CN206293611U - 射频识别系统及其天线结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及射频识别系统及其天线结构。该天线结构包括：介质基板；馈线，位于介质基板上，包括馈电点，用于输入或输出射频信号；金属片，位于介质基板上，包括由镂空的微槽结构限定的金属走线；以及至少一个连接元件，其中，所述天线结构还包括至少一个连接位置，所述连接位置包括以下至少一种：所述馈线的断开区域、所述金属走线的断开区域、所述馈线与所述金属走线之间的邻接区域、所述金属走线彼此之间的邻接区域，所述至少一个连接元件跨接所述断开区域或所述邻接区域。该天线结构修改了天线图案，其中形成断开区域，并且利用连接元件跨接断开区域，从而可以微调天线的辐射性能，以提高天线的适用性并且降低调试难度。

Description

射频识别系统及其天线结构

技术领域

本实用新型属于通信领域，具体地，涉及射频识别系统及其天线结构。

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品上面并包含有唯一的标识号和物品的信息。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。在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，把标识号和物品信息传递给读写器，从而实现物品的自动识别。

RFID系统包括用于实现通信功能的射频模块和天线。天线作为最终射频信号的辐射单元和接收器件，其工作特性将直接影响整个电子系统的工作性能。然而，天线的尺寸、带宽、增益、辐射效率等重要指标却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)。RFID系统的小型化主要受到天线性能和尺寸的限制。天线的小型化也是亟待解决的问题。在不同的产品中工作的环境及电磁特性存在较大的差异性，将会导致天线性能在设计和使用中存在较大的差异。针对不同的RFID系统需要重新设计天线，因而，天线在使用中存在着通用性及性能差异性的问题，且也存在着天线调试困难的问题。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种射频识别系统及其天线结构，其中修改天线图案，针对不同类型的电子元件预留连接位置，以提高天线的适用性并且降低调试难度。

根据本实用新型的一方面，提供一种用于射频识别系统的天线结构，其特征在于，包括：介质基板；馈线，位于介质基板上，并且包括馈电点，用于输入或输出射频信号；金属片，位于介质基板上，包括由镂空的微槽结构限定的金属走线；以及至少一个连接元件，其中，所述天线结构还包括至少一个连接位置，所述连接位置包括以下至少一种：所述馈线的断开区域、所述金属走线的断开区域、所述馈线与所述金属走线之间的邻接区域、所述金属走线彼此之间的邻接区域，所述至少一个连接元件跨接所述断开区域或所述邻接区域。

优选地，所述至少一个连接元件包括以下至少一种：电阻、电容、电感和短接线。

优选地，所述电阻、所述电感和所述短接线跨接所述断开区域，所述电容跨接所述邻接区域。

优选地，所述天线结构在短接全部的断开区域的情形下具有预定谐振频率。

优选地，所述电感和所述电容用于提高所述天线结构的谐振频率。

优选地，所述电感的电感值小于预定值以减小射频信号的损耗。

优选地，所述电容用于扩展所述天线结构的通频带。

优选地，所述连接位置包括位于所述馈线和/所述金属走线上的焊盘。

优选地，所述馈线通过耦合方式馈入所述金属片。

根据本实用新型的另一方面，提供一种射频识别系统，包括：电子标签，附在物品上面并且存储有唯一的标识号和物品的信息；从及读写器，用于读取电子标签中存储的信息，其中，所述电子标签和所述读写器中的至少一个包括上述的天线结构。

根据本实用新型实施例的天线结构及其射频识别系统，馈线和/或金属走线包括断开区域和相邻区域，从而预留电子元件的连接位置。该天线结构可以嵌入电子元件，因此可以按照预定谐振频率设计金属走线图案，使得预定谐振频率大于实际谐振频率。在实际使用期间，嵌入电子元件进一步减小谐振频率，从而达到实际谐振频率和拓展通频带宽。

该天线结构可以减小金属走线的长度，从而减小天线结构的尺寸。通过改变嵌入的电子元件的性能对天线的性能进行微调，可以设计出满足适应性及通用性要求的天线，无需更换标签天线即可满足不同的应用场景。

