CN116646704A - 一种应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线，属于射频识别技术领域。包括天线辐射导体结构和标签芯片，为一个对称的类偶极子天线；天线辐射导体结构包括一对辐射导体，每个辐射导体由弓型馈线、卧式S型辐射臂和螺旋馈电环依次串联构成，且为平面结构；弓型馈线从上至下由七根馈线依次连接构成；卧式S型辐射臂由五根辐射臂依次连接构成；螺旋馈电环由辐射导体弯折9次形成的螺旋线。本发明的超高频双频带柔性标签天线在自由空间且处于未形变状态时‑3dB带宽为600‑1000MHz；当柔性标签天线应用在液体环境下时能够实现0‑360°的形变弯曲，且形变后的‑3dB带宽为600‑1000MHz，良好的覆盖全球840‑960MHz超高频段；同时在中心频点处的功率传输系数均大于0.65。
Description
技术领域
本发明属于射频识别技术领域，具体涉及工作在液体环境下的超高频段的标签天线。
背景技术
射频识别（Radio Frequency Identification）作为自动识别技术的一种，其利用无线射频方式进行双向通信，并在一定工作距离内达到识别目标与数据交换的目的，相较于传统的条形码，射频识别（RFID）系统可以同时对多个标签进行读取操作，同时射频标签芯片能够容纳大量的数据信息，因此射频识别（RFID）技术被广泛应用在仓储物流、图书管理以及酒类防伪等领域。由于射频识别（RFID）技术是通过电磁波的传播进行能量的交换，但在实际应用中，周围环境以及标签自身结构发生变化时会对电磁波产生不同程度的影响，进而可能会导致标签无法正常工作，使得射频识别（RFID）系统整体性能降低，因此研究分析这些问题，对射频识别（RFID）系统的进一步应用发展具有一定的实践意义。
在射频识别（RFID）标签的实际应用场景中，相当一部分情形是无源标签贴附在非平整物体上，如不同尺寸的立方体纸箱、液体瓶等圆柱体表面以及书本的边缘等，此时标签会发生不同形式的几何形变，从而会导致标签自身性能的降低。近些年来，大多数文献研究多是集中在特殊标签天线的设计如应用在金属环境下的标签天线设计，应用在液体环境下的标签天线或者是自由空间中的柔性标签设计，上述的研究基本都是基于单一环境或单一特性下的标签设计，而对于应用在液体环境的柔性标签的研究较少。
实际中，不同国家对于超高频段的范围定义不同，而目前所设计的标签天线大多都是基于对称弯折偶极子的结构进行设计，该结构在应用于液体并发生结构形变时，会导致标签天线与芯片的阻抗失配，进而使得标签在液体环境下时读取性能变差，且多数标签在设计时以915MHz为中心频率，且主要覆盖范围是北美和南美的902-928MHz，无法覆盖全球840-960MHz的超高频段。有鉴于此，有必要提出一种可应用在液体环境下的柔性标签天线，以解决标签应用于液体环境下且发生不同程度的结构形变时性能不稳定的问题。
发明内容
为了解决标签天线在液体环境下并发生形变引起标签天线阻抗与芯片阻抗失谐，进而使得标签天线功率传输系数变化，从而导致射频识别（RFID）性能整体读取性能恶化的问题，并满足实际应用中标签小型化的需求，本发明提供一种应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线。
一种应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线，包括天线辐射导体结构和标签芯片1，为一个对称的类偶极子天线，所述标签芯片1为射频识别芯片。
所述天线辐射导体结构包括一对辐射导体，每个辐射导体由弓型馈线、卧式S型辐射臂和螺旋馈电环依次串联构成，且为平面结构；
所述一对辐射导体的弓型馈线中的上连接臂分别连接着标签芯片1，一对辐射导体的弓型馈线中的下连接臂分别通过第一连接臂相连接。
进一步限定的技术方案如下：
所述标签芯片1为型号Monza4的射频识别芯片。
