CN201332142Y - 一种宽频rfid超高频天线及使用该天线的电子标签 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种宽频RFID超高频天线，其包括组合在一起的一近场天线及一远场天线。其中，所述近场天线为感应线圈，所述远场天线为偶极子天线。所述天线是蚀刻在覆铝的聚酯PET衬底上。同时本实用新型还提供了一种使用上述天线的射频标签。使用本实用新型的射频天线和标签可以获得如下有益效果：本实用新型的天线工作距离范围包括近场或远场范围，且其工作频率范围就可以覆盖整个RFID UHF频段，因此具有广泛的适应性。同时，在频带范围内，阻抗值很稳定，在工作频段内在xz方向具有良好的全向性。

Description

一种宽频RFID超高频天线及使用该天线的电子标签

技术领域

本实用新型涉及射频识别(RFID)技术中的应答器，特别是涉及到应答器中RFID超高频天线以及电子标签。

背景技术

RFID系统的应答器和读写器之间无需物理接触就可完成识别，因此RFID较条形码有着不可取代的优势：第一，可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，采用无线电射频，可以通过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光读取信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，标签存储的信息量较条形码大得多。

射频识别系统的主要区别特征包括读写器的工作频率、读写器与应答器之间的物理耦合方法和系统的作用距离。其中超高频(UHF)无源RFID标签由于其工作频率高，可读写距离长，无需外部电源，制造成本低，目前成为了RFID研究的重点方向之一，有可能成为在不久的将来RFID领域的主流产品。

按照RFID系统的工作方式不同，电子标签天线一般可分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。所谓近场和远场是根据电磁场摆脱天线作为电磁波进入空间的位置进行划分的，即从天线到形成电磁场的范围称为天线的近场，从离开天线到完全形成电磁波的范围称为远场，二者的分界为距离天线λ/2π，其中，λ为天线辐射的电磁波的波长。

近场感应线圈天线通常由多匝电感线圈所组成，远场辐射天线主要包括电场偶极子天线、对称振子天线以及微带天线。远场辐射天线通常是谐振式的，一般长度取为半波长。因此，工作频率的大小决定着天线尺寸的大小；天线的大小又常常决定着使用该天线的射频识别标签/卡的大小；较高的工作频率可以实现较小的射频识别卡尺寸。

一般来说，RFID标签包括半导体芯片和高频天线，数据可以被编程及被重新写入半导体芯片中。半导体芯片与高频天线直接耦合(例如通过引线接合(wirebounding)、倒装芯片(Flip Chip)封装)，或作为SMD(表面贴装)器件(例如TSSOP，薄型小尺寸封装)安装到高频天线。半导体芯片和高频天线设置在载体基板上，该载体基板可以由塑料材料制成。该系统也可以制造在印制电路板(PCB)上。

一个好的RFID标签应用系统，应当考虑如下问题：标识物的特性(货盘，容器，单品，纸包装，金属，液体等)；标签之间有多大的空间；标签工作需要遵守的当地法规；读写器天线与标识物的相对位置(距离，安装方位，辐射场方向)等，以上各方面特性，可以用下列参数进行评估：标签在不同介质表面的灵敏度；频率灵敏度；空间性能。

关于RFID的天线及天线设计方法，现有技术中有许多专利已对此进行了研究，但是该等现有技术的天线均只能应用于单一的工作方式，即其作用范围只能是远场或近场之一。这就极大地限制了射频应答器的使用范围。同时，现有技术的天线即使在单纯的近场范围内其工作频率范围也局限于一较窄的区间。

并且，由于对于无源应答器而言，其能量完全来自天线的从阅读器接收的能量，即使是对有源应答器，其信息传输所用的能量也来自天线从阅读器接收的能量，因此，天线的阻抗匹配对于能量接收至关重要，而现有技术的天线在较宽的工作频率范围内的阻抗匹配效果也不理想。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术的上述缺点，提供一种能工作在较宽的频率范围内，且既能工作于近场距离范围也能工作于远场距离范围，并且阻抗匹配良好的射频天线。

