CN116683157B - 基于模块化的小型柔性抗金属标签天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模块化的小型柔性抗金属标签天线，包括芯片模块和辐射模块，所述芯片模块由芯片模块基材、环绕贴合在芯片模块基材上的芯片模块面层以及与芯片模块面层连接的芯片组成，所述辐射模块由辐射模块基材和环绕贴合在辐射模块基材上的辐射模块面层组成，所述辐射基材上设有放置区，所述芯片模块装配于放置区上，所述芯片模块与辐射模块之间形成电气连接。本发明的有益效果是：通过将原本一体式的小型柔性抗金属标签改为分体式模块化结构，能够利用芯片模块本身的尺寸条件来进一步提升小型柔性抗金属标签天线的整体电感值，从而缩小标签天线尺寸。

Description

基于模块化的小型柔性抗金属标签天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于模块化的小型柔性抗金属标签天线。

背景技术

射频识别（RFID）是 Radio Frequency Identification 的缩写，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，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。在RFID领域中，由于超高频柔性抗金属标签具有性能良好、环境适应性强、性价比高等优势，被广泛应用于物流、资产管理等领域。

超高频柔性抗金属标签的设计仍然遵循微带天线的基本原理；微带天线的结构一般由介质基板、辐射体及接地板构成。介质基板的厚度远小于波长，基板底部的金属薄层与接地板相接，正面则通过光刻或蚀刻工艺制作具有特定形状的金属薄层作为辐射体。辐射片的形状根据要求可进行多种变化。为实现在特定频段谐振，微带天线的辐射体长度需要达到该频点对应的二分之一介质波长；在辐射面与接地面之间接短路单元，使得辐射面在电位零点处形成对地短路，使半波微带辐射面的长度由二分之一介质波长缩短为四分之一介质波长。通过将电位零点接地的方案，可以将标签整体尺寸减少一半，但相对与920MHz对应的波长来说超高频抗金属标签小型化仍然不够。

申请号为2021211812465的中国专利公开了一种基于人工传输线结构的小型RFID抗金属标签天线，该小型RFID抗金属标签 天线，包括：介质基板，所述介质基板的一侧配置有带开槽的金属面层，所述介质基板的与金属面层金属面相对的一侧为金属地层，所述金属面层包括：串联的第一弯折微带线部、第二弯折微带线部及第三弯折微带线部，所述第一弯折微带线部，具有第一端，其连接第二弯折微带线部，及第二端，其连接第三弯折微带线部，所述第一弯折微带线部的两侧分部配置有交指，所述第二弯折微带线部及第三弯折微带线部的两侧分部配置有电容型金属面。

上述专利通过增加串联接的弯折微带线部来提升自身串联电感值，减小了标签天线的尺寸，但是该方案由于与传统技术一样，整个标签天线为一个整体结构，因此存在以下缺陷：

1.虽然增加了串联接的弯折微带线，但是也只能在介质基板的一侧的金属面层上进行弯折微带线长度的增加，弯折微带线所能增长的长度有限，其自身串联电感值无法进一步提升，标签天线的缩小尺寸有限。

2.辐射模块面层作为一个整体，其整体材质都是相同的，而芯片在连接时对辐射模块面层的材质是有要求的，这会影响生产成本和生产效率。

3. 芯片的适配性差，一般而言，天线和芯片在绑定以后就已经定型，只能在特定的结构和环境中才能发挥最佳的性能，更改结构或者环境都有可能导致RFID标签的性能大打折扣。

4. 传统的RFID超高频柔性抗金属标签天线，因受基材厚度的限制，其芯片都处于上或下表面，虽然芯片的上层有面材的保护，但因芯片自身具备一定的厚度，故芯片仍会凸起。当标签天线通过打印机时，打印头施加的压力存在将芯片压裂的风险；此外标签天线在过滚轮或者收卷的过程中，当张力过大时，也会使芯片存在崩裂的风险。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于模块化的小型柔性抗金属标签天线，包括芯片模块和辐射模块，所述芯片模块由芯片模块基材、环绕贴合在芯片模块基材上的芯片模块面层以及与芯片模块面层连接的芯片组成，所述辐射模块由辐射模块基材和环绕贴合在辐射模块基材上的辐射模块面层组成，所述辐射模块基上设有放置区，所述芯片模块装配于放置区上，所述芯片模块与辐射模块之间形成电气连接。

较佳的，所述芯片模块面层包括弯折延长线和两个分别设于弯折延长线两边的芯片模块接触面，所述弯折延长线与芯片连接，两个芯片模块接触面与辐射模块面层接触。

较佳的，所述弯折延长线配置有交指结构，所述交指结构位于芯片的两侧。

较佳的，所述辐射模块面层由接地平面、辐射面和两个辐射模块接触面构成，两个所述辐射模块接触面分别设于接地平面和辐射面的两边，两个辐射模块接触面与对应的两个芯片模块接触面接触。

