專利名稱：超高頻射頻識(shí)雙頻帶抗金屬標(biāo)簽天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙頻帶抗金屬超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽天線。
背景技術(shù)：
無線射頻識(shí)別(Radio frequency identification,簡稱RFID)是一種利用射頻 實(shí)現(xiàn)的非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID系統(tǒng)一般由閱讀器和標(biāo)簽組成，閱讀器 通過無線射頻讀取標(biāo)簽上的信息。與傳統(tǒng)條形碼相比，其具有讀取距離遠(yuǎn)、讀 取速度快，不懼污漬，能同時(shí)讀寫等優(yōu)點(diǎn)，在物流供應(yīng)鏈、生產(chǎn)自動(dòng)化、交通 管理與安防等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。RFID系統(tǒng)主要工作在低頻(LF)、
高頻(HF)、超高頻(UHF)及微波(MW)等頻段。低頻與高頻RFID系統(tǒng)主 要利用電感耦合完成識(shí)別功能，讀取距離較近。超高頻與微波頻段RFID系統(tǒng)通 過電磁波傳播來讀取數(shù)據(jù)，具有較遠(yuǎn)的讀取距離。其中，超高頻由于其頻率適 中，特別適合用于遠(yuǎn)距離無源RFID系統(tǒng)使用。鑒于超高頻RFID應(yīng)用的巨大潛 力，各國相繼發(fā)布了超高頻RFID的頻率范圍和規(guī)范。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 18000-6 推薦UHF頻段RFID設(shè)備使用的頻率范圍是860MHz 960MHz。其中北美使用 的頻率為902MHz-928MHz ，歐洲使用的頻率為865 MHz-868 MHz。中國也 于2007年4月由信息產(chǎn)業(yè)部發(fā)布了超高頻RFID應(yīng)用規(guī)定，對中國超高頻RFID 無線發(fā)射設(shè)備的工作頻率、發(fā)射功率、占用帶寬等射頻指標(biāo)作了詳細(xì)的規(guī)定。 中國采用840MHz 845MHz和920MHz 925MHz兩個(gè)頻段作為超高頻RFID的 工作頻率，工作功率為2 W ERP(Effective Radiated Power),約為3.3W EIRP(Effective Isotropic Radiated Power)。
在相當(dāng)一部分RFID應(yīng)用中，需要將RFID標(biāo)簽粘貼于金屬表面，譬如汽 車、鋼瓶、集裝箱等等。但是，當(dāng)超高頻標(biāo)簽，尤其是具有類偶極天線的標(biāo)簽， 被放置在金屬表面時(shí)，標(biāo)簽的讀取距離會(huì)迅速縮短，甚至不能被讀取。這是由 于金屬表面這樣的邊界條件會(huì)改變標(biāo)簽天線的輻射效率、阻抗匹配和方向圖。 為此， 一些能夠應(yīng)用于金屬表面的標(biāo)簽天線被設(shè)計(jì)出來，稱為抗金屬標(biāo)簽或金 屬標(biāo)簽。微帶貼片天線或平面倒F天線可以將金屬表面作為其地板，從而用來 設(shè)計(jì)RFID抗金屬標(biāo)簽天線。由于RFID標(biāo)簽的天線阻抗與芯片阻抗需要共軛匹 配，研究者們設(shè)計(jì)出了各種能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗靈活調(diào)節(jié)的微帶貼片天線。但是，微 帶貼片天線的帶寬往往非常有限的， 一般是針對某一單一超高頻RFID頻段設(shè) 計(jì)。雖然也有一些寬帶的抗金屬標(biāo)簽，但也無法同時(shí)覆蓋中國超高頻RFID標(biāo)準(zhǔn)
