CN202523841U - 一种金属嵌入式超高频射频识别标签天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种金属嵌入式超高频射频识别标签天线。基板为长方形介质，基板下表面设有金属地面，基板上表面一侧设有U字形金属辐射面，基板上表面另一侧设有共面波导平面，共面波导平面中间和U字形金属辐射面开口处设有开路短截线，第一短路墙位于基板短边的一侧，第二短路墙位于基板短边的另一侧，U字形金属辐射面底端处设有嵌入式凹槽，嵌入式凹槽与射频识别芯片的一端相连，开路短截线的一端与射频识别芯片的另一端相连，开路短截线另一端开路，共面波导平面通过第一短路墙与金属地面相连，金属辐射面通过第二短路墙与金属地面相连。本天线制作的金属嵌入式超高频射频识别标签天线具有抗金属特定，能嵌入到金属凹槽中使用。
Description
技术领域
本实用新型涉及射频识别技术领域，尤其涉及一种金属嵌入式超高频射频识别标签天线。
背景技术
超高频射频识别（Ultra high frequency radio frequency identification，简称UHF RFID）是一种利用微波射频读取标签信息的远距离自动识别技术。超高频射频识别最小系统一般由阅读器（Reader）和标签（Tag）两个部分组成。阅读器通过微波射频激活无源标签并读取标签上存储的信息。与传统条形码技术相比，超高频射频识别技术具有读取距离远、读取速度快、非可视识别、支持快速读写等优点；超高频射频识别技术与互联网、无线通信网络等技术相结合，可实现全球范围内物品的跟踪与信息共享，在物流供应链、生产自动化、公共信息服务、交通管理及军事应用等众多领域具有广阔的应用空间。超高频射频设别通过电磁波传播来读取数据，具有较远的读取距离。超高频射频识别技术主要包括无线能量传输与反向散射调制。通过无线能量传输激活标签；通过反向散射调制获取标签上存储的信息。超高频射频识别标签天线对于标签能量获取与信号反射具有重要作用。超高频由于读取距离远、成本低而有望在物流及交通领域获得广泛应用。一般说的射频识别技术即指超高频射频识别技术。超高频射频识别技术是物联网技术的重要组成部分。
在相当一部分超高频射频识别应用中，需要将标签粘贴于金属物体表面，譬如：汽车、钢瓶、集装箱等等。由于普通标签无法应用于金属表面，需要采用特殊设计的标签，称为抗金属标签或金属标签。但是，普通抗金属标签天线都需要贴在金属表面，天线的部分体积突出于金属表面。而在实际应用中，有时需要将标签嵌入到金属物体的凹槽之中，以便安装与使用。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种金属嵌入式超高频射频识别标签天线。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
金属嵌入式超高频射频识别标签天线包括金属地面、U字形金属辐射面、基板、嵌入式凹槽、共面波导平面、开路短截线、射频识别芯片、第一短路墙和第二短路墙；基板为长方形介质，基板下表面设有金属地面，基板上表面一侧设有U字形金属辐射面，基板上表面另一侧设有共面波导平面，共面波导平面中间和U字形金属辐射面开口处设有开路短截线，第一短路墙位于基板短边的一侧，第二短路墙位于基板短边的另一侧，U字形金属辐射面开口处底端处设有嵌入式凹槽，嵌入式凹槽与射频识别芯片的一端相连，开路短截线的一端与射频识别芯片的另一端相连，开路短截线另一端开路，共面波导平面通过第一短路墙与金属地面相连，金属辐射面通过第二短路墙与金属地面相连。
所述金属辐射面通过第二短路墙与金属地面相连，构成平面倒F天线结构 。所述共面波导平面与开路短截线同处于基板上表面，构成共面波导结构 。所述开路短截线的一端与射频识别芯片的另一端相连，开路短截线另一端开路，构成开路短截线馈电结构。
本实用新型的有益效果是：设计的金属嵌入式超高频射频识别标签天线具有抗金属特定，能嵌入到金属凹槽中使用。
附图说明
图1是金属嵌入式超高频射频识别标签天线结构示意图；
图2是金属嵌入式超高频射频识别标签天线俯视图；
图3是金属嵌入式超高频射频识别标签天线侧视图；
图4是金属嵌入式超高频射频识别标签天线示例的阻抗曲线图；
图5是金属嵌入式超高频射频识别标签天线示例的反射参数曲线图；
图中：金属地面1、U字形金属辐射面2、基片3、嵌入式凹槽4、共面波导平面5、开路短截线6、射频识别芯片7、第一短路墙8、第二短路墙9、金属物体10。
具体实施方式
超高频射频识别标签为无源标签，一般由标签天线与标签芯片组成。标签天线与标签芯片都为复阻抗。标签从阅读器天线发射的询问信号中获取能量及询问指令。当标签获得足够的能量时，标签芯片被激活。标签芯片被激活后，其根据阅读器的询问指令进行相应动作，并通过反向散射调制来发射数据。对超高频射频识别标签，应该设计标签天线与标签芯片阻抗匹配，从而实现最大能量传输。对金属嵌入应用环境，则要求标签天线具有较好的抗金属能力，即使嵌入金属凹槽也具有稳定的辐射性能。
本实用新型通过采用共面波导开路短截线馈电平面倒F天线实现金属嵌入式超高频射频识别抗金属标签天线的设计。以下以基于TI公司RI_UHF_00001_01型号超高频射频识别标签芯片的金属嵌入式超高频射频识别标签天线为实施方案并结合附图对本实用新型做详细的说明。
