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CN112038750A - 一种应用于uhf频段的抗金属标签天线 - Google Patents

一种应用于uhf频段的抗金属标签天线 Download PDF

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CN112038750A
CN112038750A CN202010922411.1A CN202010922411A CN112038750A CN 112038750 A CN112038750 A CN 112038750A CN 202010922411 A CN202010922411 A CN 202010922411A CN 112038750 A CN112038750 A CN 112038750A
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徐相相
姜学义
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Abstract

本发明涉及一种应用于UHF频段的抗金属标签天线，属于射频识别电子标签技术领域。包括标签芯片、辐射贴片、介质基板和金属底板；辐射贴片上一侧开设有T形槽，T形槽为表面电流分布调节槽，用以调节标签天线的中心频率；还包括条形辐射臂和L型辐射臂，二者连接构成开路短截线馈电结构，开路短截线馈电结构与辐射贴片之间形成U形槽；U形槽为阻抗调节槽；通过改变U型槽的长度与宽度，对标签的阻抗进行调节；标签芯片设于条形辐射臂与辐射贴片连接的连接线上，通过开路短截线结构对标签芯片进行馈电。抗金属标签天线的中心频段为900MHz‑930MHz，在中心频率段的增益变化范围为‑5.7dBi到‑0.94dBi。在金属环境下，此抗金属标签天线最大识别距离为5.46m。

Description

一种应用于UHF频段的抗金属标签天线
技术领域
本发明属于射频识别电子标签技术领域，涉及一种射频识别电子标签，具体涉及工作在超高频段的一种抗金属标签天线。
背景技术
射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）应用的对象包罗万象，在RFID应用中，标签通常贴附在被识别物体上，由于其形状大小、表面材质、应用环境等各不相同，当RFID电子标签被贴于具有金属表面的物体上时，标签天线的方向特性、阻抗特性以及谐振频率都会发生改变，从而导致标签天线增益的迅速衰减，无法正常工作。
超高频段的射频标签对金属非常敏感，当超高频标签放置在金属表面时，标签的读取距离会迅速减小，甚至不能读取。因此，为避免以上现象限制RFID标签在金属环境下的应用，现有技术中主要通过以下几种方式来改善RFID标签在金属环境下的读取情况：
第一种是，通过调整标签天线与金属表面之间的距离，阅读器发出垂直于金属表面的询问信号，经反射后与来波叠加形成驻波，标签与金属边界的距离为零处电场幅值最小，距离为四分之一波长处电场幅值最大。因此，当标签距离金属表面四分之一波长时，标签天线可获得最大的能量，标签的阅读距离将会有所提高，但是此方法不可避免的会增加标签厚度，在915MHz时，使用此方法的标签厚度达8cm。第二种是采用吸波材料当标签直接贴在金属表面时，由镜像电流和干扰信号导致的天线辐射效率的降低在一定程度上可采用吸波材料来克服，吸波材料性能优越，但是成本很高，很难在标签设计中被广泛应用。第三种是采用高介质基板，高阻抗表面是一种超材料结构，在一定频率范围内体现磁壁特性，其频率范围取决于结构的基本几何特性。高阻抗表面可以抑制贴片天线中表面波的传播，进而提高标签天线的定向增益，减小后向辐射和旁瓣电平，在一定程度上使天线保持较薄的厚度，一般的高阻抗表面具有复杂的结构，这使得加工困难，而且也增加了制造成本，不利于大规模使用。