较佳的，所述辐射面上至少设有一条槽线。

较佳的，所述辐射面设有若干条槽线，相邻两条槽线交错设置。

较佳的，所述辐射面和接地平面分别位于辐射模块基材的正反两面，所述接地平面的四角设有对位点，所述辐射模块接触面延伸至放置区的上方。

较佳的，所述芯片模块的尺寸与放置区的尺寸相匹配，所述芯片模块接触面和弯折延长线分别位于芯片模块基材正反两面。

较佳的，所述弯折延长线的中间预留有焊盘，所述弯折延长线与芯片之间焊接。

较佳的，所述弯折延长线为蛇形结构。

本发明的优点为：

1.本方案将小型柔性抗金属标签天线整体分设为芯片模块和辐射模块结构，芯片模块上能够增设宽度更小、密度更大的弯折延长线，能够进一步延长小型柔性抗金属标签天线上电路的流经长度，芯片模块提供的额外并联电容和串联电感会远远高于常规结构，起到大幅减小小型柔性抗金属标签天线尺寸的效果。

2.本方案将芯片封装成特定的模块，使其可以匹配不同尺寸、不同结构、不同材质的辐射模块面层，大幅提升了芯片的适用性，对降低成本、减少库存、提高生产效率等方面都有益处。

3.本方案使得芯片模块与辐射模块之间只要有稳定的电气连接即可，对辐射模块面层的材质不再有特殊要求，因此基于纸基、印刷、激光、蚀刻等方式形成的辐射模块面层都可以应用，能够改善生产成本和生产效率。

4.本方案能够提升芯片的保护效果，将芯片封装成模块后，芯片处于2层柔软的基材之间，一方面，小型柔性抗金属标签天线受到的外力经软质基材分散后再传导至芯片上时已很小，对芯片的破坏力有限。另一方面，通过上下层金属对中间线路共同产生的耦合电容效应来束缚电磁场，能够降低静电击穿的风险。

附图说明

图1为本发明整体结构图；

图2为本发明芯片模块结构图；

图3为本发明芯片模块面层结构图；

图4本发明芯片模块芯片面结构图；

图5为本发明芯片模块接触面结构图；

图6为本发明辐射模块结构图；

图7为本发明辐射模块面层结构图；

图8为本发明辐射模块接触面结构图；

图9为本发明辐射模块接地面结构图；

图10为不同结构标签天线性能测试图。

图中：1芯片模块、2辐射模块、3芯片模块基材、4芯片模块面层、5芯片、6辐射模块基材、7辐射模块面层、8放置区、9弯折延长线、10芯片模块接触面、11交指结构、12接地平面、13辐射面、14辐射模块接触面、15槽线、16对位点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

如图1-2所示，一种基于模块化的小型柔性抗金属标签天线，包括芯片模块1和辐射模块2，芯片模块1包括芯片5、芯片模块基材3以及环绕贴合设置在芯片模块基材3上的芯片模块面层4，芯片模块基材3为方形立体结构，芯片模块基材3为柔性基材，采用质地较软的泡棉如PE发泡或者EVA材料制成，芯片5位于芯片模块基材3的一面上且与芯片模块面层4电气连接。结图6，辐射模块2由辐射模块基材6和环绕贴合在辐射模块基材6上的辐射模块面层7组成，辐射基材上设有放置区8，放置区8可以设于辐射模块基材6上的任意位置，本实施例中放置区8位于辐射模块基材6上的顶部侧边位置，其本身是一个方形缺口结构，使得辐射模块基材6的侧边形成了一个接近于台阶状的形状。放置区8也可以设置于辐射模块基材6的中间位置，使得辐射模块基材6形成一个接近于凹字形结构。无论设置于哪个位置，放置区8的尺寸大小最好都是与芯片模块1整体尺寸适配，使得芯片模块1能够方便装配于辐射模块2上，同时保证接触面的重合位置固定，进而确保电流在芯片模块1和辐射模块2上流经的路径固定。

结合图3-5，芯片模块面层4包括弯折延长线9和两个分别设于弯折延长线9两边的芯片模块接触面10，当芯片模块面层4环绕贴合于芯片模块基材3上后，如图2所示，两个芯片模块接触面10和弯折延长线9分别位于芯片模块基材3正反两面，两个芯片模块接触面10之间形成有一定的间隙，弯折延长线9和两个芯片模块接触面10是一个整体，它通过蚀刻、激光、印刷等方式在芯片模块基材3上获得所需的形状。弯折延长线9为蛇形结构，用以最大程度延长电路的流经长度，弯折延长线9中间预留出一定的间隙或者焊盘，通过绑定、焊接等方式将芯片5与两侧弯折延长线9稳定接触并具备良好的电气连接性能。

