專(zhuān)利名稱(chēng)：一款應(yīng)用于uhf頻段rfid系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種射頻識(shí)別電子標(biāo)簽，其特征是工作于超高頻段、應(yīng)用在車(chē)牌上。
背景技術(shù)：
射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，簡(jiǎn)稱(chēng)RFID)是一種通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸式的雙向數(shù)據(jù)通信，從而對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別的技術(shù)。射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由閱讀器(Reader)和電子標(biāo)簽(Tag)組成。電子標(biāo)簽由片上天線和芯片組成，通過(guò)電磁波與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具有智能讀寫(xiě)和加密通信功能。天線是RFID系統(tǒng)中至關(guān)重要的裝置， RFID系統(tǒng)通過(guò)射頻天線來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射、接收電磁波，從而實(shí)現(xiàn)閱讀器對(duì)電子標(biāo)簽的識(shí)別。射頻識(shí)別系統(tǒng)主要工作在低頻、高頻、超高頻和微波頻段。低頻和高頻射頻系統(tǒng)通過(guò)電感耦合的方式完成識(shí)別，讀取距離近。而超高頻和微波射頻系統(tǒng)通過(guò)電磁波傳遞的方式完成識(shí)別，讀取距離較遠(yuǎn)。目前，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)推薦超高頻(Ultra High Frequency，簡(jiǎn)稱(chēng) UHF)頻段RFID設(shè)備的使用頻率是860MHz 960MHz。其中，北美使用的頻段是902MHz 928MHz，歐洲使用的頻段是865MHz 868MHz。中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部于2007年四月發(fā)布了 UHF頻段RFID系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)定，中國(guó)采用840MHz 845MHz和920MHz 925MHz作為UHF頻段RFID 系統(tǒng)使用頻段，無(wú)線發(fā)射設(shè)備的功率規(guī)定為2W ERP0電子標(biāo)簽分為有源標(biāo)簽和無(wú)源標(biāo)簽，有源標(biāo)簽自身攜帶電池為其與閱讀器通信提供能量，而無(wú)源標(biāo)簽則通過(guò)標(biāo)簽天線接收從閱讀器發(fā)送的電磁波獲得能量激活芯片。超高頻段的射頻對(duì)金屬非常敏感，當(dāng)超高頻標(biāo)簽放置在金屬表面時(shí)，標(biāo)簽的讀取距離會(huì)迅速減小，甚至不能讀取。這是因?yàn)榻饘龠@樣的邊界條件改變了標(biāo)簽天線的輻射效率、阻抗匹配和方向圖。而相當(dāng)一部分的超高頻射頻應(yīng)用中，需要將標(biāo)簽貼于金屬表面，如車(chē)輛、集裝箱和金屬盒等等。因?yàn)槠矫嫣炀€結(jié)構(gòu)標(biāo)簽制作成本低，更適合大規(guī)模生產(chǎn)，所以研究平面結(jié)構(gòu)的抗金屬標(biāo)簽天線很有實(shí)際價(jià)值。而目前現(xiàn)有的可應(yīng)用在金屬背景的平面結(jié)構(gòu)標(biāo)簽天線的識(shí)讀距離一般在IOm以?xún)?nèi)，已有的天線要么帶寬好增益很低，要么增益高帶寬很窄。如何克服這個(gè)問(wèn)題是本發(fā)明的研究重點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明針對(duì)車(chē)牌的具體應(yīng)用提出一種寬帶、高增益的超高頻抗金屬標(biāo)簽天線。該抗金屬天線具有寬帶、高增益特性，其可置于高3mm、平面大小為90mm*65mm的金屬腔體中。該天線可形成諧振雙頻，_3dB帶寬為900MHz 944MHz， 在915MHz處的增益達(dá)4. 77dBi。采用合適的讀寫(xiě)器，本發(fā)明抗金屬天線在美國(guó)902MHz 928MHz頻段內(nèi)的理論識(shí)讀距離大于16米。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，其包括金屬底板、介質(zhì)板、金屬過(guò)孔和天線結(jié)構(gòu)。天線結(jié)構(gòu)在介質(zhì)板上表面，金屬底板在介質(zhì)板的下表面，天線結(jié)構(gòu)通過(guò)金屬過(guò)孔和金屬底板連通。其中，天線結(jié)構(gòu)包含不對(duì)稱(chēng)的金屬輻射面、第一饋線、第二饋線、連接輻射面且平行于饋線的兩段開(kāi)路線。第一饋線右側(cè)和第二饋線左側(cè)連接標(biāo)簽芯片，第一饋線左側(cè)通過(guò)打孔方式實(shí)現(xiàn)短路，第二饋線右側(cè)連接不對(duì)稱(chēng)的輻射面。天線的輻射面不對(duì)稱(chēng)，使得電流路徑不同，從而使得天線的雙頻逼近同一諧振點(diǎn)，擴(kuò)大了天線帶寬。通過(guò)加入饋線附近的兩段開(kāi)路線，增加了電流路徑，有益于天線輻射模式的擴(kuò)展。