元22的外侧均刻蚀有对应第二谐振环23构成对应第二超材料单元2。
若干第一超材料单元1依次横向连接并固定设置在折叠偶极子天线3的一侧，若干第二超材料单元2依次横向连接并固定设置在折叠偶极子天线3的另一侧，每一第一谐振环13的开口均位于远离折叠偶极子天线3的一侧，每一第二谐振环23的开口均位于靠近折叠偶极子天线3的一侧。
在一个优选的实施例中，如图3所示，每一第一基板11和第二基板21均采用非金属介质基板，每一第一基板11和第二基板21的顶部均设置有铜质材料的涂层，每一第一基板11和第二基板21的介电常数均可以为3.5。
在一个优选的实施例中，每一第一谐振环13和第二谐振环23均包括两个同心圆，每一第一谐振环13和第二谐振环23位于外侧的同心圆均设置有开口，每一第一谐振环13的开口均位于远离折叠偶极子天线3的一侧，每一第二谐振环23的开口位于靠近折叠偶极子天线3的一侧。
在一个优选的实施例中，每一第一谐振环13的圆心均与对应第一十字单元12的中心重合；每一第二谐振环23的圆心均与对应第二十字单元22的中心重合。
在一个优选的实施例中，每一第一谐振环13和第二谐振环23的外圆环的最大直径均可以为23mm，由外到内的直径依次为23mm、21.6mm、19.85mm和18.45mm。每一第一谐振环13和第二谐振环23的外圆环和内圆环的宽度均可以为0.7mm，每一第一谐振环13和第二谐振环23的外圆环和内圆环之间的距离均可以为0.87mm；每一第一十字单元12和第二十字单元22的每一枝节长度均可以为13mm，宽度均可以为2mm。经验证，该结构能够在一定程度上有效增强折叠偶极子天线的远场增益，提高折叠偶极子天线效率。与光学类似，电磁能量辐射发生在介质交界处，由于加载超材料单元后能够改变折叠偶极子天线中的电流路径，增大有效介质突变长度，从而能改善折叠偶极子天线增益情况。
在一个优选的实施例中，本实施例超材料RFID标签天线的工作频带为908MHz～927MHz。
在一个优选的实施例中，本实施例超材料RFID标签天线的整体长度为97mm，整体宽度为57mm，整体剖面为0.5mm。经验证，本发明的超材料标签天线与同尺寸其他标签天线相比，可以实现更高天线增益，柔性更强。
在一个优选的实施例中，折叠偶极子天线3的中心刻蚀的简单偶极子金属长度为32mm、宽为2.9mm，刻蚀部分长为28mm、宽为0.4mm。偶极子金属上设置有芯片，芯片作为馈源，在本实施例超材料RFID标签天线的最佳工作频率916.7MHz处芯片的阻抗约为11.99+j*119.36Ω，其中，j为虚数单位。
本实施例在使用时，将第一超材料单元1和第二超材料单元2分别组成超材料阵例如1*4，并分别加载在折叠偶极子天线3的顶部和底部即可。下面通过具体实施例详细说明本实施例的镶边十字超材料RFID标签天线：
如图4所示，为本实施例的镶边十字超材料RFID标签天线的S11仿真结果，如图5所示，为实施例的镶边十字超材料RFID标签天线的波束宽度、方向性大小、实际增益，分别为184°、4.86dBi、3.92dBi。通过实际增益和方向性仿真结果能够计算得到本实施例的镶边十字超材料RFID标签天线的效率可达80.5％，功率传输系数在工作频点处高达99.97％。本实施例的镶边十字超材料RFID标签天线的可读取距离范围如图6和图7所示，输入功率为2W时，E面最远可达25.8米，H面最远可达17.7米；输入功率为4W时，E面最远可读取距离为36.5米，H面最远可读25米，其中，E面为电场和最大辐射方向所在的平面，H面为磁场和最大辐射方向所在的平面。
实施例2