发明内容
为了解决标签天线在金属环境下的应用，克服现有抗金属标签尺寸大，加工工艺难的不足，本发明提供一种应用于UHF频段的抗金属标签天线。
一种应用于UHF频段的抗金属标签天线包括标签芯片3、辐射贴片、介质基板7和金属底板8，其中辐射贴片、介质基板7和金属底板8依次连接构成天线本体；
所述辐射贴片呈矩形，辐射贴片上一侧开设有T形槽1，T形槽1的水平槽平行于辐射贴片的短边，T形槽1的垂直槽贯通辐射贴片的一侧短边，且垂直于辐射贴片的短边；所述T形槽为表面电流分布调节槽，用以调节标签天线的中心频率；
与T形槽1的水平槽相对应的辐射贴片上另一侧开设有工艺槽，工艺槽与T形槽1的垂直槽在一条直线，且贯通辐射贴片的另一侧短边；工艺槽的槽宽大于T形槽1的垂直槽的槽宽；所述工艺槽内设有条形辐射臂4，与T形槽1的水平槽相对应的条形辐射臂4的一端通过连接线连接着辐射贴片；条形辐射臂4的另一端伸至工艺槽外部，且连接着L型辐射臂2的短臂端，L型辐射臂2的短臂平行于辐射贴片的另一侧短边外部，L型辐射臂2的长臂平行位于辐射贴片的一侧长边外部；条形辐射臂4和L型辐射臂2连接构成开路短截线馈电结构，开路短截线馈电结构与辐射贴片之间形成U形槽6；
所述U形槽6为阻抗调节槽；通过改变U型槽的长度与宽度，对标签的阻抗进行调节；
所述标签芯片3设于条形辐射臂4与辐射面5连接的连接线上，通过开路短截线结构
对标签芯片3进行馈电；
所述抗金属标签天线的中心频段为900MHz-930MHz，在中心频率段的增益变化范围为-5.7dBi到-0.94dBi；
进一步限定的技术方案如下：
所述辐射贴片的材料、金属底板8的材料均为铜，辐射贴片与金属底板8的厚度均为0.2mm；所述介质基板7为FR4介质基板，厚度为3.0mm。
所述T形槽1采用金属刻蚀工艺，T形槽1的垂直槽尺寸为W5×(L5-L6)为22mm×3mm，T形槽1的水平槽尺寸为W6×L6为1.6mm×29mm。
所述L形辐射臂2的短臂尺寸为W2×W7为2.5mm×28mm，的长臂尺寸为W7×L2为2.5mm×28mm。
所述介质基板7与金属底板8的尺寸均为W1×L1为40mm×80mm。
本发明相对于现有技术具有的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明的抗金属标签天线结构简单，体积较小，尺寸较现有天线减少25%以上。在一般的开路短截线微带天线的基础上，采用弯折技术，使开路短截线由原本的条状变为现在的L形弯折状，有效的减小天线的体积，同时在辐射面上，采用刻蚀技术开出T形槽，增加天线带宽，方便调节标签天线中心频率；没有过孔或者短路结构，制造工艺性好。
2.本发明的标签天线的开路短截线馈电部分位于辐射贴片U形槽6内部，可以通过调节U形槽的深度以及宽度改变标签天线自身阻抗，同时可以改变开路短截线馈电部分的长度和宽度改变标签天线自身阻抗，天线总阻抗等于辐射贴片阻抗加开路短截线阻抗，开路短截线的电抗调节范围为-∞至+∞,因此天线的输入阻抗的电抗可以在辐射微带线电抗的基础上实现较大范围的增加或减少，从而使标签天线与标签芯片能够实现阻抗匹配。
3.本发明的抗金属标签天线底部设有金属底板，其长度宽度与介质基板相等，金属底板作为天线的一部分，使天线设计之初就具有抗金属性能，同时在非金属环境可以正常使用。
4.本发明的标签天线经过测试表明，在金属环境下，标签具有良好的性能，在自由空间中，标签也具有很远的识别距离，该天线-3dBi带宽为880MHz-940MHz，且在915MHz的回波损耗为-38.6dBi，超过一般天线性能。