所述弓型馈线从上至下由弓型横一馈线3、弓型纵一馈线4、弓型横二馈线5、弓型纵二馈线6、弓型横三馈线8、弓型纵三馈线7和弓型横四馈线9依次连接构成；所述弓型横一馈线3的端部连接着上连接臂2的中部；所述弓型横四馈线9的端部连接着下连接臂10的一端，下连接臂10的另一端连接着第一连接臂11的中部。
所述卧式S型辐射臂由纵一辐射臂12、上横辐射臂13、纵二辐射臂14、下横辐射臂16和纵三辐射臂15依次连接构成；所述U形纵一辐射臂12的下端连接第一连接臂11的一端。
所述螺旋馈电环由辐射导体17弯折9次形成的螺旋线，螺旋线状的辐射导体17的外端连接着U形纵三辐射臂15的上端；辐射导体17的内端呈悬端状。
每个辐射导体的弓型馈线的宽度、倒U型辐射臂的宽度和螺旋馈电环的螺旋线的宽度均相同。
所述天线辐射导体结构的材料为铜，厚度为0.2mm。
每个辐射导体的弓型馈线的宽度、倒U型辐射臂的宽度和螺旋馈电环的螺旋线的宽度W1为0.1mm；
所述上连接臂2的宽度L1为0.1mm、长度W2为3mm；
弓型馈线中，弓型横一馈线3的长度L3为5mm，弓型横二馈线5的长度和弓型横三馈线8的长度L4相同，均为4mm，弓型横四馈线9的长度L5为3mm；
弓型横一馈线3和弓型横二馈线5之间的间距W3，W3为0.1mm；弓型横二馈线5和弓型横三馈线8之间的间距W4，W4为0.1mm；弓型横三馈线8和弓型横四馈线9之间的间距W5，W5为0.1mm；弓型横四馈线9和第一连接臂11之间的间距W6，W6为0.1mm；
卧式S型辐射臂中，纵一辐射臂12、纵二辐射臂14和纵三辐射臂15的长度W7相同，W7为20mm；上横辐射臂13的长度L7为3mm，下横辐射臂16的长度L8为2mm；
螺旋馈电环中，最外螺旋圈的长度L9为50mm、高度W为50mm；中间螺旋圈的长度L10为35mm、高度W为40mm；最内螺旋圈的长度L11为20mm、高度W9为30mm；最外螺旋圈和中间螺旋圈的高度方向之间的间距W8为3mm；最外螺旋圈和中间螺旋圈相邻长度方向之间的间距L13为3mm。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
（1）本发明的超高频双频带柔性标签天线在自由空间且处于未形变状态时-3dB带宽为600-1000MHz；当柔性标签天线应用在液体环境下时能够实现0-360°的形变弯曲，且形变后的-3dB带宽为600-1000MHz，良好的覆盖全球840-960MHz超高频段。
（2）本发明利用双螺旋馈电环结构增加标签天线辐射导体表面上的等效电流路径，以此来增加标签天线的带宽并形成双频带以减少液体环境和弯曲形变时对超高频双频带柔性标签性能影响；利用卧式S型辐射臂减小标签天线的尺寸的同时来调节超高频双频带柔性标签天线阻抗；利用 “弓”型馈电匹配网络与连接辐射臂1、连接辐射臂10和连接辐射臂11形成闭环结构，对标签芯片进行馈电并在不改变天线整体尺寸的情况下调节“弓”型的大小来调节标签天线的阻抗以增加超高频双频带柔性标签的带宽并形成双频带，从而使本发明超高频双频带柔性标签在液体环境下的同时发生形变弯曲的适用性。
（3）本发明的超高频双频带柔性标签天线经过测试表明，在自由环境且未发生形变时的功率传输系数在双中心频点处均大于0.7；在液体环境下能够实现0-360°的弯曲，且-3dB带宽能够覆盖全球超高频段，同时在中心频点处的功率传输系数均大于0.65。
附图说明
图1为本发明标签天线结构示意图。
图2为本发明标签天线俯视结构图。
图3为本发明超高频双频带柔性标签天线的尺寸标注图。
图4为本发明超高频双频带柔性标签天线在自由空间未发生形变时的回波损耗（S11）图。
图5为本发明超高频双频带柔性标签天线在液体环境下形变弯曲的仿真模型。
图6为本发明超高频双频带柔性标签天线在液体环境下形变弯曲时的回波损耗（S11）图。
图7为公版标签天线Alien 9662在在液体环境下形变弯曲时的回波损耗（S11）图。
