CN201927700U - 一种偶极子天线及使用该天线的rfid标签 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种偶极子天线及使用这种天线的RFID标签。该天线包括弯折偶极子（11）和感应线圈（12），两者通过感应耦合方式间接连接或直接电连接方式连接，所述弯折偶极子（11）包括两部分，该感应线圈（12）设置在弯折偶极子（11）两部分中间，感应线圈12上设置有馈电点（111）和（112），用于连接芯片。该标签包括所述天线、基板和芯片。本实用新型结构简单，便于制造，具有较大的增益和带宽，能够方便的调节阻抗和谐振频率，并能够适应多种应用环境的小型化偶极子天线。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线领域，特别涉及在超高频RFID系统中使用的偶极子天线以及使用该天线的标签。
背景技术
无线射频识别技术(RFID)作为一种近距离的无线通讯，是物联网的重要支撑技术之一。通常的RFID系统主要由标签、读写器和服务器组成，通过标签和读写器进行信息采集，而服务器完成数据处理。RFID系统有多个通信频段可用，分别为低频LF(125kHz-134kHz)、高频HF(13.56MHz)、超高频UHF(860MHz-960MHz)和微波(2.45GHz、5.8GHz)。其中低频和高频通过电感耦合的方式实现数据通信，读写距离一般不超过1m。而超高频和微波使用电磁波反向散射的原理，其读写距离可达10m，有源标签能实现更远的读写距离。
影响超高频标签的读写距离主要因素有读写器发射功率、标签芯片的灵敏度和标签天线的设计。其中读写器的发射功率考虑到其对环境的影响以及对其他无线通信系统的干扰，在各个国家都有明文规定，我国信息产业部在2007年发布的《800-900MHz频段射频识别(RFID)技术应用规定(试行)》中规定的读写器有效发射功率(ERP)为2W。标签芯片的灵敏度随着IC技术的进步而不断提高，目前成熟的商用芯片读取灵敏度可达-19.9dBm，写入灵敏度达-17.4dBm。在读写器发射功率受限，标签芯片灵敏度不可改变的情况下，标签天线的设计对提高系统性能就起到了决定性的作用。
在无源UHF RFID系统中，标签通过天线接收读写器发射的电磁波，接收的能量为芯片提供能量。芯片对接收到的数据进行处理后，再通过天线发射出去。读写器接收到有效的数据反馈，便完成一次数据通信。在这个过程中，为了使系统性能达到最佳，要求天线有较大的增益。为了使天线传输给芯片的能量达到最大，要求天线与芯片之间实现阻抗匹配。由于天线制造的工艺和成本限制，阻抗匹配不能通过外接集总元件实现，而只能通过调整天线结构实现。因此，天线设计的目的在于获得较大的增益并实现阻抗匹配，从而使标签读写距离达到最佳。
标签的读写距离受到环境、标签附着物的材料、标签与读写器天线的方位等环境因素的影响。在不考虑环境因素的理想情况下，标签的最大读写距离d可用自由空间的
其中，c为电磁波的传播速度，f为谐振频率，Pr为读写器发射的功率，Gr为读写器天线的增益，Gt为标签天线的增益，p为极化损失，Pth为标签芯片的门限功率，τ为功率传输系数。
功率传输系数τ表征从天线到芯片的能量传输能力。标签天线既是接收天线，也是发射天线。以接
其中，Za＝Ra+jXa，Zc＝Rc+jXc分别为天线和芯片的阻抗，Ra、Xa为天线阻抗的实部和虚部，Rc、Xc为芯片阻抗的实部和虚部。当
时，τ取得最大值1。
当标签增益Gt和功率传输系数τ达到最大值时，标签的读写距离达到最大值。半波偶极子天线的方向性为1.64，若不计损耗，则增益可达2.15dB。由半波偶极子天线的定义，天线的总长度应为其波长的1/2，对于915MHz的天线，约为164mm。在实际RFID标签应用中，考虑基板材料对电磁波波长λ的影响，
其中，c为光速，f为电磁波频率，εr为基板材料的介电常数。因而，实际制作的半波偶极子天线长度小于164mm。
超高频RFID应用越来越广泛，在很多应用中要求标签尺寸较小。为了达到缩减天线尺寸的目的，一般采用弯折偶极子天线的方法。弯折偶极子天线的弯折线部分，由于其电流方向相反，产生的辐射互相抵消，因而弯折偶极子天线的增益相比普通偶极子天线有所减小，且其实际总长度要大于(3)式的计算结果。弯折偶极子天线是以增益减小的代价换得了尺寸的减小。但是通过调整弯折偶极子天线的结构，能够获得较大的增益。天线尺寸减小的另一个代价是天线带宽减小，通过适当的天线结构设计，也能够使天线带宽满足使用要求。
通过合理的结构设计，在使天线尺寸缩减到要求的较小尺寸，并获得较好的增益、带宽以及阻抗匹配，是偶极子天线的设计目标。
由于不同厂商生产的RFID芯片的阻抗值各不相同，偶极子天线都是针对某一种芯片设计，以求达到较好的阻抗匹配效果。针对每一种不同的芯片都设计一种天线结构显然比较费时费力。而相似的天线结构其增益和带宽都相近，因此设计一种天线结构，在满足带宽和增益要求的同时，能够方便地调节阻抗使其与不同芯片匹配是较好的选择。
在实际应用中，由于被标识物材料的性质不同，标签天线受到的影响也不同。总体来说，当标签贴到被标识物上之后，其谐振频率和阻抗都会发生变化。因此使天线具有一个较宽的阻抗带宽，使其能够适应较多的应用环境也是UHF RFID天线的设计目标之一。小型化天线受到被标识物的影响尤其大，因此设计也更难。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种偶极子天线，其结构简单，便于制造，具有较大的增益和带宽，能够方便的调节阻抗和谐振频率，并能够适应多种应用环境的小型化偶极子天线。