进一步地，该天线结构的预留连接位置为馈线和/或金属走线预置的断开区域或邻接区域。在天线结构中嵌入电子元件时对辐射性能的影响不会受到随意的连接位置的影响，从而可以减小调试难度。

附图说明

图1示出根据现有技术的用于射频读写器的天线结构示意图。

图2示出根据本实用新型实施例的用于射频读写器的天线结构示意图。

图3示出根据本实用新型实施例的用于射频读写器的天线结构的透视图。

图4a为互补式开口谐振环结构的示意图；

图4b所示为互补式螺旋线结构的示意图；

图4c所示为开口螺旋环结构的示意图；

图4d所示为双开口螺旋环结构的示意图；

图4e所示为互补式弯折线结构的示意图；

图5a为图4a所示的互补式开口谐振环结构其几何形状衍生示意图；

图5b为图4a所示的互补式开口谐振环结构其扩展衍生示意图；

图6a为三个图4a所示的互补式开口谐振环结构的复合后的结构示意图；

图6b为两个图4a所示的互补式开口谐振环结构与图4b所示为互补式螺旋线结构的复合示意图；

图7为四个图4a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图；

图8是本实用新型的射频识别系统的结构示意图；

图9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

以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1示出根据现有技术的用于射频读写器的天线结构示意图。该天线结构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。下面以射频识别读写器天线为例进行阐述。天线结构100包括介质基板110以及在其上形成的馈线120和金属片130。馈线120的一端提供馈电点，经由同轴电缆连接至射频模块。馈线120围绕金属片130设置以实现信号耦合。

馈线120与金属片130之间可以接触，也可以不接触。当金属片130与馈线120接触时，馈线120与金属片130之间感性耦合。当金属片130与馈线120不接触时，馈线120与金属片130之间容性耦合。

金属片130上镂空有微槽结构131，从而将金属片图案化，形成金属走线132。在图中采用阴影线表示金属走线132，金属走线132之间的空白区域表示微槽结构。

在该现有的天线结构中，电子元件例如设置在金属片130的上方。根据期望的天线性能设计金属片中的镂空图案，通过将电子元件与金属片相连接，从而微调天线性能。然而，该天线结构的镂空图案中没有设置电子元件的连接位置。由于电子元件可以连接至天线的金属片的任意位置，因此存在着天线调试困难的问题。

图2示出根据本实用新型实施例的用于射频读写器的天线结构示意图。天线结构200包括介质基板110以及在其上形成的馈线220和金属片230。馈线220的一端提供馈电点，经由同轴电缆连接至射频模块。馈线220围绕金属片230设置以实现信号耦合。

金属片230上镂空有微槽结构231，从而将金属片图案化，形成金属走线232，所述天线200设置有电子元件嵌入的空间位置。在图中采用阴影线表示金属走线232，金属走线232之间的空白区域表示微槽结构231。

在该实施例中，电子元件设置在金属片130的上方。与图1所示的现有技术的天线结构100不同，根据该实施例的天线结构200还设置了电子元件的连接位置，并且相应地修改了馈线220和金属片230的镂空图案。在图2中将连接位置221、234至237示出为焊盘。然而，本实用新型不限于此，而是可以省去焊盘，将电子元件直接焊接在馈线或金属走线的相应位置上。

根据电子元件的连接方式不同，将电子元件的连接位置分为串联位置和并联位置。在串联位置，馈线220和金属片230中的金属走线231断开，利用相应的电子元件跨接断开区域，例如，如图2中的位置221、234至236所示的位置。在并联位置，馈线220和金属片230中的金属走线231连续延伸，利用相应的电子元件跨接相邻的金属走线，例如，如图2中的位置237所示的位置。

本实用新型中金属片230的镂空结构可以是图4a所示的互补式开口谐振环结构、图4b所示的互补式螺旋线结构、图4c所示的开口螺旋环结构、图4d所示的双开口螺旋环结构、图4e所示的互补式弯折线结构中的一种或者是通过前面几种结构衍生、复合或组阵得到的微槽结构。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4a至图4e的基础上开设新的槽以形成新的微槽结构。以图4a所示的互补式开口谐振环结构为例，图5a为其几何形状衍生示意图，图5b为其几何形状衍生示意图。此处的复合是指，图4a至图4e的微槽结构多个叠加形成一个新的微槽结构。如图6a所示，为三个图4a所示的互补式开口谐振环结构复合后的结构示意图。如图6b所示，为两个图4a所示的互补式开口谐振环结构与图4b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4a至图4e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7所示，为多个如图4a所示的互补式开口谐振环结构组阵后的结构示意图。以下均以图4c所示的开口螺旋环结构为例阐述本实用新型。