图8为本发明超高频双频带柔性标签天线在液体环境下形变弯曲时的功率传输系数图。
图1~图3中序号：标签芯片1、上连接臂2、下连接臂10、第一连接臂11、弓型横一馈线3、弓型纵一馈线4、弓型横二馈线5、弓型纵二馈线6、弓型横三馈线8、弓型纵三馈线7、弓型横四馈线9、纵一辐射臂12、上横辐射臂13、纵二辐射臂14、纵三辐射臂15、下横辐射臂16，螺旋馈电环17。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，一种应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线包括天线辐射导体结构和标签芯片1，为一个对称的类偶极子天线。天线辐射导体结构的材料为铜，厚度为0.2mm；标签芯片1为型号Monza4的射频识别芯片。
参见图2，天线辐射导体结构包括一对辐射导体，每个辐射导体由弓型馈线、卧式S型辐射臂和螺旋馈电环依次串联构成，且为平面结构。
一侧弓型馈线从上至下由弓型横一馈线3、弓型纵一馈线4、弓型横二馈线5、弓型纵二馈线6、弓型横三馈线8、弓型纵三馈线7和弓型横四馈线9依次连接构成；所述弓型横一馈线3的端部连接着上连接臂2的中部；所述弓型横四馈线9的端部连接着下连接臂10的一端，下连接臂10的另一端连接着第一连接臂11的中部；另一侧弓型馈线结构相同。
一侧卧式S型辐射臂由纵一辐射臂12、上横辐射臂13、纵二辐射臂14、下横辐射臂16和纵三辐射臂15依次连接构成；所述U形纵一辐射臂12的下端连接第一连接臂11的一端；另一侧卧式S型辐射臂结构相同。
一侧螺旋馈电环由辐射导体17弯折9次形成的螺旋线，螺旋线状的辐射导体17的外端连接着U形纵三辐射臂15的上端，辐射导体17的内端呈悬端状；另一侧螺旋馈电环结构相同。
一对辐射导体的弓型馈线中的上连接臂2分别连接着标签芯片1。
一侧弓型馈线通过下连接臂10连接的第一连接臂11的另一端与另一侧弓型馈线通过下连接臂10连接的第一连接臂11的另一端相连接，且连接处位于标签芯片1的下方。
参见图3，每个辐射导体的弓型馈线的宽度、倒U型辐射臂的宽度和螺旋馈电环的螺旋线的宽度均为相同W1，W1为0.1mm。
所述上连接臂2的宽度L1为0.1mm、长度W2为3mm。
弓型馈线中，弓型横一馈线3的长度L3为5mm，弓型横二馈线5的长度和弓型横三馈线8的长度L4相同，均为4mm，弓型横四馈线9的长度L5为3mm。
弓型横一馈线3和弓型横二馈线5之间的间距W3，W3为0.1mm；弓型横二馈线5和弓型横三馈线8之间的间距W4，W4为0.1mm；弓型横三馈线8和弓型横四馈线9之间的间距W5，W5为0.1mm；弓型横四馈线9和第一连接臂11之间的间距W6，W6为0.1mm。
卧式S型辐射臂中，纵一辐射臂12、纵二辐射臂14和纵三辐射臂15的长度W7相同，W7为20mm；上横辐射臂13的长度L7为3mm，下横辐射臂16的长度L8为2mm。
螺旋馈电环中，最外螺旋圈的长度L9为50mm、高度W为50mm；中间螺旋圈的长度L10为35mm、高度W为40mm；最内螺旋圈的长度L11为20mm、高度W9为30mm；最外螺旋圈和中间螺旋圈的高度方向之间的间距W8为3mm；最外螺旋圈和中间螺旋圈相邻长度方向之间的间距L13为3mm。
本发明应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线的工作原理详细说明如下：
使用电磁仿真软件HFSS分别测试本发明超高频双频带柔性标签天线在自由空间未发生形变、在液体环境下发生形变弯曲时的工作性能。