为此，本实用新型提供了一种宽频RFID超高频天线，其包括级联在一起的一近场天线及一远场天线。

其中，所述近场天线为感应线圈，所述远场天线为偶极子天线。

其中，所述RFID超高频天线的感应线圈和偶极子天线之间并联连接有蛇行线。

其中，所述感应线圈、偶极子天线和蛇行线构成的电路的等效阻抗与所述与其连接的RFID芯片的阻抗相匹配。

同时本实用新型还提供了一种使用上述天线的射频标签，其包括应答器天线、与之电性连接的应答器芯片及包覆所述应答器天线和应答器芯片的保护膜，其中，所述应答器天线包括级联在一起的一近场天线及一远场天线。

其中，所述近场天线为感应线圈，所述远场天线为偶极子天线。

使用本实用新型的射频天线和标签可以获得如下有益效果：(1)本实用新型的天线工作距离范围包括近场或远场范围，且其工作频率范围就可以覆盖整个RFID UHF频段(830MHz-950MHz)内的散射参数都很小，增益变化曲线很平稳，可以无失真的辐射信号，因此具有广泛的适应性。(2)在频带范围内，阻抗值很稳定，此天线可以与多种阻抗的芯片相匹配，这样就没有必要专门为某种芯片设计天线，在实际工作中可以大大的减小工作量。(3)标签天线的材料及厚度对UHF天线的性能影响很小。这样在生产UHF产品时可以根据需要选择合适的天线厚度、控制天线材料的成本，而不用担心会造成天线性能的改变。(4)以选用NXP芯片为例，本实用新型的标签可以完成过去采用软磁材料进行EAS电子防盗的功能，并具备一定的存储容量。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的上述的和其它的特征和优点做详细说明：

图1为本实用新型RFID天线的结构示意图；

图2为半波长折叠偶极子天线结构一实施例示意图；

图3为本实用新型天线在830MHz-950MHz频率范围内的增益曲线；

图4a-4c为频率改变时，本实用新型天线在xz面和yz面的远场归一化辐射方向图，图4a为915MHz，图4b为830MHz，图4c为950MHz；

图5为半波长折叠偶极子天线的反射系数随频率变化的曲线；

图6为半波长折叠偶极子天线的阻抗在830MHz-950MHz内的变化曲线；

图7为电子标签的等效二端口匹配网络电路示意图；

图8a、8b为增加蛇形线前后天线的阻抗变化示意图，图8a为虚部，图8b为实部；

图9a、9b为增加小环前后天线的阻抗变化示意图，图9a为虚部，图9b为实部；

图10为经匹配后天线的反射系数曲线；

图11为芯片的阻抗取不同值时，反射系数的比较曲线；

图12a、12b为天线材料的厚度取不同值时，其阻抗的比较曲线，图12a为实部，图12b为虚部；

图13是单独的电感线圈和本实用新型天线的增益比较示意图。

具体实施方式

本实用新型的一种宽频RFID超高频天线的具体实施方式如图1所示，从图中可以清楚看出，该天线包括级联组合在一起的一近场天线及一远场天线。通过将远场和近场天线结合而实现近场、远场两种不同的工作方式。其中，较佳地，近场天线为感应线圈2，所述远场天线为偶极子天线1。并且，为实现与RFID芯片的阻抗匹配，所述RFID超高频天线的感应线圈和偶极子天线之间并联连接有蛇行线，蛇形线的一端与感应线圈2连接，另一端与偶极子天线的短截线4连接。

其中，偶极子天线的尺寸与其工作频率有关，例如，工作在915MHz的半波长偶极子天线长度为164mm，为减小天线所占体积，一般把偶极子天线的两个臂折叠，例如，一种折叠偶极子天线的实现形式如图2所示。其各项特性如图3到图6所示。

图3为偶极子天线在830MHz-950MHz频率范围内的增益曲线。如图3所示，在整个工作频带内，天线的增益都大于1.5dBi，在890MHz可达到最大值1.88dBi。在整个工作频带内，增益的变化辐度在0.4dB以内，曲线变化很平稳，所以天线可以无失真的发送信号。由图3可见，在工作频段内，随着频率的升高，天线的辐射方向图无畸变。天线在xz面具有很好的全向性，可以全向辐射。所以在工程施工和现场应用时，要沿着天线的xz面安装读写器，才可以保证系统具有良好的读写性能。