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果(1)本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線以輻射面不對(duì)稱(chēng)的方式，使得電流路徑不同，通過(guò)調(diào)節(jié)使得天線的雙頻逼近同一諧振點(diǎn)附近，擴(kuò)大了天線帶寬。(2)本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線通過(guò)金屬過(guò)孔，連接平面天線結(jié)構(gòu)和金屬接地板，增大了天線增益。(3)本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線應(yīng)用在金屬腔體中， 具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。(4)本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線在900MHZ-940MHZ范圍內(nèi)的理論讀取距離大于16m，可應(yīng)用于高速行駛的車(chē)輛識(shí)別系統(tǒng)中。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線俯視圖；圖3是一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線側(cè)視圖；圖4是一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線的阻抗曲線圖，圖中實(shí)線表示電阻，虛線表示電抗；圖5是一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線的反射系數(shù)曲線圖；圖6是一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線的增益隨頻率變化曲線圖；圖7是一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線的理論讀取距離隨頻率變化曲線圖；圖中，1為輻射面，2、3為凹槽內(nèi)開(kāi)路線，4為第二饋線，5為第一饋線，6為金屬過(guò)孔，7為標(biāo)簽芯片，8為金屬底板，9為天線層，10為介質(zhì)板。
具體實(shí)施例方式本方案為覆蓋美國(guó)超高頻射頻識(shí)別頻率、應(yīng)用于識(shí)讀距離大于16m的車(chē)牌識(shí)別場(chǎng)合的抗金屬標(biāo)簽天線。本發(fā)明的標(biāo)簽天線通過(guò)采用短路短截線實(shí)現(xiàn)超高頻抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)，標(biāo)簽芯片采用NXP G2型號(hào)超高頻射頻標(biāo)簽，芯片在915MHz時(shí)的阻抗為(16_j*148) Ohm。下面針對(duì)本發(fā)明抗金屬標(biāo)簽天線并結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線，天線結(jié)構(gòu)包含1、輻射面 2、開(kāi)路線3、開(kāi)路線4、第二饋線5、第一饋線6、金屬過(guò)孔7、標(biāo)簽芯片。輻射面1和饋線4和 5之間形成凹槽，調(diào)節(jié)凹槽的嵌入深度和寬度可以改變天線的諧振頻率和匹配程度。第一饋線的右側(cè)有金屬過(guò)孔6，穿過(guò)介質(zhì)板10與金屬底板8連通。天線的輻射面關(guān)于饋線4和 5不對(duì)稱(chēng)，使得電流路徑不同，通過(guò)尺寸調(diào)節(jié)，可將天線的雙頻移至同一諧振點(diǎn)附近，從而擴(kuò)大天線帶寬。而凹槽中與饋線平面的兩段開(kāi)路線，增加了電流路徑，益于天線輻射模式的擴(kuò)展。本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線，介質(zhì)基板采用聚四氟乙烯材料，相對(duì)介電常數(shù)為3. 38，損耗角正切為0. 002，介質(zhì)板厚度為3. 04mm。1、輻射面2、開(kāi)路線3、開(kāi)路線4、第二饋線5、第一饋線7、標(biāo)簽芯片同屬于介質(zhì)基板10的上表面，而金屬底板 8屬于介質(zhì)基板10的下表面。上、下表面通過(guò)金屬過(guò)孔6連通。對(duì)于超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽，其芯片阻抗一般是復(fù)數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)天線與芯片之間的最大能量傳輸，需要天線的輸入阻抗和芯片阻抗共軛匹配，即實(shí)部相等、虛部相反。這也就要求標(biāo)簽天線的輸入阻抗的實(shí)部和虛部都有一定的調(diào)節(jié)能力。對(duì)于該抗金屬標(biāo)簽天線，其屬于微帶貼片結(jié)構(gòu)，串聯(lián)了一段短路短截線。由射頻電路知識(shí)可知，通過(guò)調(diào)節(jié)第二饋線5的長(zhǎng)度，可以改變短路點(diǎn)的位置，從而調(diào)節(jié)電抗分量。而凹槽的嵌入深度和寬度對(duì)該天線的阻抗都有較大影響，所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)以上結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線與芯片的匹配。本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線的輻射面1的總長(zhǎng)度為 86mm，寬度為57mm。