CN202217292U - 读写器、电子标签和射频识别系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及读写器、电子标签和射频识别系统。所述读写器与电子标签进行通信，包括射频识别读写器天线，所述射频识别读写器天线包括第一介质基板以及覆盖于该第一介质基板上的第二介质基板；该第一介质基板一侧表面上设置有金属片以及围绕该金属片设置的馈线，该馈线以耦合方式馈入该金属片，且该金属片上镂空有微槽结构。本实用新型还涉及电子标签和射频识别系统。本实用新型通过在第一介质基板上覆盖第二介质基板，两块介质基板之间形成耦合电容使得天线工作在低频时无需增长馈线长度，减小了天线的体积。

Description

读写器、电子标签和射频识别系统

技术领域

本实用新型属于通信领域，具体地，涉及读写器、电子标签和射频识别系统。

背景技术

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。

RFID系统至少包含电子标签和阅读器两部分，其中电子标签附在物体上面并包含有唯一的ID号和物品的信息；读写器用于读取电子标签上的信息，从而实现物体的自动识别。RFID系统工作时，由读写器通过读写器天线发出射频信号，电子标签通过标签天线接收到读写器发出的读写指令后，返回射频信号进行响应，把ID号和物品信息传递给读写器，从而实现物品自动识别。

现有的天线主要为偶极子天线和PIFA天线，此类天线尺寸、带宽、增益等重要指标受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益极限、带宽极限等)。这些指标极限的基本物理原理使得天线的小型化技术难度远远超过了其它器件，而由于射频器件的电磁场分析的复杂性，逼近这些极限值都成为了巨大的技术挑战。因此当在设计中遇到天线使用空间小、工作频率低、工作在多模问题时，其就显得力不从心。为解决上述问题，现有技术的解决方案一般是通过在天线外部额外设置匹配线路来实现多模的辐射要求。加入匹配网络后，功能上是可实现低频、多模的工作要求，但是由于非常大的一部分能量损失在匹配网络上，其辐射效率将极大的降低。因此，小天线在面对现有终端设备小体积、低工作频率、宽带多模等问题时，设计的过程中受到了极大的制约。对于读写器和电子标签而言，其对应的天线的小型化也是亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的一个技术问题在于，针对上述缺陷，提供进一步缩短天线尺寸并在低工作频段工作良好的读写器、电子标签和射频识别系统。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种读写器，与电子标签进行通信，包括射频识别读写器天线，所述射频识别读写器天线包括第一介质基板以及覆盖于该第一介质基板上的第二介质基板；该第一介质基板一侧表面上设置有金属片以及围绕该金属片设置的馈线，该馈线以耦合方式馈入该金属片，且该金属片上镂空有微槽结构。

在本实用新型所述的读写器中，该微槽结构为互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构以及互补式弯折线结构中的一种，或者是通过上述结构衍生、复合或者组阵得到的微槽结构。

在本实用新型所述的读写器中，该馈线围绕该金属片设置且不与该金属片接触而使得该馈线以容性耦合方式馈入该金属片。

在本实用新型所述的读写器中，该馈线与该金属片之间设置有可短接点，该可短接点电连接该馈线和该金属片使得该馈线以感性耦合方式馈入该金属片。

本实用新型还提供一种电子标签，与读写器进行通信，其特征在于，包括射频识别标签天线，所述射频识别标签天线包括第一介质基板以及覆盖于该第一介质基板上的第二介质基板；该第一介质基板一侧表面上设置有金属片以及围绕该金属片设置的馈线，该馈线以耦合方式馈入该金属片，且该金属片上镂空有微槽结构。

在本实用新型所述的电子标签中，该微槽结构为互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构以及互补式弯折线结构中的一种，或者是通过上述结构衍生、复合或者组阵得到的微槽结构。

在本实用新型所述的电子标签中，该馈线围绕该金属片设置且不与该金属片接触而使得该馈线以容性耦合方式馈入该金属片。

在本实用新型所述的电子标签中，该馈线与该金属片之间设置有可短接点，该可短接点电连接该馈线和该金属片使得该馈线以感性耦合方式馈入该金属片。

本实用新型还提供一种射频识别系统，至少包括电子标签和如上所述的读写器，所述读写器通过射频识别读写器天线与所述电子标签通信。

本实用新型还提供另一种射频识别系统，至少包括读写器和如上所述的电子标签，所述电子标签通过射频识别标签天线与所述读写器通信。

实施本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：通过在第一介质基板上覆盖第二介质基板，两块介质基板之间形成耦合电容使得天线工作在低频时无需增长馈线长度，减小了天线的体积。