規(guī)定的兩個(gè)頻帶或北美和歐洲超高頻射頻識(shí)別的兩個(gè)頻帶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種雙頻帶抗金屬超高頻射頻 識(shí)別標(biāo)簽天線。
它包括金屬地面、金屬輻射面、基板、矩形凹槽、第一饋線、第二饋線、
過孔、射頻識(shí)別芯片和u形隙縫，基板為長方形，金屬輻射面位于基板上表面，
金屬地面位于基板下表面，金屬輻射面靠近短邊的一側(cè)嵌有矩形凹槽，矩形凹 槽中間設(shè)有第一饋線、第二饋線，第一饋線一端與第二饋線一端之間設(shè)有射頻 識(shí)別芯片，第一饋線另一端與金屬輻射面相連接，第二饋線上設(shè)有過孔，過孔 上端與第二饋線相連接，過孔下端與金屬地面相連接，金屬輻射面靠近長邊的
兩側(cè)上嵌有一對u形隙縫。
所述的金屬輻射面與矩形凹槽、第一饋線、第二饋線、射頻識(shí)別芯片、u 形隙縫同屬于基板的上表面，矩形凹槽與u形隙縫由金屬輻射面蝕刻而成。u 形隙縫包括一個(gè)中間的肩和連接在兩端的臂，u形隙縫的肩與金屬輻射面的長 邊平行，u形隙縫的臂與金屬輻射面的短邊平行，臂與肩成直角，u形隙縫的
開口朝向金屬輻射面內(nèi)部。矩形凹槽的長邊與金屬輻射面的長邊平行，矩形凹 槽的中軸線與金屬輻射面的中軸線重合。第一饋線、第二饋線、過孔、射頻識(shí) 別芯片位于矩形凹槽的中軸線上。過孔貫穿基板，過孔內(nèi)壁為導(dǎo)電金屬壁，使 得第二饋線與金屬地面電連接。
本天線制作的射頻識(shí)別抗金屬標(biāo)簽可以同時(shí)覆蓋中國超高頻射頻識(shí)別的兩 個(gè)頻帶或北美和歐洲超高頻射頻識(shí)別的兩個(gè)頻帶。


圖1是雙頻帶抗金屬超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是覆蓋中國超高頻射頻識(shí)別頻率范圍的雙頻帶天線阻抗示意圖； 圖3是覆蓋中國超高頻射頻識(shí)別頻率范圍的雙頻帶天線反射系數(shù)示意圖； 圖4是覆蓋北美和歐洲超高頻射頻識(shí)別頻率范圍的雙頻帶天線阻抗示意圖； 圖5是覆蓋北美和歐洲超高頻射頻識(shí)別頻率范圍的雙頻帶天線反射系數(shù)示 意圖中金屬地面l、金屬輻射面2、基板3、矩形凹槽4、第一饋線5、第二 饋線6、過孔7、射頻識(shí)別芯片8、 U形隙縫9。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明通過調(diào)節(jié)天線的尺寸可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻帶的頻率及阻抗的靈活調(diào)節(jié)，
從而實(shí)現(xiàn)抗金屬超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽天線的雙頻帶特性。
如圖1所示，雙頻帶抗金屬超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽天線包括金屬地面1、金屬
輻射面2、基板3、矩形凹槽4、第一饋線5、第二饋線6、過孔7、射頻識(shí)別芯 片8和U形隙縫9，基板3為長方形，金屬輻射面2位于基板3上表面，金屬 地面1位于基板3下表面，金屬輻射面2靠近短邊的一側(cè)嵌有矩形凹槽4，矩形 凹槽4中間設(shè)有第一饋線5、第二饋線6，第一饋線5—端與第二饋線6—端之 間設(shè)有射頻識(shí)別芯片8，第一饋線5另一端與金屬輻射面2相連接，第二饋線6 上設(shè)有過孔7，過孔7上端與第二饋線6相連接，過孔7下端與金屬地面1相連 接，金屬輻射面2靠近長邊的兩側(cè)上嵌有一對U形隙縫9。