輻射面中的凹槽嵌入深度為30mm，寬度為14mm。第一饋線的長(zhǎng)度為 4. 6mm,寬度為3mm。第二饋線的長(zhǎng)度為22. 4mm,寬度為3mm。開(kāi)路線3和4的長(zhǎng)度為19mm， 寬度為1mm。該抗金屬標(biāo)簽天線的輻射面采用了不對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，這樣利于帶寬擴(kuò)展。通過(guò) HFSS電磁仿真，天線的阻抗曲線、反射系數(shù)曲線分別如圖4和5。從圖中可以看出，天線在 915MHz附近形成了諧振雙頻，從阻抗特性來(lái)看，主要是因?yàn)殡娍骨€在該頻率附近上下波動(dòng)。該抗金屬天線的_3dB帶寬為900MHz 944MHz，符合美國(guó)RFID頻段的要求。天線的增益隨頻率的變化曲線如圖6，可以看出，在美國(guó)頻段902MHz 928MHz，增益在4. 5dBi以上。本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線放置在車(chē)牌中，四周的高度為3mm，可認(rèn)為工作在3mm嵌入深度的金屬腔體中。采用GSIT公司生產(chǎn)的讀寫(xiě)器天線，其天線增益為12dBi水平極化，接入天線功率0.5W。考慮到該抗金屬天線極化方式也為線極化，所以只要放置的位置合理，便可以減小由極化帶來(lái)的能量損耗。圖7給出了不考慮極化損耗時(shí)，該抗金屬天線的理論讀取距離。可以看出，在美國(guó)902MHz 928MHz頻段，該天線的識(shí)讀距離大于16米。上述方案只是本發(fā)明的一種具體實(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
1.一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，其特征在于包含上層天線結(jié)構(gòu)、 中層介質(zhì)板和下層金屬底板，上層的天線通過(guò)金屬過(guò)孔(6)與下層的底板連通。上層的天線結(jié)構(gòu)包含不對(duì)稱(chēng)的金屬輻射面(1)、第一饋線(5)、第二饋線(4)、連接輻射面且平行于饋線的兩段開(kāi)路線(2)和(3)。從饋源看去，該天線的輻射面不對(duì)稱(chēng)，這樣使得天線的電流路徑不對(duì)稱(chēng)，從而增加了天線的輻射模式。不對(duì)稱(chēng)的輻射面(1)中間形成凹槽，調(diào)節(jié)凹槽的嵌入深度和寬度可以調(diào)節(jié)天線諧振頻率和匹配度。第一饋線(5)和第二饋線(6)中間連接標(biāo)簽芯片(7)，第一饋線(5)的另一端短路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，其特征在于，該天線第一饋線(5)通過(guò)金屬過(guò)孔和金屬底板連通，形成了短路短截線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，其特征在于，輻射面(1)關(guān)于饋源不對(duì)稱(chēng)，通過(guò)調(diào)節(jié)輻射面的形狀和大小，將諧振雙頻調(diào)至同一諧振頻率附近，擴(kuò)大天線的帶寬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，其特征在于，不對(duì)稱(chēng)的輻射面(1)中間形成凹槽，在凹槽中增加兩條開(kāi)路線，增大了耦合，改善了匹配情況。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，其特征在于，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況調(diào)整介質(zhì)板的厚度，以及天線與應(yīng)用物體的一體化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，其特征在于，饋電的位置可視具體應(yīng)用情況而調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，涉及射頻識(shí)別電子標(biāo)簽技術(shù)領(lǐng)域。天線主要由金屬底板、介質(zhì)板以及位于介質(zhì)板上表面的天線結(jié)構(gòu)三部分組成。天線結(jié)構(gòu)在介質(zhì)板上表面，金屬底板在介質(zhì)板下表面，天線結(jié)構(gòu)通過(guò)金屬過(guò)孔和金屬底板連通。該天線結(jié)構(gòu)主要由不對(duì)稱(chēng)的金屬輻射面和連接輻射面并平行于饋線的開(kāi)路線組成。芯片兩邊的饋線分別連接金屬輻射面以及金屬過(guò)孔。天線的輻射面不對(duì)稱(chēng)，使得電流路徑不同，從而使得天線的雙頻逼近同一諧振點(diǎn)，從而擴(kuò)大天線帶寬。本發(fā)明抗金屬標(biāo)簽天線同時(shí)獲得了高增益和較大的帶寬，在美國(guó)頻段902MHz～928MHz內(nèi)，其理論讀取距離在16米以上。該抗金屬天線可應(yīng)用在識(shí)讀距離大的場(chǎng)合中，如車(chē)牌識(shí)別。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK102437421SQ20111026419
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月7日
發(fā)明者張陳乾, 徐婷婷, 李文勛, 李秀萍, 鄒琴 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)