CN201966324U

CN201966324U - 一种射频识别双频标签天线

Info

Publication number: CN201966324U
Application number: CN2011200633345U
Authority: CN
Inventors: 曾文波; 赵嘉
Original assignee: Guangxi University of Science and Technology
Current assignee: Guangxi University of Science and Technology
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2021-03-11

Abstract

本实用新型射频识别双频标签天线，涉及一种天线，其包括呈矩形的微波介质基板，微波介质基板的一个表面覆有金属层，在微波介质基板表面的金属层上蚀刻有缝隙结构，缝隙结构包括一条连续的水平缝隙及复数条设置在水平缝隙两侧并与水平缝隙连通的竖直缝隙，水平缝隙与竖直缝隙在微波介质基板上形成微带梳形缝隙结构，在水平缝隙的中部两侧设置有分别与射频芯片的两个输出管脚连接的射频芯片安装区域，竖直缝隙的高度互不相等且是逐渐变化的。采用上述结构的标签天线可与射频标签芯片直接馈电、结构简单，并可通过改变缝隙高度或宽度，方便地实现标签天线与射频标签芯片宽带匹配，对于特定的射频标签芯片，更易于实现UHF和微波频段的双频设计。

Description

一种射频识别双频标签天线

技术领域

本实用新型涉及一种天线，特别是一种标签天线。

背景技术

射频识别（RFID）技术是一种利用射频率通信实现的非接触自动识别技术，近年来，随着大规模集成电路、网络通信等技术的发展，RFID技术的研究日益受到关注，并在物流、商场管理、非接触读卡系统等领域得到了广泛的应用。一个典型的RFID系统由RFID读写器和电子标签两大部分构成，其中，电子标签大多是无源的，它依靠RFID读写器发出的电磁波供电，并通过发射调制后的射频信号与读写器通信。RFID系统工作频段划分如下表所示：

频段	频率范围	作用距离	典型应用例子
				LF频段	100-500 KHz	几个厘米	通道控制
HF频段	13.56 MHz	1米左右	公交IC卡
				UHF频段	840-960 MHz	5~10 米	高速公路收费
微波频段	2.4 -5.8GHz	10 米以上	高速公路收费

在RFID系统中，电子标签性能的优劣直接影响到系统的工作性能（如：最大识别距离，工作带宽等）。无源电子标签由射频芯片（RFIC）和标签天线两部分构成，其中，射频芯片（RFIC）用于存储数据和将电磁波转换成标签电路所需的直流电能，而标签天线则用于与读写器进行射频通信。显然，电子标签的性能，主要取决于所选用的射频芯片（RFIC）和标签天线。由于 RFIC是大规模集成电路芯片，其设计和批量生产需要昂贵的投资，世界上只有为数不多的IC芯片制造商生产，因此，对于实际的射频识别（RFID）应用系统，需要设计合适的标签天线以匹配市场上可用的特定芯片，来构成RFID系统的电子标签。

目前，无论国内外，主要通过采用印刷电路板（PCB）或纸基材料作为标签天线的介质，前者采用蚀刻工艺，将标签天线的形状蚀刻在印刷电路板（PCB）上，而后者则直接将天线的形状电镀在纸基材料上。天线结构是标签天线研究的热点之一，在现有的UHF频段以及微波频段RFID应用系统中，标签天线多采用偶极子或其变形及分形结构，并通过折弯、加载等手段减少天线的体积。这类天线最大的缺点是阻抗带宽窄，其阻抗相对带宽一般小于10%，难以满足需要高速率数据传输的RFID系统的要求，更难实现双频设计（即标签天线可同时工作在两个RFID频段）。通常，需要引入一定的带宽拓展技术，增加附加结构，才能提高该类结构标签天线的阻抗带宽，这显然增加了标签天线设计、制作的复杂性，在批量生产中，也很难控制产品的性能和质量。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了提供一种容易实现天线与各类UHF和微波频段的射频芯片（简称RFIC）匹配、阻抗相对带宽可做到30%以上并能实现双频宽带工作的射频识别双频标签天线。