结合图7-9，辐射模块面层7由接地平面12、辐射面13和两个辐射模块接触面14构成，辐射面13和接地平面12分别位于辐射模块基材6的正反两面，标签天线上的电流路径主要是在辐射面13上流动，所以辐射面13的长度尺寸就决定了标签天线自身谐振电感的大小；接地平面12的作用除了给标签天线提供参考地平面，还能在标签天线贴于不同材质物体时，能够提供稳定的电性能参数。两个辐射模块接触面14以接地平面12和辐射面13的中心点为对称点对称设于接地平面12和辐射面13的两边，接地平面12的两端设有对位点16，对位点16为方形槽口结构，贴设于辐射模块基材6反面两边边缘位置，用于定位折叠位置，能够给辐射模块面层7与基材贴合时提供必要的参考位置，也是生产过程中用于质检的指标之一。芯片模块面层4上也设有对位点，也起到相同的作用。当接地平面12、辐射面13环绕贴合到辐射模块基材6上后，两个辐射模块接触面14不重叠的延伸至放置区8的上方，此时，两个辐射模块接触面14处于悬空状态。辐射模块接触面14的作用是与芯片模块1上的芯片模块接触面10重叠接触，两者之间形成稳定可靠的电气连接，给电流提供完整的流动路径。本实施例中该电气连接方式包括但不限于焊接、螺接以及插接等方式。由于芯片模块1与辐射模块面层7之间只要有稳定的电气连接即可，因此，对辐射模块面层7的材质不再有特殊要求，因此基于纸基、印刷、激光、蚀刻等方式形成的辐射模块面层7都可以应用，能够改善生产成本和生产效率。

当芯片模块1与辐射模块2组装时，芯片模块1放置在辐射模块2上的放置区8，且芯片5位置朝下，将芯片模块1的两个芯片模块接触面10朝上。辐射模块2在芯片模块1放置好后，将辐射模块面层7的2个辐射模块接触面14与芯片模块1的2个芯片模块接触面10对应接触，形成稳定的电气连接供后，使标签天线上的电流能够稳定的流过芯片模块1和辐射模块2，进而实现标签天线完整的读写功能。由于芯片5朝下设置，因此处于2层柔软的基材之间，一方面，标签天线受到的外力经软质基材分散后再传导至芯片上时已很小，外力作用对芯片5的破坏力较小。另一方面，通过上下层金属对中间线路共同产生的耦合电容效应来束缚电磁场，能够降低静电击穿的风险，能够提升标签天线的使用寿命。在芯片模块1和辐射模块2结合成完整标签天线产品后，可以在标签天线的表面添加合适的面材，以适合打印；或者将完整产品放入非金属的壳子中，形成硬壳形式的抗金属标签。

本方案将小型柔性抗金属标签天线整体分设为芯片模块1和辐射模块2结构，芯片模块1上能够增设宽度更小、密度更大的弯折延长线9，能够进一步延长小型柔性抗金属标签天线上电路的流经长度，芯片模块1提供的额外并联电容和串联电感会远远高于常规结构，起到大幅减小小型柔性抗金属标签天线尺寸的效果.而且将芯片封装成特定的模块，使其可以匹配不同尺寸、不同结构、不同材质的辐射模块面层7，大幅提升了芯片的适用性，对降低成本、减少库存、提高生产效率等方面都有益处。

实施例2

结合图3，本实施例具有和实施例1相同的部分，本实施例在实施例1的基础上增加了交指结构11，在弯折延长线9上配置有交指结构11，交指结构11位于芯片5的两侧。

根据具体的小型化需求，在标签天线自身具备的电感量L1条件下，有至少2种方式来改变芯片模块1的感抗值，第一种是通过多条弯折延长线9来增加芯片模块1整体的串联电感量L2，第二种是在芯片5的上下侧通过交指结构11来增加芯片5端口的并联电容值C3；因芯片5端口的并联电容C1和并联电阻值R1相对固定，且绑定、焊接过程中引入的寄生参数C2或者L3也相对固定，则根据谐振公式1可知：

(1)

当超高频柔性抗金属标签天线尺寸减小时，其主要的难点是天线本身的谐振电感值减小，因此谐振频率随之升高，通过公式2可知，增加电容/>和电感值/>都能有效抵消因电感值/>而引发的谐振频率升高，即可满足超高频抗金属标签小型化的需求。

