CN206271011U - 具有人工磁导体反射板的抗金属rfid标签天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有人工磁导体反射板的抗金属RFID标签天线。一般常用的RFID天线常采用偶极子结构，这类RFID天线使用在金属材质的物品上时，由于金属的反射相位为180°的特性，天线辐射的电磁波会被反射波消减，造成增益下降；并且由于天线与金属之间的近场耦合，天线阻抗会受到严重影响，造成能量效率下降。本实用新型针对标签天线应用在金属物品上的场合，使用弯折型偶极子标签天线，设计一种人工磁导体结构放置于天线背面作为天线的反射板，从而改变背向反射特性，增大天线增益，同时减弱金属对天线阻抗的影响，最终提高标签天线的阅读距离。
Description
技术领域
本实用新型属于天线技术与无线通信领域，涉及一种具有人工磁导体反射板的抗金属RFID标签天线。
背景技术
RFID英文全称是Radio Frequency Identification，中文名为射频识别技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触的通信技术。
RFID标签天线作为RFID系统的重要组成部分，它的性能将极大的影响整个RFID系统的效率与质量。影响RFID天线性能的主要因素包括天线的尺寸、工作频段、阻抗及增益等。一般常用的RFID天线常采用弯折线型偶极子形式，便于缩减天线尺寸及天线加工。但这类RFID天线使用在金属材质的物品上时，由于金属的反射相位为180°的特性，天线辐射的电磁波会被反射波消减，造成增益下降；并且由于天线与金属之间的近场耦合，天线阻抗会受到严重影响，造成能量效率下降。为了应对RFID标签天线在金属环境下的应用场合，使用人工磁导体结构作为天线反射板来改变背向反射特性，同时减小金属对天线阻抗的影响，是一种提高RFID标签天线抗金属性能的解决方案。
发明内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有人工磁导体反射板的抗金属RFID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：一种具有人工磁导体反射板的抗金属RFID标签天线，包括弯折型偶极子标签天线和设置在弯折型偶极子标签天线背面的人工磁导体结构反射板；所述弯折型偶极子标签天线包括天线基底和覆盖在天线基底正面的中心的矩形阻抗匹配结构、两侧分别经过五次弯折的微带线闭环结构和外沿的微带线环绕结构；所述人工磁导体结构反射板正面包括两片间隔一定距离的关于中心对称的矩形金属贴片，背面完全覆盖金属。
进一步地，所述弯折型偶极子标签天线和人工磁导体结构反射板中间设置塑料泡沫板。
进一步地，所述矩形阻抗匹配结构呈扁长的口字型，底边中间安装RFID芯片。
进一步地，所述微带线闭环结构左右对称，左右每一侧都经过五次弯折，在右边一侧，从中间往右看，微带线先顺时针弯折，再经过两次逆时针弯折，然后经过两次顺时针弯折，每次弯折的角度都是90°；所述微带线闭环结构中间下方的微带线有一段与矩形阻抗匹配结构重合。
进一步地，所述外沿的微带线环绕结构的底边处微带线并不闭合，而是从中间断开向里弯折延伸，并与矩形阻抗匹配结构的底边相连。
进一步地，两片矩形金属贴片覆盖在反射板基底正面，中间的间隔为2mm，左侧矩形金属贴片距离反射板基底左侧边缘的距离和右侧矩形金属贴片距离反射板基底右侧边缘的距离相等，均为1mm，反射板基底背面完全覆盖金属。
进一步地，弯折型偶极子标签天线和人工磁导体结构反射板均正面朝上放置，以中央对齐方式对齐。
本实用新型的有益效果是：本实用新型的RFID标签天线工作在FCC频段(902MHz-928MHz)下，可以应用在金属物体表面，且天线增益和阻抗受金属的影响小，具备良好的抗金属性能。