本实用新型的偶极子天线采用弯折偶极子，具体地，该天线由弯折偶极子和感应线圈组成，偶极子和感应线圈可以通过感应耦合方式间接连接，也能够采用直接电连接方式。弯折偶极子包括弯折部分和直线部分；感应线圈为矩形或圆环等形状的线圈，并具有一个开口作为馈电点。
其中，通过调整弯折偶极子和感应线圈的结构，能够方便的实现不同的输入阻抗，从而实现与不同芯片的阻抗匹配。
本实用新型还提供了一种采用上述天线的RFID标签，包括：天线、芯片和基板。
天线通过蚀刻、丝网印刷或喷墨打印等方式制作在基板上。芯片采用倒装键合或strap等方式封装到天线上，使用导电胶形成天线与芯片之间的机械和电气连接。
其中，基板可以采用如下材料：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚氯乙烯(PVC)、乙酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、纸等柔性非导电材料或环氧树脂板(FR-4)等材料。
其中，天线采用铝、铜、银或银浆、导电油墨等材料，通过蚀刻、丝网印刷或喷墨打印等方式制作在基板上。
本实用新型的偶极子天线适用于860MHz-960MHz频段的无源标签，并具有结构简单，制作方便，并且能够方便的调节谐振频率和阻抗值，能够适应多种应用环境和各种UHF标签芯片等优点。
附图说明
图1是本实用新型实施例的偶极子天线平面图。
图2是使用本实用新型实施例的偶极子天线的RFID标签平面图。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施例对本实用新型进行说明，特定的实施例仅为说明用，并非对本实用新型的限定。
附图1为根据本实用新型实施例的偶极子天线10。该偶极子天线10由弯折偶极子11和感应线圈12组成，该感应线圈12设置在弯折偶极子11中间。感应线圈12上设置有馈电点111和112，用于连接芯片。
所述弯折偶极子11包括第一部分和第二部分，两部分可对称布置也可以不对称布置。第一部分包括上天线臂121、下天线臂151，以及矩形部分131和弯折线部分141。第二部分包括上天线臂122、下天线臂152，以及矩形部分132和弯折线部分142。
上天线臂121或122与下天线臂151或152通过矩形部分131或132连接，形成凹形，弯折线部分141或142位于该凹形中并与矩形部分131或132连接。
通过增加或减小上下天线臂的长度，能够方便的改变天线的阻抗和谐振频率。随着上臂121、122长度减小，天线阻抗幅值基本不变，最值点对应的频率增大。同时功率反射系数S11曲线形状和最小值都保持不变，谐振频率增大。改变下臂151、152或者同时改变上下臂都能达到相同的效果。通过调节天线的谐振频率，能够使标签适应不同的背景材料。
通过改变感应线圈12的大小，能够在保持谐振频率和阻抗实部基本不变的情况下，较明显地改变阻抗虚部，从而为天线与不同厂家的芯片实现阻抗匹配提供有利条件。减小感应线圈12，能够在保持阻抗峰值对应的频率不变的情况下，较大幅度地减小阻抗虚部，同时阻抗实部也会小幅度减小；而增大感应线圈则能够实现阻抗虚部较大幅度增大和实部小幅度增大。
附图2是使用上述天线10的RFID标签的一个实施例。
本实施例标签100由三部分组成：天线10、基板13和芯片14。
天线10可以采用铝、铜、银或银浆、导电油墨等材料，通过蚀刻、丝网印刷或喷墨打印等方式制作在基板13上。
芯片14采用倒装键合或strap等方式贴装到天线10的馈电点111和112上，并使用导电胶形成天线10与芯片14之间的机械和电气连接。
基板13可以采用如下材料：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚氯乙烯(PVC)、乙酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、纸等柔性非导电材料或环氧树脂板(FR-4)等材料。
Claims (5)
1.一种偶极子天线，包括弯折偶极子（11）和感应线圈（12），两者通过感应耦合方式间接连接或直接电连接方式连接，所述弯折偶极子（11）包括两部分，所述感应线圈（12）设置在所述弯折偶极子（11）两部分中间，该感应线圈（12）上设置有馈电点（111，112），用于连接芯片。
2.根据权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，所述折偶极子（11）每部分均包括上天线臂（121，122）、下天线臂（151,152），矩形部分（131,132）和弯折线部分（141,142），所述上天线臂（121，122）与下天线臂（151，152）通过所述矩形部分（131，132）连接，形成凹形，所述弯折线部分（141，142）位于该凹形中并与所述矩形部分（131，132）连接。
3.根据权利要求1或2所述的偶极子天线，其特征在于，所述感应线圈（12）为开口为圆形、方形或椭圆形的线圈，所述馈电点（111，112）设置在开口处。
4.一种RFID标签，包括基板（13）、芯片（14）和权利要求1-3中任一项所述的偶极子天线（10），所述偶极子天线（10）通过蚀刻、丝网印刷或喷墨打印制作在所述基板（13）上，所述芯片（14）封装在所述偶极子天线（10）上。
5.根据权利要求4所述的RFID标签，其特征在于，天线采用铝、铜、银或导电油墨制成。
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