在本实施例中，因芯片模块1的立体结构，可以通过交指结构11增加芯片5端的并联电容值，通过弯折线方式延长芯片模块1自身的串联电感值，当芯片模块1与辐射模块2接触以后，芯片模块1提供的额外并联电容和串联电感会远远高于常规结构，在特定的谐振频率下，辐射模块2自身的串联电感，即长度可以大幅缩小，即小型柔性抗金属标签整体的尺寸可以大幅减小。

结合图10，图10为不同芯片模块结构对超高频柔性抗金属标签性能的影响。从图10中的曲线可知，在没有增加交指结构11和弯折延长线9结构的情况下，超高频柔性抗金属标签在金属表面的谐振频率已经处在860-960MHz的UHF RFID频段内，其原因在于芯片模块1的增加相当于延长了超高频柔性抗金属标签上电路的流经长度，即增加了辐射模块面层7本身的电感值；在利用芯片模块1本身的尺寸条件来提升超高频柔性抗金属标签整体电感值的基础上，通过增加弯折延长线9的方案，能进一步提高辐射模块面层7的串联电感值，其本质原因也是通过延长电路的路径来提升电感值；在芯片5两侧增加交指结构11，利用交指结构11形成的电容效应和芯片自身端口电容形成并联关系，使整体电容值提高，进而可以减少对电感值的依赖，也能起到缩小超高频柔性抗金属标签尺寸的效果。

实施例3

结合图6，本实施例在实施例1的基础上进一步改进，在辐射面13上设有多条槽线15，相邻槽线15之间交错设置，辐射模块面层7上槽线15的主要作用是使电流沿着弯曲的路径流动，增加了电流的流经长度，增加了辐射模块面层7自身的谐振电感值，能够进一步减小超高频柔性抗金属标签的整体尺寸。而槽线15的数量越多，电流的流经长度越长，提升的辐射模块面层7的电感值越高。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于模块化的小型柔性抗金属标签天线，其特征在于：包括芯片模块（1）和辐射模块（2），所述芯片模块（1）由芯片模块基材（3）、环绕贴合在芯片模块基材（3）上的芯片模块面层（4）以及与芯片模块面层（4）连接的芯片（5）组成，所述辐射模块（2）由辐射模块基材（6）和环绕贴合在辐射模块基材（6）上的辐射模块面层（7）组成，所述辐射模块基材（6）上设有放置区（8），所述芯片模块（1）装配于放置区（8）上，所述芯片模块（1）和辐射模块（2）之间形成电气连接，所述芯片模块面层（4）包括弯折延长线（9）和两个分别设于弯折延长线（9）两边的芯片模块接触面（10），所述弯折延长线（9）与芯片（5）连接，所述辐射模块面层（7）由接地平面（12）、辐射面（13）和两个辐射模块接触面（14）构成，两个所述辐射模块接触面（14）分别设于接地平面（12）和辐射面（13）的两边，两个辐射模块接触面（14）与对应的两个芯片模块接触面（10）接触，所述芯片模块（1）的尺寸与放置区（8）的尺寸相匹配，所述芯片模块接触面（10）和弯折延长线（9）分别位于芯片模块基材（3）正反两面，所述辐射面（13）和接地平面（12）分别位于辐射模块基材（6）的正反两面，所述接地平面 （12）、辐射面 （13）环绕贴合到辐射模块基材 （6） 上后，两个辐射模块接触面 （14）不重叠的延伸至放置区 （8）的上方。

2.根据权利要求1所述的基于模块化的小型柔性抗金属标签天线，其特征在于：所述弯折延长线（9）配置有交指结构（11），所述交指结构（11）位于芯片（5）的两侧。

3.根据权利要求2所述的基于模块化的小型柔性抗金属标签天线，其特征在于：所述辐射面（13）上至少设有一条槽线（15）。

4.根据权利要求2所述的基于模块化的小型柔性抗金属标签天线，其特征在于：所述辐射面（13）设有若干条槽线（15），相邻两条槽线（15）交错设置。

5.根据权利要求4所述的基于模块化的小型柔性抗金属标签天线，其特征在于：所述接地平面（12）的四角设有对位点（16），所述辐射模块接触面（14）延伸至放置区（8）的上方。

6.根据权利要求5所述的基于模块化的小型柔性抗金属标签天线，其特征在于：所述弯折延长线（9）的中间预留有焊盘，所述弯折延长线（9）与芯片（5）之间焊接。

7.根据权利要求6所述的基于模块化的小型柔性抗金属标签天线，其特征在于：所述弯折延长线（9）为蛇形结构。