图3示出根据本实用新型实施例的用于射频读写器的天线结构的透视图，其中。在天线结构的馈线220和金属片230上安装了多个电子元件，包括电阻R1、电阻R2、短接线S1、电感L1和电容C1。如上所述，该天线装置200包括多个预设的连接位置221、234至237。

在馈线220上，连接位置221包括馈线220的断开区域。电阻R1跨接该断开区域。由于馈线220与电阻R1串联，因此可以提高馈线的输入阻抗。通过调节馈线的输入阻抗，使其与射频模块的输出阻抗匹配，从而可以提高射频信号的传输效率。

在金属片230上，连接位置234至236分别包括金属走线232的断开区域。电阻R2、短接线S1和电感L1分别跨接相应的断开区域。连接位置237包括相邻的金属走线232，电容C1跨接相邻的金属走线。

在连接位置234处，电阻R2与金属走线232串联，因此可以提高金属片的输入阻抗。通过调节金属片的输入阻抗，使其与馈线的阻抗匹配，从而可以提高射频信号在馈线和金属片之间的耦合效应。

在连接位置235处，短接线S1跨接金属走线232的断开区域。在该实施例中，根据天线结构200的实际应用需求，天线结构200的连接位置235是多余的，因此未用于连接电阻、电感或电容元件。在该连接位置235处采用短接线S1进行短接。

天线结构200的谐振频率与其电感和电容相关，如下式所示：

其中，f表示天线结构的谐振频率，L表示天线结构的电感，C表示天线结构的电容。

参见公式(1)，在天线结构中嵌入电容或电感可以改变天线结构的谐振频率。

进一步地，天线结构的谐振性能的其他方面，例如天线的Q值及谐振工作点，也受到天线自身的电阻值和电容值的影响。天线的通频带BW与谐振频率w0和品质因数Q的关系为：BW＝wo/Q，此式表明，Q越大则通频带越窄，Q越小则通频带越宽。此外，Q＝wL/R＝1/wRC，其中，Q是品质因素；w是电路谐振时的电源频率；L是电感；R是串联的电阻；C是电容，由Q＝wL/R＝1/wRC公式可知，Q和C呈反比，因此，可以通过附加的电容来减小Q值，使通频带变宽。

在金属片230的连接位置236处，电感L1跨接金属走线232的断开区域，从而与金属走线232自身的电感串联。在金属片230的连接位置237处，电容C1跨接相邻的金属走线232，从而与金属走线232自身的电容并联。因此，电感L1和电容C1分别提高天线结构200的电感值和电容值，使得天线结构200的谐振频率相应降低。

在该实施例中，电感L1的电感值范围在0-5uH之间，若电感值太大射频信号将会被感性元件消耗从而影响到天线的辐射效率。电容C1的电容值范围通常在0-2pF之间，不过随着天线工作频率的变化，嵌入的电容值也可能超出0-2pF的范围。在天线结构200的多个连接位置可以连接多个电感和/或多个电容，以获得期望的辐射特性。

根据该实施例的天线结构200，在预定的连接位置上连接电阻R1、电阻R2、短接线S1、电感L1和电容C1，从而微调天线的谐振性能，例如谐振频率f、品质因子Q、输入阻抗、以及通频带宽。

本实施例的所述天线具有多个频段的良好辐射特性，五个主要辐射频率从900MHz一直分布到5.5GHz，几乎涵盖了GSM、CDMA、蓝牙、W-Lan(IEEE802.11协议)、GPS、TD-LTE等各个主要的通信频率，具有非常高的集成度且可通过对馈线和金属片上的电感值和电容值进行调节达到改变天线工作频率的目的。当然，也可以在馈线和金属片上连接电阻，以改善天线的阻抗匹配和提高辐射效率。