5.本发明的标签天线具有很小的体积，且为平面结构，故可采用印制电路板作为基板，形成PCB标签，这不仅实现了小型化且具有了PCB标签易于调试、可批量生产的优势。
附图说明
图1为本发明的抗金属标签天线的三维立体图；
图2为本发明的抗金属标签天线俯视结构图；
图3为本发明的抗金属标签天线的辐射贴片长度尺寸标注图；
图4为本发明的抗金属标签天线的辐射贴片宽度尺寸标注图；
图5为本发明的抗金属标签天线在金属环境下与非金属环境下的功率反射函数图（S11）
图6为公版标签天线Alien9662在金属环境下与非金属环境下的功率反射函数图（S11）；
图7为本发明的抗金属标签天线simith阻抗匹配圆图；
图8为本发明的抗金属标签天线三维方向增益图；
图9为本发明的抗金属标签天线在金属与非金属环境下读取距离图；
图10为公版标签天线Alien9662在金属环境下与非金属环境下读取距离图。
上图中序号：T形槽1、L形辐射臂2、标签芯片3、条形辐射臂4、辐射面5、U形槽6、介质基板7、金属底板8。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细的描述。
实施例1
参见图1，一种应用于UHF频段的抗金属标签天线包括标签芯片3、辐射贴片、介质基板7和金属底板8，其中辐射贴片、介质基板7和金属底板8依次连接构成天线本体。辐射贴片的材料、金属底板8的材料均为铜，辐射贴片与金属底板8的厚度均为0.2mm；介质基板7材料为FR4介质基板，厚度为3.0mm。
参见图3和图4，介质基板7与金属底板8的尺寸均为W1×L1为40mm×80mm。辐射贴片中的部分尺寸W3=11mm、W4=12mm、L3=66mm、L7=39mm。
参见图2，辐射贴片呈矩形，辐射贴片上一侧开设有T形槽1，T形槽1的水平槽平行于辐射贴片的短边，T形槽1的垂直槽贯通辐射贴片的一侧短边，且垂直于辐射贴片的短边。T形槽为表面电流分布调节槽，用以调节标签天线的中心频率。
参见图3和图4，T形槽1，由两个矩形槽组成，其中水平槽尺寸为W5×(L5-L6)为22mm×3mm，垂直槽尺寸为W6×L6为1.6mm×29mm。
参见图2，与T形槽1的水平槽相对应的辐射贴片上另一侧开设有工艺槽，工艺槽与T形槽1的垂直槽在一条直线，且贯通辐射贴片的另一侧短边；工艺槽的槽宽大于T形槽1的垂直槽的槽宽。所述工艺槽内设有条形辐射臂4，与T形槽1的水平槽相对应的条形辐射臂4的一端通过连接线连接着辐射贴片；条形辐射臂4的另一端伸至工艺槽外部，且连接着L型辐射臂2的短臂端，L型辐射臂2的短臂平行于辐射贴片的另一侧短边外部，L型辐射臂2的长臂平行位于辐射贴片的一侧长边外部；条形辐射臂4和L型辐射臂2连接构成开路短截线馈电结构，开路短截线馈电结构与辐射贴片之间形成U形槽6；U形槽6为阻抗调节槽；通过改变U型槽的长度与宽度，对标签的阻抗进行调节。
参见图3和图4，L形辐射臂2由两个矩形贴片组成，短臂的矩形贴片尺寸为W2×W7为2.5mm×28mm，长臂的矩形贴片尺寸为W7×L2为2.5mm×28mm。
参见图2，标签芯片3设于条形辐射臂4与辐射面5连接的连接线上，通过开路短截线结构对标签芯片3进行馈电。
通过调节T形槽大小、L形辐射臂2来调节标签天线阻抗与谐振频率，对标签天线在有无金属的环境进行测试，测试结果由图5可见，无金属环境下的中心谐振频率为915MHz，回波损耗为-38.6dB，且有着60MHz的工作带宽；在金属环境下，中心谐振频率为920MHz，回波损耗为-23.47dB，可见金属环境对此标签的影响不大，可以正常使用。
为了凸显本抗金属标签天线的抗金属性能，我们做了与公版标签Alien9662性能对比实验，从实验结果图6可以明显看出，Alien9662标签天线，当贴附在金属表面时，其中心频率偏移严重，可以工作的带宽基本为零。