本实用新型为实现上述目的采用的技术方案是：一种射频识别双频标签天线，包括呈矩形的微波介质基板，微波介质基板的一个表面覆有金属层，在微波介质基板表面的金属层上蚀刻有缝隙结构，缝隙结构包括一条连续的水平缝隙及复数条设置在水平缝隙两侧并与水平缝隙连通的竖直缝隙，水平缝隙与竖直缝隙在微波介质基板上形成微带梳形缝隙结构，在水平缝隙的中部两侧设置有分别与射频芯片的两个输出管脚连接的射频芯片安装区域，竖直缝隙的高度互不相等且是逐渐变化的。

其中竖直缝隙均匀对称的分布在水平缝隙的上下两侧并与水平缝隙连通。

其中在水平缝隙竖直方向中线左右两侧的竖直缝隙也相互对称。

其中竖直缝隙相互错开地分布在水平缝隙的上侧或下侧并与水平缝隙连通，具体为：若在水平缝隙竖直方向中线左侧的竖直缝隙设置在水平缝隙的上方，在水平缝隙竖直方向中线右侧的竖直缝隙则设置在水平缝隙的下方；若在水平缝隙竖直方向中线左侧的竖直缝隙设置在水平缝隙的下方，在水平缝隙竖直方向中线右侧的竖直缝隙则设置在水平缝隙的上方。

其中竖直缝隙的缝隙高度由微波介质基板两侧向微波介质基板中心位置的方向逐渐减小。

其中竖直缝隙的缝隙高度由微波介质基板两侧向微波介质基板中心位置的方向逐渐增加。

由于采用上述结构特征，本实用新型射频识别双频标签天线具有以下有益效果：

1、标签天线与RFIC直接馈电，结构简单

由于本实用新型之射频识别双频标签天线直接在表面覆有金属层的微波介质基板上蚀刻一条连续的水平缝隙及复数条设置在水平缝隙两侧并与水平缝隙连通的竖直缝隙，标签用的射频芯片直接焊接在水平缝隙的中部，芯片的两个输出管脚分别焊在水平缝隙的两侧，标签天线与射频芯片直接馈电，整体结构简单。

2、采用简单的梳形缝隙结构，通过改变缝隙高度或宽度，方便地实现标签天线与标签射频芯片（RFIC）宽带匹配

本实用新型之射频识别双频标签天线直接在表面覆有金属层微波介质基板上蚀刻一条连续的水平缝隙及复数条设置在水平缝隙两侧并与水平缝隙连通的竖直缝隙，水平缝隙与竖直缝隙在基板上形成微带梳形缝隙结构，实验证明，可以通过改变水平缝隙或竖直缝隙的高度或宽度，方便地实现标签天线与RFIC宽带匹配。

3、对于特定的标签射频芯片（RFIC），易于实现UHF和微波频段的双频设计

本实用新型之射频识别双频标签天线直接在表面覆有金属层微波介质基板上蚀刻一条连续的水平缝隙及复数条设置在水平缝隙两侧并与水平缝隙连通的竖直缝隙，水平缝隙与竖直缝隙在微波介质基板上形成微带梳形缝隙结构，经过实验证明，对于特定的标签射频芯片（RFIC），易于实现UHF和微波频段的双频设计。