图4a-4c为频率改变时，偶极子天线在xz面和yz面的远场归一化辐射方向图，图4a为915MHz，图4b为830MHz，图4c为950MHz。由图4a-4c可见，折叠偶极子天线小于-10dB的工作范围是866MHz-926MHz，阻抗带宽是60MHz。

图5为半波长折叠偶极子天线的反射系数随频率变化的曲线；图6为半波长折叠偶极子天线的阻抗在830MHz-950MHz内的变化曲线。由图5、图6可见，此时天线在这个频段达到谐振，Q值较大，为了增加阻抗带宽，就要减小Q值，并使天线与芯片阻抗共轭匹配。

下面以设天线邦定(bounding)的是Philip NXP芯片，芯片的阻抗为20-j151为例说明根据本实用新型的天线的阻抗匹配设计，但并非据以局限本实用新型的范围，天线结合任意其它RFID芯片的阻抗匹配设计，只要不超出本实用新型的思想和范围均应视为落入本实用新型的保护范围。

一般来说，因为芯片的阻抗是20-j151，为达到阻抗匹配。要使天线在宽的频带范围内的阻抗为20+j151。

通过频率仿真计算，上述偶极子天线在915MHz的阻抗是43+j19(ohm)，与芯片阻抗相差较大，显然需要进一步匹配。其方式为通过设计与之级联的感应线圈2的等效阻抗实现。关于并联等效阻抗的计算为现有技术一般常识，在此不加赘述。

而一种优选的实现精确阻抗匹配的方式为，加入匹配阻抗网络。加入阻抗网络后的电路整体示意图如图7所示。其中，二端口无源匹配网络使天线端和IC端均满足共轭匹配条件。例如，根据本实用新型的一个优选实施例，匹配网络包括蛇形线3和感应线圈2，如图1所示。以下为叙述方便，感应线圈2又称为“小环”。

其中，小环的输入阻抗的实部包括辐射电阻R_radiation和小环的传导损耗R_loss两部分。小环的辐射电阻可由下式确定：

$R_{\mathrm{radiation}}=31171{\left(\frac{A}{{\mathrm{\λ}}^2}\right)}^2=20{\mathrm{\π}}^2\frac{C^4}{{\mathrm{\λ}}^4}=197C_{\mathrm{\λ}}^4---\left(1\right)$

式中，A是小环的面积，C是小环的周长，C_λ是用波长度量的小环周长。由式(1)可见，天线电阻主要由环的面积决定。

小环的电感L_A与小环的尺寸的关系如下式：

$L_A={\mathrm{\μ}}_0\frac{A_c}{l_m}---\left(2\right)$

式中，A_c为小环的面积，l_m为小环的长度。

由公式(1)可得，小环阻抗的实部近似为0，小环相当于一个纯电感元件，通过调节小环的长宽尺寸，可以调整其电感值大小。蛇形线相当于一个电容，通过调节蛇形线的数目、间距、线宽，可以改变其电容值大小。

通过调节并联的小环和并联的蛇形线，可以相应的调整并联电感和并联电容的大小，从而通过调整匹配电路，最终实现天线与芯片阻抗匹配。

下面结合附图对小环和蛇行线的作用进行说明。图8a、8b为增加蛇形线前后天线的阻抗变化示意图，图8a为虚部，图8b为实部。如图8a、8b所示，不加蛇形线时，天线的阻抗的实部和虚部在频率范围内有较大波动，很难保证在整个频率范围内都与芯片阻抗匹配。

图9a、9b为增加小环前后天线的阻抗变化示意图，图9a为虚部，图9b为实部。如图9所示，不加小环时，天线的阻抗的实部和虚部都很大，且有很大的波动，加入小环，相当于并联了一个电感元件，可以把天线的高阻抗变成低阻抗，从而与芯片很好的匹配。