附图说明

图1为本实用新型天线的结构示意图；

图2a为互补式开口谐振环结构的示意图；

图2b所示为互补式螺旋线结构的示意图；

图2c所示为开口螺旋环结构的示意图；

图2d所示为双开口螺旋环结构的示意图；

图2e所示为互补式弯折线结构的示意图；

图3a为图2a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图；

图3b为图2a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图；

图4a为三个图2a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图；

图4b为两个图2a所示的互补式开口谐振环结构与图5b所示为互补式螺旋线结构的复合示意图；

图5为四个图2a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图；

图6是本实用新型的射频识别系统的结构示意图；

图7是本实用新型的另一射频识别系统的结构示意图。

具体实施方式

射频识别系统的读写器包括射频识别读写器天线，通过射频识别读写器天线与电子标签进行通信。为了更好的描述本实用新型的射频识别读写器天线的结构，采用透视图画法，如图1所示。应当注意的是，本实用新型提供的天线既适用于射频识别读写器天线，也适用于射频识别标签天线。

超材料是由具有一定图案形状的人造微结构按照特定方式周期排列于基材上而构成。人造微结构不同的图案形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。其中，当该人造微结构处于谐振频段时，该人造微结构将表现出高度的色散特性，所谓高度的色散特性是指该人造微结构的阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。

本实用新型利用超材料的上述原理，来设计射频识别标签天线和射频识别读写器天线，其将微槽结构附着于第一介质基板上并利用微槽结构的高度色散特性使得天线具有丰富的辐射特性从而省去了阻抗匹配网络的设计以实现天线小型化；另外，本实用新型还在天线结构中加入第二介质基板，第二介质基板覆盖于第一介质基板上使得天线的分布电容增大。

下面以射频识别读写器天线为例进行阐述。

如图1所示，图1为本实用新型天线的结构示意图。为更清楚的表示本实用新型的结构，图1采用透视图画法。图1中，射频识别读写器天线包括第一介质基板1以及覆盖于该第一介质基板1上的第二介质基板2；该第一介质基板一侧表面上设置有金属片10以及围绕该金属片10设置的馈线11，该馈线11以耦合方式馈入该金属片10，且该金属片上10镂空有微槽结构101。

金属片10以及在金属片10上形成的微槽结构101使得金属片10构成一个等效介电常数按照洛仑兹材料谐振模型色散的电磁材料从而实现改变天线辐射特性的目的。图2a到图5给出了一系列可实现本实用新型目的的微槽结构拓扑图案。当应知微槽结构的设计种类有无穷多种，并不局限于图2a到图5的举例，但基本都是谐振结构，这里微槽结构的设计可以根据金属片的拓扑特性，如衍生与复合进行修改。图2a为互补式开口谐振环结构；图2b为互补式螺旋线结构；图2c为开口螺旋结构；图2d为双开口螺旋环结构；图2e为互补式弯折结构。微槽结构还可以是上述图2a至图2e结构的衍生、复合或者组阵。衍生分为两种，一种是几何形状衍生，另一种是扩展衍生，此处的几何形状衍生是指功能类似、形状不同的结构衍生，例如由方框类结构衍生到曲线类结构、三角形类结构及其它不同的多边形类结构；此处的扩展衍生即在图2a至图2e的基础上开设新的槽以形成新的微槽结构；以图2a所示的互补式开口谐振环结构为例，图3a为其几何形状衍生示意图，图3b为其几何形状衍生示意图。此处的复合是指，图2a至图2e的微槽结构多个叠加形成一个新的微槽结构，如图4a所示，为三个图2a所示的互补式开口谐振环结构复合后的结构示意图；如图2b所示，为两个图2a所示的互补式开口谐振环结构与图2b所示为互补式螺旋线结构共同复合后的结构示意图。此处的组阵是指由多个图2a至图2e所示的微槽结构在同一金属片上阵列形成一个整体的微槽结构，如图5所示，为多个如图2a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。本实施例中以图2c所示的开口螺旋环结构举例说明。

馈线11通过可短接点50与金属片10电连接从而与金属片10形成感性耦合以对其进行馈电。可短接点50的位置可以是任意位置。另外馈线10对金属片10馈电的方式还可以是容性耦合馈电方式，即馈线10围绕金属片10设置而不与金属片10接触。第二介质基板2覆盖于第一介质基板1的方式为多样的，可采用贴附、吸附或者压制等方式。

由天线射频原理可知，电长度是描述电磁波波形变化频繁程度的物理量，电长度＝物理长度/波长。当天线工作于低频时，低频对应的电磁波波长较长，在需要保持电长度不变的前提下，增长物理长度就是必要的选择。然而增大物理长度必然不能满足天线小型化的要求。本实用新型在第一介质基板1上覆盖设置有第二介质基板2，当天线在接收或者发射电磁波时，电磁波均需要通过第二介质基板2才能被发射或者被接收从而使得天线整体的分布电容增大。根据公式