下面结合附图和实施例对本实用新型射频识别双频标签天线作进一步的说明。

附图说明

图1是本实用新型射频识别双频标签天线的结构示意图。

图2是图1的侧视图。

图3是本实用新型射频识别双频标签天线回波损耗的仿真和实际测量结果图。

图4是本实用新型射频识别双频标签天线在f = 915 MHz频率点上的仿真方向图。

图5是本实用新型射频识别双频标签天线在f = 2.45 GHz频率点上的仿真方向图。

图6是本实用新型射频识别双频标签天线第二实施例的结构示意图。

图7是本实用新型射频识别双频标签天线第三实施例的结构示意图。

原件符号说明：

1-微波介质基板，2-竖直缝隙，3-水平缝隙，4-射频芯片安装区域，5-射频芯片（RFIC），6-水平缝隙竖直方向中线。

具体实施方式

实施例一：

如图1、图2所示，本实用新型射频识别双频标签天线（下面简称“标签天线”）包括呈矩形的微波介质基板1，微波介质基板1设有上下两表面，微波介质基板1的一个表面覆有金属层，微波介质基板1为L×W的长方形单面FR4印刷电路板，印刷电路板的相对介电常数为ε_r，厚度为d ，损耗角正切为tans，微波介质基板1（印刷电路板）表面的金属层上蚀刻有穿透金属层的缝隙，缝隙包括一条连续的水平缝隙3及复数条设置在水平缝隙3两侧并与水平缝隙3连通的竖直缝隙2，水平缝隙3与竖直缝隙2在微波介质基板1上形成微带梳形缝隙结构，水平缝隙3中部位置上下两侧设有用以安装射频芯片5的射频芯片安装区域4，射频芯片（RFIC）的输出脚（图中未示出）直接与水平缝隙3中部位置上下边的金属通过焊接连接。在本实施例中，竖直缝隙2均匀对称的分布在水平缝隙3的上下两侧并与水平缝隙3连通，在水平缝隙竖直方向中线6左右两侧的竖直缝隙2也相互对称，本实施例在水平缝隙竖直方向中线6左右两侧分别设有四条竖直缝隙2，水平缝隙3的宽度为W _g，竖直缝隙2的宽度为W _S，由微波介质基板1两侧向微波介质基板1中心位置方向四条竖直缝隙2的高度依次为L₁、L₂、L₃、L₄。相邻竖直缝隙2的高度互不相等且是逐渐变化的。在本实施例中竖直缝隙2的高度由微波介质基板1两侧向微波介质基板1中心位置的方向逐渐减小。

对于给定的射频芯片（RFIC），可通过调整水平缝隙3和竖直缝隙2的宽度W _g、W _S以及竖直缝隙2的高度L ₁~ L ₄来实现宽带阻抗匹配及双频工作。标签天线设计的一组几何参数如表1所示。

表1：标签天线几何参数（ε_r =4.4，tans=0.002，尺寸参数的单位为：mm）

W	L	d	S	L ₁	L ₂	L ₃	L ₄	W _S	W _g
										70	40	0.5	5	15	10	7	5	2	1.5

附图3是表1数据的标签天线输入端回波损耗的仿真和实际测量结果，由图可见，针对目标RFID芯片ATA5990，标签天线在800-1150 MHz以及2.0-2.75 GHz的RFID-UHF和微波频率范围内，回波损耗S₁₁小于-10 dB，相对带宽分别为36%和31.2%。显然，标签天线在UHF和微波频段内，与目标芯片有良好的阻抗匹配特性。实验采用的仿真工具为：美国ANSOFT 公司商用高频仿真软件HFSS V.10，测试工具：安捷伦网络分析仪，型号：Agilent 8753ES，目标芯片：美国ATMEL公司ATA5590，参考输入阻抗：Zin=12-j150。

附图4图5分别是表1数据的标签天线在915 MHz和2.45 GHz频率点上的仿真方向图，显然，在UHF和微波频段的频率点上，标签天线在H面和E面分别是全向辐射和8字型辐射，而且标签天线方向图变化不大。实验采用的仿真工具为：美国ANSOFT 公司商用高频仿真软件HFSS V.10。

下面表2是表1数据的标签天线经过试验测量得出标签天线在最大辐射方向上实测的增益，在f = 915 MHz和f = 2.45 GHz时，天线增益分别为1.35 dBi和1.7 dBi。

表2：标签天线增益测量结果

f (GHz)	0.82	0.84	0.9	0.915	2.40	2.45	2.50	2.60
									Gain(dBi)	0.2	0.8	1.0	1.35	1.6	1.7	1.6	1.1

显然，本实用新型所设计标签天线符合中长距离RFID系统对标签天线电气性能的一般要求，并能同时工作于UHF和微波频段。

采用上述结构的标签天线具有以下有益效果：标签天线与射频标签芯片（RFIC）直接馈电，结构简单；方便地实现天线与射频标签芯片宽带阻抗匹配；易于实现UHF和微波频段的双频设计。