图10为经匹配后天线的反射系数曲线。比较图5和图10可见，加入匹配网络后，天线的阻抗在830MHz-950MHz的宽频带内，都与芯片有很好的匹配，反射损耗都很小(＜-25dB)，在890MHz可以达到最小值-33dB。可见本实用新型天线与芯片具有良好的阻抗匹配性能，并且，芯片与天线间只需一个邦定点，其工作范围就可以覆盖整个RFID UHF频段。

图11为芯片的阻抗取不同值时，反射系数的比较曲线；如图11所示，本实施例的天线在工作频率范围内，邦定阻抗为20-j151的芯片时，散射参数最小，即与天线的匹配最好。阻抗为40-j190和59-j242的芯片与天线的匹配稍差，但散射参数在频率范围内也都小于-10dB，这在实际应用中是可以接受的。此天线可以与多种阻抗的芯片相匹配，这样就没有必要专门为某种芯片设计天线，在实际工作中可以大大的减小工作量。

同时，本实用新型还提供了一种宽频RFID超高频射频标签，其包括应答器天线、与之电性连接的应答器芯片及包覆所述应答器天线和应答器芯片的保护膜，可以通过丝网印刷或蚀刻技术将应答器的天线安装到该保护膜上，关于射频标签的制造方法在现有技术中多有论及，在此就不再赘述。其与现有RFID标签的区别在于，所述应答器天线包括级联在一起的一近场天线及一远场天线。即所述宽频RFID超高频射频标签使用上述本实用新型所涉及的各种天线。

本实用新型天线的实现可以为将天线蚀刻在覆铝的PET衬底上。例如，天线厚度是10um，大小是41mm*87mm。PET膜的相对介电常数为3.2，厚度是50um。制成标签，则标签尺寸(衬底尺寸)在天线尺寸的基础上周围各增加3-5mm。

图12a、12b为天线材料的厚度取不同值时，其阻抗的比较曲线，图12a为实部，图12b为虚部。如图12所示，天线材料的厚度取5um，10um，15um时，它们的阻抗的实部和虚部都基本保持一致，所以天线材料的厚度对UHF标签天线性能的影响很小。这样在生产UHF产品时，可以根据需要选择合适的天线厚度、控制天线材料的成本，而不用担心会造成天线性能的改变。

由于天线材料的厚度对UHF天线的性能影响很小。这为生产UHF时选择合适的天线厚度、控制天线材料的成本提供了很好的理论支持。同时也表明天线材料厚度对天线性能的影响有限，跟采用什么芯片进行匹配绑定，关系也不大。

图15是单独的电感线圈和本实用新型天线的增益比较示意图。从图13中看到，在工作频率范围内，闭合线圈在远场的增益很小，只有-10dBi左右。当加上偶极子天线后，增益提高到1.6dBi左右，提高了10dB。对于闭合线圈来说，外围的偶极子相当于一个“增益放大器”，可以大大的提高整体的增益。

同时，本实用新型的标签可为邦定了芯片的闭合线圈与一远场天线组合而成。邦定了芯片的闭合线圈可以在近场工作，当加上作为增益放大器的远场天线后，闭合线圈的能量通过Z向感应耦合到增益放大器上，并把能量向远场辐射，从而实现标签天线在远场工作。这样天线就可以灵活得实现远近场工作。

“闭合线圈”是近场UHF，用于单品级标识的解决方法；加上增益放大器后是远场UHF，用于830-940MHz频段INLAY或智能标签的解决方法。

RFID标签加工厂家平时可以备货闭合线圈，然后根据实际应用环境和需求，单独进行增益放大器的设计即可，可靠而灵活，具备很好的环境适应性性。

下面，对根据本实用新型的RFID标签的性能进行说明。

标签读取的范围可以用以下Frills公式计算：

$r=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{P_t{G}_t{G}_r\mathrm{\τ}}{P_{\mathrm{th}}}}---\left(3\right)$

其中：λ为工作波长，随频率而变化，P_t为读写器发射功率，G_t为读写器发射天线的增益；G_r为标签天线的增益，P_th为(标签灵敏度)供给RFID标签芯片充足能源的最小的必备功率；τ为功率传输系数，设芯片阻抗表示为Z_c＝R_c+jX_c，天线阻抗表示为Z_a＝R_a+jX_a，则