可知，增大分布电容能有效降低天线工作频率使得在不增加物理长度的前提下就可保持电长度不变。并且通过改变第二介质基板2与第一介质基板1的材质即可改变天线整体的分布电容从而针对不同的频率均可达到在不改变物理长度的前提下改变电长度的目的，这样就可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的射频天线。

本实用新型的第一介质基板的材质可选用陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料；其中高分子材料优选聚四氟乙烯、F4B或FR-4。本实用新型的第二介质基板的材质可选用陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料；其中高分子材料优选聚四氟乙烯、F4B或FR-4。

在本实用新型中，关于天线的加工制造，只要满足本实用新型的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造均可满足本实用新型的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入RFID中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成芯片微结构部分的加工，用铁片来完成其它辅助部分。

本实用新型还提供一种电子标签，该电子标签包括射频识别标签天线，通过射频识别标签天线与读写器进行通信。射频识别标签天线的具体结构设计同上述的射频识别读写器天线，即上文所述的内容同样适用于电子标签中的射频识别标签天线，因此不再赘述。

本实用新型还提供了一种射频识别系统，如图6所示，射频识别系统600至少包括电子标签601和读写器602，读写器602包括如上所述的射频识别读写器天线。射频识别系统600工作时，由读写器602通过射频识别读写器天线发出射频信号，电子标签601通过标签天线接收到读写器602发出的读写指令后，返回射频信号进行响应，把ID号和物品信息传递给读写器602，从而实现物品自动识别。

本实用新型还提供了另一种射频识别系统，如图7所示，射频识别系统700至少包括电子标签701和读写器702，电子标签701包括与上述任一实施例所述的射频识别读写器天线相同结构的射频识别标签天线。射频识别系统700工作时，由读写器702通过读写器天线发出射频信号，电子标签701通过射频识别标签天线接收到读写器702发出的读写指令后，返回射频信号进行响应，把ID号和物品信息传递给读写器702，从而实现物品自动识别。

RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物晶片、汽车晶片防盜器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理等等。本实用新型通过在第一介质基板上覆盖第二介质基板，两块介质基板之间形成耦合电容使得天线工作在低频时无需增长馈线长度，减小了天线的体积。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (10)

1.一种读写器，与电子标签进行通信，其特征在于，包括射频识别读写器天线，所述射频识别读写器天线包括第一介质基板以及覆盖于该第一介质基板上的第二介质基板；该第一介质基板一侧表面上设置有金属片以及围绕该金属片设置的馈线，该馈线以耦合方式馈入该金属片，且该金属片上镂空有微槽结构。

2.根据权利要求1所述的读写器，其特征在于，该微槽结构为互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构或互补式弯折线结构。

3.根据权利要求1所述的读写器，其特征在于，该馈线围绕该金属片设置且不与该金属片接触而使得该馈线以容性耦合方式馈入该金属片。

4.根据权利要求1所述的读写器，其特征在于，该馈线与该金属片之间设置有可短接点，该可短接点电连接该馈线和该金属片使得该馈线以感性耦合方式馈入该金属片。

5.一种电子标签，与读写器进行通信，其特征在于，包括射频识别标签天线，所述射频识别标签天线包括第一介质基板以及覆盖于该第一介质基板上的第二介质基板；该第一介质基板一侧表面上设置有金属片以及围绕该金属片设置的馈线，该馈线以耦合方式馈入该金属片，且该金属片上镂空有微槽结构。

6.根据权利要求5所述的电子标签，其特征在于，该微槽结构为互补式开口谐振环结构、互补式螺旋线结构、开口螺旋环结构、双开口螺旋环结构或互补式弯折线结构。

7.根据权利要求5所述的电子标签，其特征在于，该馈线围绕该金属片设置且不与该金属片接触而使得该馈线以容性耦合方式馈入该金属片。

8.根据权利要求5所述的电子标签，其特征在于，该馈线与该金属片之间设置有可短接点，该可短接点电连接该馈线和该金属片使得该馈线以感性耦合方式馈入该金属片。

9.一种射频识别系统，其特征在于，至少包括电子标签和如权利要求1～4 任一项所述的读写器，所述读写器通过射频识别读写器天线与所述电子标签通信。

10.一种射频识别系统，其特征在于，至少包括读写器和如权利要求5～8任一项所述的电子标签，所述电子标签通过射频识别标签天线与所述读写器通信。 

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