所述的金屬輻射面2與矩形凹槽4、第一饋線5、第二饋線6、射頻識(shí)別芯 片8、 U形隙縫9同屬于基板3的上表面，矩形凹槽4與U形隙縫9由金屬輻 射面2蝕刻而成。U形隙縫9包括一個(gè)中間的肩和連接在兩端的臂，U形隙縫9 的肩與金屬輻射面2的長邊平行，U形隙縫9的臂與金屬輻射面2的短邊平行， 臂與肩成直角，U形隙縫9的開口朝向金屬輻射面2內(nèi)部。矩形凹槽4的長邊 與金屬輻射面2的長邊平行，矩形凹槽4的中軸線與金屬輻射面2的中軸線重 合。第一饋線5、第二饋線6、過孔7、射頻識(shí)別芯片8位于矩形凹槽4的中軸 線上。過孔7貫穿基板3，過孔7內(nèi)壁為導(dǎo)電金屬壁，使得第二饋線6與金屬地 面1電連接。
對于超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽，其芯片一般是復(fù)阻抗。為了實(shí)現(xiàn)天線與芯片的 最大能量傳輸，則需要天線的輸入阻抗與芯片阻抗共軛匹配，即，實(shí)部相等、 虛部相反。這就要求天線輸入阻抗的實(shí)部和虛部都具有靈活的調(diào)節(jié)的能力。
該雙頻帶抗金屬超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽天線的頻率及阻抗可通過天線的尺寸 參數(shù)來進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)金屬輻射面2的長度可以調(diào)節(jié)第一頻帶的頻率。通 過增加矩形凹槽4的深度可以降低第一頻帶天線阻抗的振蕩幅度，而增加第二 饋線6的芯片8和過孔7之間部分的長度可以增加天線阻抗虛部，從而實(shí)現(xiàn)天 線的阻抗與芯片的阻抗在第一頻帶的共軛匹配。通過調(diào)節(jié)金屬輻射面2上的U 形隙縫9的臂長則可以調(diào)節(jié)第二頻帶的頻率。通過調(diào)節(jié)U形隙縫9的寬度和U 形隙縫9距離金屬輻射面2邊緣的距離可以調(diào)節(jié)第二頻帶天線阻抗的振蕩幅度， 從而實(shí)現(xiàn)天線的阻抗與芯片的阻抗在第二頻帶的共軛匹配。
實(shí)施例1
本方案為覆蓋中國超高頻射頻識(shí)別頻率范圍的雙頻帶抗金屬標(biāo)簽天線?；?板采用FR4材料，相對介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.02，厚度為2mm,長邊
邊長為丄，短邊邊長為40mm。金屬地面和金屬輻射面都為金屬銅。金屬輻射面短 邊的矩形凹槽的寬度為10mm，凹槽的深度為Z^e,。連接金屬輻射面和芯片的第 一饋線的寬度為3mm，長度為8mm。射頻識(shí)別芯片選用的是TI公司的 RI-UHF-STRAP-08, 915MHz的阻抗約為13-j60Q。第二饋線的寬度為3mm,長 度為丄^-lOmm,第二饋線連接過孔和芯片的部分長度為丄,。過孔的直徑為2mm， 內(nèi)壁為金屬銅。U形隙縫的臂長為丄，，U形隙縫的寬度為《，距離金屬輻射 面2的邊的距離為《。
為了使標(biāo)簽工作在中國超高頻射頻識(shí)別的兩個(gè)頻段840MHz 845MHz和 920MHz 925MHz，需要標(biāo)簽天線與芯片在這兩個(gè)頻帶都具有良好的阻抗匹配, 即，共軛匹配。通過合理調(diào)節(jié)天線尺寸參數(shù)丄、A. ^、丄,、丄，、4和^，可以使 得天線在840MHz 845MHz和920MHz 925MHz兩個(gè)頻帶處實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，從 而實(shí)現(xiàn)雙頻帶特性。為了便于天線的阻抗匹配，采用有限元電磁場仿真方法來 對該天線進(jìn)行仿真和優(yōu)化。