$\mathrm{\τ}=\frac{{4R}_c{R}_a}{{|Z_a+Z_c|}^2},0\≤\mathrm{\τ}\≤1---\left(4\right)$

例如，NXP芯片灵敏度P_th＝-14dBm(40uw)，根据公式(4)，可得在工作频带范围内，τ≈0.9，

由图示可知，天线的增益约为1.8dBi(1.51)，故，在不同频率区间的天线各项参数如下：

1)902-928MHz时，EIRP＝4w

$\sqrt{902\×928}=915\mathrm{MHz}$

$r_1=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{EIRP}\·G_r\mathrm{\τ}}{P_{\mathrm{th}}}}=0.0261\sqrt{\frac{4\×1.51\×0.9}{4\×{10}^{-5}}}=9.73m$

2)866-868MHz时，ERP＝2w

$\sqrt{866\×868}=867\mathrm{MHz}$

$r_2=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{ERP}\×1.67\·G_r\mathrm{\τ}}{P_{\mathrm{th}}}}=0.02755\×\sqrt{\frac{2\×1.67\×1.51\×0.9}{4\×{10}^{-5}}}=9.31m$

3)860-960MHz时，ERP＝1w

$\sqrt{860\×960}=908.6\mathrm{MHz}$

$r_3=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{ERP}\×1.67\·G_r\mathrm{\τ}}{P_{\mathrm{th}}}}=0.0263\×\sqrt{\frac{1\×1.67\×1.51\×0.9}{4\×{10}^{-5}}}=6.27m$

所以此RFID标签可以在830MHz-960MHz宽频带内工作，能够符合多个国家的标准。北美902-928MHz，日本957-958MHz，中国840-845MHz、920-925MHz，欧洲860-930MHz。由上可见，本实用新型的标签适应世界各个主要地区频率标准，而且读取距离也完全满足各地应用。

根据本实用新型的RFID标签可以大大扩展其应用范围，以选用NXP为例，本实用新型中的标签采用新型的方法，可以完成过去采用软磁材料进行EAS电子防盗的功能。具体做法是因为每个标签芯片都有唯一的UID或TID号，也就唯一的标识物体。当完成合法交易后，系统会自动在芯片内写入“解出警报”命令，携带物品的人可以自由通过系统设置的门禁监控。如果是非法用户，当通过门禁系统时，标签利用UHF远距离读写功能，将自动识别非法用户，并提示系统进行报警。

以上对本实用新型的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1、一种宽频RFID超高频天线，用于与RFID芯片连接，其特征在于，所述天线包括级联在一起的一近场天线及一远场天线。

2、根据权利要求1所述的宽频RFID超高频天线，其特征在于，所述近场天线为感应线圈，所述远场天线为折叠偶极子天线。

3、根据权利要求2所述的宽频RFID超高频天线，其特征在于，所述RFID超高频天线的感应线圈和偶极子天线之间并联连接有蛇行线。

4、根据权利要求1或2或3所述的宽频RFID超高频天线，其特征在于，所述RFID超高频天线的近场天线和远场天线是刻蚀在覆铝的聚酯PET衬底上的刻蚀天线。

5、根据权利要求1或2或3所述的宽频RFID超高频天线，其特征在于，所述RFID超高频天线的近场天线和远场天线是印刷在绝缘基底上的印刷天线。

6、一种宽频RFID超高频电子标签，其包括应答器天线、与之电性连接的应答器芯片及包覆所述应答器天线和应答器芯片的保护膜，其特征在于，所述应答器天线包括级联在一起的一近场天线及一远场天线。

7、根据权利要求6所述的宽频RFID超高频电子标签，其特征在于，所述近场天线为感应线圈，所述远场天线为折叠偶极子天线。

8、根据权利要求7所述的宽频RFID超高频电子标签，其特征在于，所述RFID超高频天线的感应线圈和偶极子天线之间并联连接有蛇行线。

9、根据权利要求6或7或8所述的宽频RFID超高频电子标签，其特征在于，所述应答器天线是蚀刻在覆铝的聚酯PET衬底上。

10、根据权利要求6或7或8所述的宽频RFID超高频电子标签，其特征在于，所述天线是印刷在绝缘基底上。

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