如图1、2、3所示，金属嵌入式超高频射频识别标签天线包括金属地面1、U字形金属辐射面2、基板3、嵌入式凹槽4、共面波导平面5、开路短截线6、射频识别芯片7、第一短路墙8和第二短路墙9；基板3为长方形介质，基板3下表面设有金属地面1，基板3上表面一侧设有U字形金属辐射面2，基板3上表面另一侧设有共面波导平面5，共面波导平面5中间和U字形金属辐射面2开口处设有开路短截线6，第一短路墙8位于基板3短边的一侧，第二短路墙9位于基板3短边的另一侧，U字形金属辐射面2开口处底端处设有嵌入式凹槽4，嵌入式凹槽4与射频识别芯片7的一端相连，开路短截线6的一端与射频识别芯片7的另一端相连，开路短截线6另一端开路，共面波导平面5通过第一短路墙8与金属地面1相连，金属辐射面2通过第二短路墙9与金属地面1相连。
所述金属辐射面2通过第二短路墙9与金属地面1相连，构成平面倒F天线结构 。所述共面波导平面5与开路短截线6同处于基板3上表面，构成共面波导结构 。所述开路短截线6的一端与射频识别芯片7的另一端相连，开路短截线6另一端开路，构成开路短截线馈电结构。
对于超高频射频识别标签，其射频识别芯片7一般是复阻抗。为了实现天线与芯片的最大能量传输，则需要天线的输入阻抗与芯片阻抗共轭匹配，这就要求天线输入阻抗的实部和虚部都具有灵活的调节的能力。对于本实用新型的标签天线，其属于平面倒F天线，串联了一段开路短截线，即开路短截线6。由射频电路可知，在0~0.5λ范围调节开路短截线的长度可以使得其电抗在-∞ ~ +∞范围内变化。因此，通过调节开路短截线6的长度可以实现任意电抗的调节。而天线的电阻（工作频带范围内）可以通过标签金属辐射面2的长度调节。因此，通过该方法可以实现标签天线阻抗的灵活调节，实现标签天线与芯片的阻抗共轭匹配。
平面倒F天线与共面波导结构都有利于克服金属嵌入式应用环境的影响，提高天线的抗金属性能。其中，平面倒F天线利用U字形金属辐射面2、金属地面1与第二短路墙9构建而成，应用于金属平面或金属凹槽都具有较稳定的性能。共面波导结构利用共面波导平面5、金属地面1与第一短路墙8构建而成，能有效克服天线的无效辐射，提高天线的增益。此外，由于第一短路墙8与第二短路墙9的存在，标签能克服金属凹槽的影响，当标签天线嵌入至金属物体10的凹槽之中时，仍然具有较好的辐射性能。
射频识别芯片7采用TI(Texas Instruments)公司的RI_UHF_00001_01型号超高频RFID标签芯片，915M频点的阻抗为9.9-j60.3Ω。基板3采用普通FR4印制板，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02，厚度为3mm，U字形金属辐射面2的长度37mm，U字形金属辐射面2宽度为20mm，U字形金属辐射面2的嵌入式凹槽嵌入深度为14mm，宽度为8mm，开路短截线的长度为30mm，宽度为3mm。通过电磁场仿真，天线的阻抗曲线、反射系数曲线分别如图4与图5。图4表示的是最优匹配时天线输入阻抗与芯片输入阻抗的阻抗曲线。图5表示的是不同开路短截线长度下标签天线的反射系数曲线。即，通过调节开路短截线的长度可以对匹配频点进行调节。其中，开路短截线的长度为30mm时阻抗匹配在频率914MHz，返回损耗小于-25dB。
上述方案只是本实用新型的一种具体实施方式，在符合本实用新型的特征下可以有多种不同应用方案，但这些应用方案只要符合本实用新型的特征，都应属于本实用新型的权利保护范围。
Claims (4)
1.一种金属嵌入式超高频射频识别标签天线，其特征在于包括金属地面（1）、U字形金属辐射面（2）、基板（3）、嵌入式凹槽（4）、共面波导平面（5）、开路短截线（6）、射频识别芯片（7）、第一短路墙（8）和第二短路墙（9）；基板（3）为长方形介质，基板（3）下表面设有金属地面（1），基板（3）上表面一侧设有U字形金属辐射面（2），基板（3）上表面另一侧设有共面波导平面（5），共面波导平面（5）中间和U字形金属辐射面（2）开口处设有开路短截线（6），第一短路墙（8）位于基板（3）短边的一侧，第二短路墙（9）位于基板（3）短边的另一侧，U字形金属辐射面（2）开口处底端处设有嵌入式凹槽（4），嵌入式凹槽（4）与射频识别芯片（7）的一端相连，开路短截线（6）的一端与射频识别芯片（7）的另一端相连，开路短截线（6）另一端开路，共面波导平面（5）通过第一短路墙（8）与金属地面（1）相连，金属辐射面（2）通过第二短路墙（9）与金属地面（1）相连。
2.根据权利要求1所述金属嵌入式超高频射频识别标签天线，其特征在于，所述金属辐射面（2）通过第二短路墙（9）与金属地面（1）相连，构成平面倒F天线结构 。
3.根据权利要求1所述金属嵌入式超高频射频识别标签天线，其特征在于，所述共面波导平面（5）与开路短截线（6）同处于基板（3）上表面，构成共面波导结构 。
4.根据权利要求1所述金属嵌入式超高频射频识别标签天线，其特征在于，所述开路短截线（6）的一端与射频识别芯片（7）的另一端相连，开路短截线（6）另一端开路，构成开路短截线馈电结构。
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