附图说明
图1是弯折型偶极子标签天线结构图；
图2是人工磁导体反射板正面结构图；
图3是整体结构剖视图；
图4是人工磁导体反射板的反射相位曲线图；
图5是标签分别在金属物体表面和自由空间中的功率反射系数曲线图；
图6是标签应用在金属表面时的阅读距离测试图；
图中，矩形阻抗匹配结构1-1、微带线闭环结构1-2、微带线环绕结构1-3、RFID芯片1-4、天线基底1-5、矩形金属贴片2-1、反射板基底2-2、弯折型偶极子标签天线3-1、塑料泡沫板3-2、人工磁导体结构反射板3-3。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详述。
图1展示了弯折型偶极子标签天线的结构，它主要由处于中心位置的矩形阻抗匹配结构1-1、位于两侧的经过五次弯折的微带线闭环结构1-2和外沿的微带线环绕结构1-3组成。天线的总体尺寸是108.6mm×36mm，天线基底1-5使用的材料是RFID标签加工中常用的FR4环氧树脂，它的相对介电常数是4.4，尺寸参数是110.6mm×38mm×1.5mm。矩形阻抗匹配结构1-1呈扁长的“口”字型，它的内侧尺寸为42mm×5mm，外侧尺寸为48mm×8mm，底边中间安装RFID芯片1-4。RFID芯片1-4可采用Impinj Monza4Dura。阻抗匹配结构1-1两侧是弯折的微带线闭环结构1-2，该结构左右对称，左右每一侧都经过五次弯折，在右边一侧，从中间往右看，微带线先经过一次顺时针弯折，再经过两次逆时针弯折，然后经过两次顺时针弯折，每次弯折的角度都是90°。微带线宽度是1mm，在左右两侧的弯折部分，相邻两段平行的微带线在水平方向上相互间隔3mm，在竖直方向上相互间隔2mm。正中间的两段微带线间隔为0.5mm，其中下方的微带线有一段与阻抗匹配结构1-1重合。整个微带线闭环结构1-2总体的尺寸是92mm×19mm。外沿的微带线环绕结构1-3总体尺寸为108.6mm×36mm，微带线宽度为4mm，底边处微带线并不闭合，而是从中间断开向里弯折延伸，并与阻抗匹配结构1-1的底边相连，其中，底边断开处的间隔为5mm，从内侧算起，向里延伸的长度是14mm。
图2展示了人工磁导体反射板正面结构。正面由两片矩形金属贴片2-1组成，贴片尺寸为63mm×60mm，两贴片中间的间隔为2mm，贴片距离反射板基底2-2左右两侧1mm。反射板基底2-2使用的材料是Taconic RF-60，它的相对介电常数是6.15，基底总体尺寸是130mm×60mm×0.5mm。基底反面完全覆盖金属。
图3是整体结构的长边方向的剖视图。整体结构最上方一层是弯折型偶极子标签天线3-1，厚度是1.5mm，中间一层是塑料泡沫板3-2，厚度是1mm，最下方一层是人工磁导体结构反射板3-3，厚度是0.5mm。其中，弯折型偶极子标签天线3-1和人工磁导体结构反射板3-3均正面朝上放置，以中央对齐方式对齐。
图4是人工磁导体反射板的反射相位曲线图。可以看到，当频率为945MHz的电磁波入射到反射板表面时，它的反射相位为0°。如果以反射相位为-90°到90°定义反射相位的频率带宽，则该反射板的反射相位带宽为9MHz。值得一提的是，图中的0°反射相位频率点比标签天线工作的FCC频段(902-928MHz)要高，这是因为当反射板安装在天线下方之后，近场的容性耦合会使得0°反射相位频率点向低频移动。
图5是标签分别在金属物体表面和自由空间中的功率反射系数曲线图。可以看到，在金属环境下和非金属环境下，两者功率反射系数最低峰对应的频率相对偏移在10MHz以内，且完全在FCC频段内，故标签在金属和非金属环境下都能实现良好的阻抗匹配。这反映了具有人工磁导体反射板的标签天线的阻抗对金属的不敏感性。