如图7所示，是本发明的抗金属标签天线的Smith圆图，从实验结果报告中可以看出，915MHz时的归一化阻抗为（0.9667-0.0063j）Ω，达到了很好的阻抗匹配状态,。
如图8所示，是本发明的抗金属标签天线的三维方向增益图，在915MHz工作频率处时天线取得的最大增益为-0.94dB，达到了设计要求。
如图9所示，是本发明抗金属标签天线理想匹配状态下在金属环境与自由空间读取距离图，利用公式进行计算，设定读写器输出等效全向辐射功率EIRP=33dBm，标签芯片的灵敏度为-18dBm，计算仿真结果显示，该抗金属标签天线在金属环境下与非金属环境下均具有良好的识别距离，所述抗金属标签天线的最大识别距离为5.46m。
为了凸显本抗金属标签天线的抗金属性能，我们做了与公版标签Alien9662性能对比实验，从实验结果图10可以明显看出，Alien9662标签天线，当贴附在金属表面时，其读取距离基本为0，无法正常使用。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或者改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种应用于UHF频段的抗金属标签天线，包括标签芯片（3）、辐射贴片、介质基板（7）和金属底板（8），其中辐射贴片、介质基板（7）和金属底板（8）依次连接构成天线本体，其特征在于：
所述辐射贴片呈矩形，辐射贴片上一侧开设有T形槽（1），T形槽（1）的水平槽平行于辐射贴片的短边，T形槽（1）的垂直槽贯通辐射贴片的一侧短边，且垂直于辐射贴片的短边；所述T形槽为表面电流分布调节槽；
与T形槽（1）的水平槽相对应的辐射贴片上另一侧开设有工艺槽，工艺槽与T形槽（1）的垂直槽在一条直线，且贯通辐射贴片的另一侧短边；工艺槽的槽宽大于T形槽（1）的垂直槽的槽宽；所述工艺槽内设有条形辐射臂（4），与T形槽（1）的水平槽相对应的条形辐射臂（4）的一端通过连接线连接着辐射贴片；条形辐射臂（4）的另一端伸至工艺槽外部，且连接着L型辐射臂（2）的短臂端，L型辐射臂（2）的短臂平行于辐射贴片的另一侧短边外部，L型辐射臂（2）的长臂平行位于辐射贴片的一侧长边外部；条形辐射臂（4）和L型辐射臂（2）连接构成开路短截线馈电结构，开路短截线馈电结构与辐射贴片之间形成U形槽（6）；所述U形槽（6）为阻抗调节槽；
所述标签芯片（3）设于条形辐射臂（4）与辐射面（5）连接的连接线上，通过开路短截线结构对标签芯片（3）进行馈电；
所述抗金属标签天线的中心频段为900MHz-930MHz，在中心频率段的增益变化范围为-5.7dBi到-0.94dBi。
2.根据权利要求1所述的一种应用于金属环境下的抗金属标签天线，其特征在于：所述辐射贴片的材料、金属底板（8）的材料均为铜，辐射贴片与金属底板（8）的厚度均为0.2mm；所述介质基板（7）为FR4介质基板，厚度为3.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种应用于金属环境下的抗金属标签天线，其特征在于：所述T形槽（1）采用金属刻蚀工艺，T形槽（1）的垂直槽尺寸为W5×(L5-L6)为22mm×3mm，T形槽（1）的水平槽尺寸为W6×L6为1.6mm×29mm。
4.根据权利要求1所述的一种应用于金属环境下的抗金属标签天线，其特征在于：所述L形辐射臂（2）的短臂尺寸为W2×W7为2.5mm×28mm，的长臂尺寸为W7×L2为2.5mm×28mm。
5.根据权利要求1所述的一种应用于金属环境下的抗金属标签天线，其特征在于：所述介质基板（7）与金属底板（8）的尺寸均为W1×L1为40mm×80mm。
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