本实施例与实施例1的结构基本相同，包括两种超材料单元，每种超材料单元均包括基板、十字单元和谐振环，每种谐振环均为同心圆开口结构，不同的是本实施例的两种超材料单元均还包括对应的圆环，每一圆环均刻蚀在对应十字单元上构成对应凯尔特十字单元，如图8至图9所示，本实施例提供一种超材料RFID标签天线，包括若干第三超材料单元4和第四超材料单元5，其中，第三超材料单元4均包括第三基板41、第一凯尔特十字单元42和第三谐振环43，每一第四超材料单元5均包括第四基板51、第二凯尔特十字单元52和第四谐振环53，第三谐振环43和第四谐振环53均为同心圆开口结构。
每一第三基板41的顶部中心均刻蚀有对应第一凯尔特十字单元42、每一第一凯尔特十字单元42的外侧均刻蚀有对应第三谐振环43构成对应第三超材料单元4。
每一第四基板51的顶部中心均刻蚀有对应第二凯尔特十字单元52、第二凯尔特十字单元452的外侧均刻蚀有对应第四谐振环53构成对应第四超材料单元5。
若干第三超材料单元4依次横向连接并固定设置在折叠偶极子天线3的一侧，若干第四超材料单元5依次横向连接并固定设置在折叠偶极子天线3的另一侧，每一第三谐振环43的开口均位于远离折叠偶极子天线3的一侧，每一第四谐振环53的开口均位于靠近折叠偶极子天线3的一侧。
在一个优选的实施例中，每一第一凯尔特十字单元42和第二凯尔特十字单元52均包括第三十字单元421和圆环422，每一第三十字单元421均刻蚀在对应第三基板41或第四基板51的顶部中心，每一第三十字单元421上均刻蚀有对应圆环422构成凯尔特十字结构，即每一第三十字单元421的中心与对应圆环422的圆心重合。
在一个优选的实施例中，每一第三基板41和第四基板51均采用非金属介质基板，每一第三基板41和第四基板51的顶部均设置有铜质材料的涂层，每一第三基板41和第四基板51的介电常数均可以为3.5。
在一个优选的实施例中，每一第三谐振环43和第四谐振环53均包括两个同心圆，每一第三谐振环43和第四谐振环53位于外侧的同心圆均设置有开口，每一第三谐振环43的开口均位于远离折叠偶极子天线3的一侧，每一第四谐振环53的开口位于靠近折叠偶极子天线3的一侧。
在一个优选的实施例中，每一第三谐振环43的圆心均与对应第一凯尔特十字单元42的中心重合；每一第四谐振环53的圆心均与对应第二凯尔特十字单元52的中心重合。
在一个优选的实施例中，每一第三谐振环43和第四谐振环53的外圆环的最大直径均可以为23mm，由外到内的直径依次为23mm、21.6mm、19.85mm和18.45mm。每一第三谐振环43和第四谐振环53的外圆环和内圆环的宽度均可以为0.7mm，每一第一谐振环13和第二谐振环23的外圆环和内圆环之间的距离均可以为0.87mm；每一圆环422的宽度均可以为1mm、每一第三十字单元421的每个枝节长度均可以为13mm、宽度均可以为2mm。
在一个优选的实施例中，本实施例超材料RFID标签天线的工作频带为910MHz～928MHz。
在一个优选的实施例中，本实施例超材料RFID标签天线的整体长度为95.3mm，整体宽度为57mm，整体剖面为0.5mm。经验证，本发明的超材料标签天线与同尺寸其他标签天线相比，可以实现更高天线增益，柔性更强。
在一个优选的实施例中，折叠偶极子天线3的中心刻蚀的简单偶极子金属长度为32mm、宽为2.9mm，刻蚀部分长为28mm、宽为0.4mm。偶极子金属上设置有芯片，芯片作为馈源，在本实施例超材料RFID标签天线的最佳工作频率919MHz处芯片的阻抗约为11.95+j*119.03Ω。
本实施例在使用时，将第三超材料单元4和第四超材料单元5分别组成超材料阵例如1*4，并分别加载在折叠偶极子天线3的顶部和底部即可。下面通过具体实施例详细说明本实施例的镶边十字超材料RFID标签天线：