图6是标签在金属表面的阅读距离测试图。测试阅读器采用的等效全向辐射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power，EIPR)为1W。可以看到，具有人工磁导体反射板的标签天线在金属物体上使用时，阅读距离最远可以达到9m左右；在FCC频段内，阅读距离在3.5m以上。
本实用新型的RFID标签天线的优点包括：
(1)天线阻抗对金属不敏感。如图5，天线的功率反射系数曲线在金属表面上测量的结果与在自由空间中测量的结果频率偏移量不大，说明金属对天线的阻抗影响较小。
(2)天线在金属表面上使用时阅读距离远。如图6，标签天线贴附在金属表面上使用时，阅读距离可以最远达到9m。
(3)天线阻抗的可调节性好。图1中的标签天线设计了矩形匹配结构1-1，利用该结构可以轻易实现天线阻抗的匹配调节。
本实用新型陈述了一种具有人工磁导体反射板的抗金属RFID标签天线。该天线利用人工磁导体结构，改变了背向反射相位特性，使得天线紧贴在金属表面上使用时依然具有较远的阅读距离，同时，由于反射板的存在，天线阻抗受到金属的影响比较小，从而保证了天线的能量效率。综上，本实用新型具备良好的抗金属性能，可应用于普通标签不能胜任的金属物品表面，因此具有一定的应用价值和市场潜力。
Claims (7)
1.一种具有人工磁导体反射板的抗金属RFID标签天线，其特征在于，包括弯折型偶极子标签天线(3-1)和设置在弯折型偶极子标签天线(3-1)背面的人工磁导体结构反射板(3-3)；所述弯折型偶极子标签天线(3-1)包括天线基底(1-5)和覆盖在天线基底(1-5)正面的中心的矩形阻抗匹配结构(1-1)、两侧分别经过五次弯折的微带线闭环结构(1-2)和外沿的微带线环绕结构(1-3)；所述人工磁导体结构反射板(3-3)正面包括两片间隔一定距离的关于中心对称的矩形金属贴片(2-1)，背面完全覆盖金属。
2.根据权利要求1所述的一种具有人工磁导体反射板的抗金属RFID标签天线，其特征在于，所述弯折型偶极子标签天线(3-1)和人工磁导体结构反射板(3-3)中间设置塑料泡沫板(3-2)。
3.根据权利要求1所述的一种具有人工磁导体反射板的抗金属RFID标签天线，其特征在于，所述矩形阻抗匹配结构(1-1)呈扁长的口字型，底边中间安装RFID芯片(1-4)。
4.根据权利要求1所述的一种具有人工磁导体反射板的抗金属RFID标签天线，其特征在于，所述微带线闭环结构(1-2)左右对称，左右每一侧都经过五次弯折，在右边一侧，从中间往右看，微带线先顺时针弯折，再经过两次逆时针弯折，然后经过两次顺时针弯折，每次弯折的角度都是90°；所述微带线闭环结构(1-2)中间下方的微带线有一段与矩形阻抗匹配结构重合。
5.根据权利要求1所述的一种具有人工磁导体反射板的抗金属RFID标签天线，其特征在于，所述外沿的微带线环绕结构(1-3)的底边处微带线并不闭合，而是从中间断开向里弯折延伸，并与矩形阻抗匹配结构(1-1)的底边相连。
6.根据权利要求1所述的一种具有人工磁导体反射板的抗金属RFID标签天线，其特征在于，两片矩形金属贴片(2-1)覆盖在反射板基底(2-2)正面，中间的间隔为2mm，左侧矩形金属贴片距离反射板基底(2-2)左侧边缘的距离和右侧矩形金属贴片距离反射板基底(2-2)右侧边缘的距离相等，均为1mm，反射板基底(2-2)背面完全覆盖金属。
7.根据权利要求1所述的一种具有人工磁导体反射板的抗金属RFID标签天线，其特征在于，弯折型偶极子标签天线(3-1)和人工磁导体结构反射板(3-3)均正面朝上放置，以中央对齐方式对齐。
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