通過調(diào)節(jié)金屬輻射面的長度L，即可以調(diào)節(jié)第一頻帶的頻率至 840MHz 845MHz頻帶附近。而第一頻帶處的阻抗匹配可以通過調(diào)節(jié)丄^,和丄, 來實(shí)現(xiàn)。通過增加Av^，可以有效降低第一頻帶處阻抗的振蕩幅度。而增加丄,， 可以增加天線阻抗虛部值。因此，為了實(shí)現(xiàn)芯片阻抗的共軛值，可以先通過增 加丄一,來降低天線阻抗，主要是降低天線阻抗的實(shí)部，再通過增加丄,以抬高天 線阻抗的虛部。當(dāng)?shù)谝活l帶進(jìn)行阻抗調(diào)節(jié)的時(shí)候，第二頻帶的阻抗實(shí)部基本不 受影響。
對于第二頻帶，通過調(diào)節(jié)U形隙縫的臂長4_來改變第二頻帶的諧振頻率。 隨著丄，的增加，第二頻帶的頻率向第一頻帶的頻率靠近。而調(diào)節(jié)U形隙縫的 寬度A和離輻射面邊緣的距離4，則可以改變第二頻帶處的阻抗振蕩幅度。當(dāng) 同時(shí)減小^和Je時(shí)，第二頻帶處阻抗的振蕩幅度也相應(yīng)減小。通過調(diào)節(jié)丄，、 ^和4，則可以有效實(shí)現(xiàn)第二頻帶在920MHz 925MHz頻帶的阻抗匹配。當(dāng)?shù)?二頻帶進(jìn)行阻抗調(diào)節(jié)的時(shí)候，第一頻帶的阻抗基本不受影響。
由上可見，通過改變丄、丄一,、丄,、￡■、 4、 ^可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻帶頻率及阻 抗的靈活調(diào)節(jié)。通過有限元方法的仿真和優(yōu)化，最終采用Z=88.4mm, 丄toe尸40mm， Z^=18mm， Za =8.8mm， c e=lmm， ^4-0.6mm。在該尺寸下天線仿 真的阻抗和反射系數(shù)分別如圖2、圖3所示，天線匹配在840MHz 845MHz和 920MHz 925MHz兩個(gè)頻帶，符合中國超高頻射頻識(shí)別規(guī)范的頻率要求。
實(shí)施例2 本方案為覆蓋北美和歐洲超高頻射頻識(shí)別頻率范圍的雙頻帶抗金屬標(biāo)簽天
線。北美使用的頻率為902 MHz-928 MHz ，歐洲使用的頻率為865 MHz-868 MHz。為了使得設(shè)計(jì)的抗金屬標(biāo)簽天線能同時(shí)覆蓋北美和歐洲超高頻射頻識(shí)別 頻率范圍，只要調(diào)節(jié)第一頻帶與第二頻帶的頻率，使兩個(gè)頻帶分別工作在北美
和歐洲超高頻射頻識(shí)別的頻率范圍。第一頻帶的頻率主要是由金屬輻射面的長 度￡調(diào)節(jié)，而第二頻帶的頻率由U形隙縫的臂長Z。^調(diào)節(jié)。天線阻抗匹配方法 與實(shí)施例1相同。
取Z^86mm， Z^raw=38mm， ^s=17mm， Z^^z二9,5mm， Je=lmm， dw=0.6mm， 其他參數(shù)與實(shí)施例1相同，天線在該尺寸下仿真的阻抗和反射系數(shù)分別如圖4、 圖5所示。天線匹配在865MHz 868MHz和902MHz 928MHz兩個(gè)頻帶，符合 歐洲和北美超高頻射頻識(shí)別規(guī)范的頻率要求。
上述方案只是本發(fā)明的兩種具體實(shí)施方式
，在符合本發(fā)明的特征下可以有 多種不同應(yīng)用方案，但這些應(yīng)用方案只要符合本發(fā)明的特征，都應(yīng)屬于本發(fā)明 的權(quán)利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種雙頻帶抗金屬超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽天線，其特征在于包括金屬地面(1)、金屬輻射面(2)、基板(3)、矩形凹槽(4)、第一饋線(5)、第二饋線(6)、過孔(7)、射頻識(shí)別芯片(8)和U形隙縫(9)，基板(3)為長方形，金屬輻射面(2)位于基板(3)上表面，金屬地面(1)位于基板(3)下表面，金屬輻射面(2)靠近短邊的一側(cè)嵌有矩形凹槽(4)，矩形凹槽(4)中間設(shè)有第一饋線(5)、第二饋線(6)，第一饋線(5)一端與第二饋線(