对于采用其他参数的印刷电路板，或采用其它型号的射频标签芯片，更改、调整以上数据，如适当调整各竖直缝隙2的高度L ₁~L ₄，必要时调整W _g和W _S，通过访真优化，即可实现标签芯片和标签天线的快速阻抗匹配，也可以很快设计出满足UHF和微波频段射频识别系统要求的标签天线。此外，对于采用不同型号的射频识别标签芯片，也可简单地通过调整介质材料类型和天线尺寸参数完成满足要求的标签天线设计。

本实用新型标签天线可广泛应用于诸如RFID高速公路不停车收费系统、RFID家校通系统或者RFID煤矿安全定位系统等对电子标签尺寸要求不是很严格的RFID应用场合。

实施例二：

如图6所示，本实用新型射频识别双频标签天线与实施例一所述标签天线的不同之处在于：竖直缝隙2的高度由微波介质基板两侧向微波介质基板中心位置的方向逐渐增加。其在实施过程中也可达到实施例一所述的技术效果，在此不再重复叙述。

实施例三：

如图7所示，本实用新型射频识别双频标签天线与实施例一所述标签天线的不同之处在于：竖直缝隙2相互错开的分布在水平缝隙3的上侧或下侧并与水平缝隙3连通，具体为：在水平缝隙竖直方向中线6左侧的竖直缝隙2设置在水平缝隙3的下方，在水平缝隙竖直方向中线6右侧的竖直缝隙2则设置在水平缝隙3的上方。其在实施过程中也可达到实施例一所述的技术效果，在此不再重复叙述。当然竖直缝隙相互错开的分布在水平缝隙的上侧或下侧，并不限于上述形式，如当在水平缝隙竖直方向中线左侧的竖直缝隙设置在水平缝隙的上方，在水平缝隙竖直方向中线右侧的竖直缝隙则设置在水平缝隙的下方（图中未示出），在实施过程中也可达到实施例一所述的技术效果。

作为本实用新型的变换形式：标签天线的结构也不限于上述实施例所述的结构，如竖直缝隙也可不对称的分布在水平缝隙的上下两侧，只要在本实用新型的范围内变换均属于本实用型新的范畴。

Claims

1.一种射频识别双频标签天线，其特征在于，包括呈矩形的微波介质基板（1），微波介质基板（1）的一个表面覆有金属层，在微波介质基板（1）表面的金属层上蚀刻有缝隙结构，缝隙结构包括一条连续的水平缝隙（3）及复数条设置在水平缝隙（3）两侧并与水平缝隙（3）连通的竖直缝隙（2），水平缝隙（3）与竖直缝隙（2）在微波介质基板（1）上形成微带梳形缝隙结构，在水平缝隙（3）的中部两侧设置有分别与射频芯片的两个输出管脚连接的射频芯片安装区域（4），竖直缝隙（2）的高度互不相等且是逐渐变化的。

2.如权利要求1所述的射频识别双频标签天线，其特征在于，竖直缝隙（2）均匀对称的分布在水平缝隙（3）的上下两侧并与水平缝隙（3）连通。

3.如权利要求2所述的射频识别双频标签天线，其特征在于，在水平缝隙竖直方向中线（6）左右两侧的竖直缝隙（2）也相互对称。

4.如权利要求1所述的射频识别双频标签天线，其特征在于，竖直缝隙（2）相互错开的分布在水平缝隙（3）的上侧或下侧并与水平缝隙（3）连通，具体为：若在水平缝隙竖直方向中线（6）左侧的竖直缝隙（2）设置在水平缝隙（3）的上方，在水平缝隙竖直方向中线（6）右侧的竖直缝隙（2）则设置在水平缝隙（3）的下方；若在水平缝隙竖直方向中线（6）左侧的竖直缝隙（2）设置在水平缝隙（3）的下方，在水平缝隙竖直方向中线（6）右侧的竖直缝隙（2）则设置在水平缝隙（3）的上方。

5.如权利要求2、3或4所述的射频识别双频标签天线，其特征在于，竖直缝隙（2）的缝隙高度由微波介质基板（1）两侧向微波介质基板（1）中心位置的方向逐渐减小。

6.如权利要求2、3或4所述的射频识别双频标签天线，其特征在于，竖直缝隙（2）的缝隙高度由微波介质基板（1）两侧向微波介质基板（1）中心位置的方向逐渐增加。