当本发明超高频双频带柔性标签天线工作在自由环境下，即超高频双频带柔性标签天线单独处于自由空间之内并且标签未发生任何形变情形，其中自由空间是指相对介电常数与相对磁导率均为1的均匀介质所存在的空间，空间中没有其他干扰源。实验中通过定义辐射边界条件，辐射边界将会吸收整个射频识别系统的电磁波，本质上可以把辐射边界看成是延伸到空间无限远处，在HFSS中设置了辐射边界条件后，软件会自动模拟本发明超宽频带标签天线处于自由空间下的辐射场。参见图4，通过调节弓型馈线、卧式S型辐射臂以及螺旋馈电环结构来调节天线的阻抗和谐振频率，本发明超高频双频带柔性标签天线在自由环境未发生形变，从图4中可以看出，天线有两个谐振频率分别为820MHz和940MHz，且在谐振频率处的回波损耗分别为-37.5dB和-36.7dB，该天线在两个谐振频率处-15dB带宽分别为650MHz-880MHz，900-1000MHz，同时该天线整体-3dB带宽为600-1000MHz，本发明超高频双频带柔性标签天线具有超高频带同时有双频带的特性。
参见图5的仿真模型，当本发明超高频双频带柔性标签天线工作在液体环境下并发生形变弯曲时，其中液体柱和玻璃标签间距为2mm来模拟实际应用场景中液体瓶的情形，标签共形贴附在外玻璃瓶表面，改变玻璃瓶柱的半径来改变标签的弯曲角度。
参见图6，本发明超高频双频带柔性标签天线在液体环境下发生形变，弯曲角度分别为120°、240°和360°的回波损耗曲线，由图6中结果可见，标签天线应用在液体环境同时发生弯曲时的-3dB带宽依然为600-1000MHz，在弯曲120°和240°时仍然有双频带特性并且在中心谐振频率处的回波损耗均在-35dB以上；当弯曲360°时虽然没有了双频带特性但谐振频率发生在902MHz处且回波损耗为-36.6dB，-3dB带宽为600-1000MHz，覆盖全球超高频段且中心谐振频率在北美和南美超高频段902-928MHz范围内。
为了凸显本发明超高频双频带柔性标签天线在液体环境下发生形变弯曲的适应性，做了本发明超高频双频带柔性标签天线与同类型折叠偶极子标签Alien 9662性能对比实验。
参见图7，为Alien 9662在液体环境发生形变弯曲的回波损耗图，其中0°为标签在自由空间下未发生形变弯曲时的结果，由实验结果明显可见，相较于在自由空间下且不发生任何形变弯曲情形，Alien 9662标签在液体环境下并发生形变弯曲时的性能恶化严重，-3dB带宽几乎为零，已经无法正常工作。
参见图8，本发明超高频双频带柔性标签天线在液体环境下发生形变弯曲时的功率传输系数变化，其中0°为本发明超高频双频带柔性标签天线在自由空间下且未发生任何形变弯曲的功率传输系数，由图8中结果可见，本发明标签在液体环境下同时发生形变弯曲时的功率传输系数接近自由空间下未发生形变情形时的性能，并且当弯曲120°、240°和360°时在中心谐振频率处的功率传输系数均在0.73以上。因此本发明超高频双频带柔性标签天线能够应用在液体环境下同时可以实现0-360°的弯曲，能够满足在液体环境下且发生形变的应用需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明较佳的实施例，并不用以限制
本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线，包括天线辐射导体结构和标签芯片（1），为一个对称的类偶极子天线，所述标签芯片（1）为射频识别芯片，其特征在于：
所述天线辐射导体结构包括一对辐射导体，每个辐射导体由弓型馈线、卧式S型辐射臂和螺旋馈电环依次串联构成，且为平面结构；
所述一对辐射导体的弓型馈线中的上连接臂分别连接着标签芯片（1），一对辐射导体的弓型馈线中的下连接臂分别通过第一连接臂相连接。
2.根据权利要求1所述的一种应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线，其特征在于：所述标签芯片（1）为型号Monza4的射频识别芯片。