如图10所示，为本实施例的镶边十字超材料RFID标签天线的S11仿真结果，如图11所示，为实施例的镶边十字超材料RFID标签天线的波束宽度、方向性大小、实际增益，分别为182°、4.59dBi、4.07dBi。通过实际增益和方向性仿真结果能够计算得到本实施例的镶边十字超材料RFID标签天线的总效率可达88.72％，功率传输系数在工作频点处高达100％。本实施例的镶边十字超材料RFID标签天线的可读取距离范围如图12和图13所示，输入功率为2W时，E面最远可达26.2米，H面最远可达18.8米；输入功率为4W时，E面最远可读取距离为37.1米，H面最远可读26.6米。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种超材料RFID标签天线，其特征在于，包括若干第一超材料单元和第二超材料单元；
每一所述第一超材料单元均包括第一基板，每一所述第一基板的顶部中心均刻蚀有对应第一十字单元、每一所述第一十字单元的外侧均刻蚀有对应第一谐振环构成对应所述第一超材料单元，若干所述第一超材料单元依次横向连接并固定设置在折叠偶极子天线的一侧；
每一所述第二超材料单元均包括第二基板，每一所述第二基板的顶部中心均刻蚀有对应第二十字单元、每一所述第二十字单元的外侧均刻蚀有对应第二谐振环构成对应所述第二超材料单元，若干所述第二超材料单元依次横向连接并固定设置在所述折叠偶极子天线的另一侧；
所述第一谐振环和第二谐振环均为同心圆开口结构，每一所述第一谐振环的开口均位于远离所述折叠偶极子天线的一侧，每一所述第二谐振环的开口均位于靠近所述折叠偶极子天线的一侧。
2.如权利要求1所述的一种超材料RFID标签天线，其特征在于，每一所述第一十字单元和第二十字单元上均刻蚀有对应圆环构成凯尔特十字结构。
3.如权利要求1或2所述的一种超材料RFID标签天线，其特征在于，每一所述第一谐振环和第二谐振环均包括两个同心圆，每一所述第一谐振环和第二谐振环位于外侧的同心圆均设置有所述开口。
4.如权利要求3所述的一种超材料RFID标签天线，其特征在于，每一所述第一谐振环的圆心均与对应所述第一十字单元的中心重合，每一所述第二谐振环的圆心均与对应所述第二十字单元的中心重合。
5.如权利要求1或2所述的一种超材料RFID标签天线，其特征在于，每一所述第一基板和第二基板均采用非金属介质基板，每一所述第一基板和第二基板的顶部均设置有铜质材料的涂层。
6.如权利要求5所述的一种超材料RFID标签天线，其特征在于，每一所述第一基板和第二基板的介电常数均为3.5。
7.如权利要求1或2所述的一种超材料RFID标签天线，其特征在于，每一所述第一谐振环和第二谐振环的外圆环的最大直径均为23mm，由外到内的直径依次为23mm、21.6mm、19.85mm和18.45mm；每一所述第一谐振环和第二谐振环的外圆环和内圆环的宽度均为0.7mm；每一所述第一谐振环和第二谐振环的外圆环和内圆环之间的距离均为0.87mm。
8.如权利要求1或2所述的一种超材料RFID标签天线，其特征在于，每一所述第一十字单元和第二十字单元的每一枝节长度均为13mm，宽度均为2mm。
9.如权利要求2所述的一种超材料RFID标签天线，其特征在于，每一所述圆环的宽度均为1mm。
10.如权利要求1或2所述的一种超材料RFID标签天线，其特征在于，所述折叠偶极子天线的中心刻蚀的偶极子金属长度为32mm、宽为2.9mm，刻蚀部分长为28mm、宽为0.4mm。
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