本实用新型的所述电子元件为电感、电容或者电阻。在天线预设的连接位置中加入此类电子元件后，可以改善天线的各种性能。并且通过加入不同参数的电子元件，可以实现天线性能参数的微调。因此，本实用新型的天线在不加入任何元件之前可以是一样的结构，只是通过在不同位置加入不同的电子元件，以及电子元件的参数(电感值、电阻值、电容值)，来实现不同天线的性能参数。即实现了通用性。可以大幅降低生产成本。

本实用新型的所述空间可以是焊盘，也可以是一个断开区域。焊盘的结构可以参见普通的电路板上的焊盘。当然，其尺寸的设计根据不同的需要会有所不同。

另外，本实用新型中，介质基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。优选地，由高分子材料制成，具体地可以是FR-4、F4B等高分子材料。

本实用新型中，金属片为铜片或银片。优选为铜片，价格低廉，导电性能好。

本实用新型中，馈线选用与金属片同样的材料制成。优选为铜。

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，当然，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造也能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其它加工手段，比如RFID(RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)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的精确加工来完成天线微槽结构的加工，用铁片来完成其它辅助部分。另外，还可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法来加工。

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，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8所示，射频识别系统1100至少包括电子标签1101和读写器1102，读写器1102包括如上任一实施例所述的射频识别读写器天线100。射频识别系统1100工作时，由读写器1102通过射频识别读写器天线100发出射频信号，电子标签1101通过标签天线接收到读写器1102发出的读写指令后，返回射频信号进行响应，把标识号和物品信息传递给读写器1102，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9所示，射频识别系统1200至少包括电子标签1201和读写器1202，电子标签1201包括与上述任一实施例所述的射频识别读写器天线100相同结构的射频识别标签天线。射频识别系统1200工作时，由读写器1202通过读写器天线发出射频信号，电子标签1201通过射频识别标签天线接收到读写器1202发出的读写指令后，返回射频信号进行响应，把标识号和物品信息传递给读写器1202，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、汽车晶片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理等等。本实用新型通过在馈线、馈线与金属片之间及金属片这三个位置的至少一个上设置供电子元件嵌入的空间，可以通过改变嵌入的电子元件的性能对标签天线的性能进行微调，设计出满足适应性及通用性的要求的标签天线，无需更换标签天线即可满足不同的应用场景。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于射频识别系统的天线结构，其特征在于，包括：

介质基板；

馈线，位于介质基板上，包括馈电点，用于输入或输出射频信号；

金属片，位于介质基板上，包括由镂空的微槽结构限定的金属走线；以及

至少一个连接元件，

其中，所述天线结构还包括至少一个连接位置，所述连接位置包括以下至少一种：所述馈线的断开区域、所述金属走线的断开区域、所述馈线与所述金属走线之间的邻接区域、所述金属走线彼此之间的邻接区域，所述至少一个连接元件跨接所述断开区域或所述邻接区域。

2.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述至少一个连接元件包括以下至少一种：电阻、电容、电感和短接线。

3.根据权利要求2所述的天线结构，其特征在于，所述电阻、所述电感和所述短接线跨接所述断开区域，所述电容跨接所述邻接区域。

4.根据权利要求3所述的天线结构，其特征在于，所述天线结构在短接全部的断开区域的情形下具有预定谐振频率。

5.根据权利要求3所述的天线结构，其特征在于，所述电感和所述电容用于提高所述天线结构的谐振频率。

6.根据权利要求3所述的天线结构，其特征在于，所述电感的电感值小于预定值以减小射频信号的损耗。

7.根据权利要求3所述的天线结构，其特征在于，所述电容用于扩展所述天线结构的通频带。

8.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述连接位置包括位于所述馈线和/所述金属走线上的焊盘。

9.根据权利要求1所述的天线结构，其特征在于，所述馈线通过耦合方式馈入所述金属片。

10.一种射频识别系统，包括：

电子标签，附在物品上面并且存储有唯一的标识号和物品的信息；从及

读写器，用于读取电子标签中存储的信息，

其中，所述电子标签和所述读写器中的至少一个包括根据权利要求1至9中任一项所述的天线结构。