3.根据权利要求1所述的一种应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线，其特征在于：所述弓型馈线从上至下由弓型横一馈线（3）、弓型纵一馈线（4）、弓型横二馈线（5）、弓型纵二馈线（6）、弓型横三馈线（8）、弓型纵三馈线（7）和弓型横四馈线（9）依次连接构成；所述弓型横一馈线（3）的端部连接着上连接臂（2）的中部；所述弓型横四馈线（9）的端部连接着下连接臂（10）的一端，下连接臂（10）的另一端连接着第一连接臂（11）的中部。
4.根据权利要求1所述的一种应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线，其特征在于：所述卧式S型辐射臂由纵一辐射臂（12）、上横辐射臂（13）、纵二辐射臂（14）、下横辐射臂（16）和纵三辐射臂（15）依次连接构成；所述U形纵一辐射臂（12）的下端连接第一连接臂（11）的一端。
5.根据权利要求1所述的一种应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线，其特征在于：所述螺旋馈电环由辐射导体（17）弯折9次形成的螺旋线，螺旋线状的辐射导体（17）的外端连接着U形纵三辐射臂（15）的上端；辐射导体（17）的内端呈悬端状。
6.根据权利要求1所述的一种应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线，其特征在于：所述天线辐射导体结构的材料为铜，厚度为0.2mm。
7.根据权利要求1所述的一种应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线，其特征在于：每个辐射导体的弓型馈线的宽度、倒U型辐射臂的宽度和螺旋馈电环的螺旋线的宽度均相同。
8.根据权利要求1所述的一种应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线，其特征在于：每个辐射导体的弓型馈线的宽度、倒U型辐射臂的宽度和螺旋馈电环的螺旋线的宽度W1均为0.1mm；
所述上连接臂（2）的宽度L1为0.1mm、长度W2为3mm；
弓型馈线中，弓型横一馈线（3）的长度L3为5mm，弓型横二馈线（5）的长度和弓型横三馈线（8）的长度L4相同，均为4mm，弓型横四馈线（9）的长度L5为3mm；
弓型横一馈线（3）和弓型横二馈线（5）之间的间距W3，W3为0.1mm；弓型横二馈线（5）和弓型横三馈线（8）之间的间距W4，W4为0.1mm；弓型横三馈线（8）和弓型横四馈线（9）之间的间距W5，W5为0.1mm；弓型横四馈线（9）和第一连接臂（11）之间的间距W6，W6为0.1mm；
卧式S型辐射臂中，纵一辐射臂（12）、纵二辐射臂（14）和纵三辐射臂（15）的长度W7相同，W7为20mm；上横辐射臂（13）的长度L7为3mm，下横辐射臂（16）的长度L8为2mm；
螺旋馈电环中，最外螺旋圈的长度L9为50mm、高度W为50mm；中间螺旋圈的长度L10为35mm、高度W为40mm；最内螺旋圈的长度L11为20mm、高度W9为30mm；最外螺旋圈和中间螺旋圈的高度方向之间的间距W8为3mm；最外螺旋圈和中间螺旋圈相邻长度方向之间的间距L13为3mm。
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|---|---|---|---|
| CN202310887819.3A Pending CN116646704A (zh) | 2023-07-19 | 2023-07-19 | 一种应用于液体环境下的超高频双频带柔性标签天线 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116646704A (zh) |
-
2023
- 2023-07-19 CN CN202310887819.3A patent/CN116646704A/zh active Pending
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