6)一端之間設(shè)有射頻識(shí)別芯片(8)，第一饋線(5)另一端與金屬輻射面(2)相連接，第二饋線(6)上設(shè)有過孔(7)，過孔(7)上端與第二饋線(6)相連接，過孔(7)下端與金屬地面(1)相連接，金屬輻射面(2)靠近長邊的兩側(cè)上嵌有一對U形隙縫(9)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種雙頻帶抗金屬超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽天線，其 特征在于所述的金屬輻射面(2)與矩形凹槽(4)、第一饋線(5)、第二饋線(6)、 射頻識(shí)別芯片(8)、 U形隙縫(9)同屬于基板(3)的上表面，矩形凹槽(4) 與U形隙縫(9)由金屬輻射面(2)蝕刻而成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種雙頻帶抗金屬超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽天線，其 特征在于所述的U形隙縫(9)包括一個(gè)中間的肩和連接在兩端的臂，U形隙縫(9)的肩與金屬輻射面(2)的長邊平行，U形隙縫(9)的臂與金屬輻射面(2) 的短邊平行，臂與肩成直角，U形隙縫(9)的開口朝向金屬輻射面(2)內(nèi)部。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙頻帶抗金屬超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽天線，其 特征在于所述的矩形凹槽(4)的長邊與金屬輻射面(2)的長邊平行，矩形凹 槽(4)的中軸線與金屬輻射面(2)的中軸線重合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種雙頻帶抗金屬超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽天線，其 特征在于所述的第一饋線(5)、第二饋線(6)、過孔(7)、射頻識(shí)別芯片(8) 位于矩形凹槽(4)的中軸線上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙頻帶抗金屬超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽天線，其 特征在于所述的過孔(7)貫穿基板(3)，過孔(7)內(nèi)壁為導(dǎo)電金屬壁，使得 第二饋線(6)與金屬地面(1)電連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙頻帶抗金屬超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽天線。它包括金屬地面、金屬輻射面、基板、矩形凹槽、第一饋線、第二饋線、過孔、射頻識(shí)別芯片和U形隙縫，基板為長方形，金屬輻射面位于基板上表面，金屬地面位于基板下表面，金屬輻射面靠近短邊的一側(cè)嵌有矩形凹槽，矩形凹槽中間設(shè)有第一饋線、第二饋線，第一饋線一端與第二饋線一端之間設(shè)有射頻識(shí)別芯片，第一饋線另一端與金屬輻射面相連接，第二饋線上設(shè)有過孔，過孔上端與第二饋線相連接，過孔下端與金屬地面相連接，金屬輻射面靠近長邊的兩側(cè)上嵌有一對U形隙縫。本天線制作的射頻識(shí)別抗金屬標(biāo)簽可以同時(shí)覆蓋中國超高頻射頻識(shí)別的兩個(gè)頻帶或北美和歐洲超高頻射頻識(shí)別的兩個(gè)頻帶。
文檔編號H01Q13/10GK101355195SQ20081012046
公開日2009年1月28日 申請日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者周洪亮, 張宏建, 莫凌飛 申請人:浙江大學(xué)