专利名称：一种具有分叉结构的rfid天线及其设计方法
技术领域：
本发明涉及射频识别，特别是涉及RFID标签天线及其设计方法。
背景技术：
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术。RFID技术可识别高速运动物体 并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID在物流、制造、医疗、运输、零售、国防等等方 面得到了广泛应用。超高频无源RFID标签工作频率高，可读写距离长，无需外部电源，制造 成本低，目前已经得到较广泛的应用，而且有可能成为RFID领域的主流产品。目前超高频 (UHF)无源标签已成为RFID的重点研究方向之一。但是，超高频天线理论尚不成熟，根据射频理论的软件模拟出的天线常常和实际 测试结果不吻合。并且超高频无源RFID标签天线可设计的形状复杂多变，没有固定的规范 可循，常常需要进行大量盲目的摸索。使超高频无源RFID标签天线设计过程浪费大量的人 力物力。以图1所示的可实现近、远场工作的天线为例，该天线主要可以看作由两部分组 合而成，一部分是闭合线圈，作为近场感应线圈天线，可以实现近场工作；另一部分是外围 的偶极子，它与闭合线圈共同构成一个远场辐射天线，可以实现远场工作。天线的闭合线圈 一般情况下与一个偶极子构成单偶极子天线，或者也有些天线有多个偶极子，构成多偶极 子天线。其中，单偶极子天线的优点是占用面积小，缺点是性能不如多偶极子天线；而多偶 极子天线则往往面积较大。很多的应用场合，对天线的尺寸有严格的要求，所以多偶极子天 线也有自身的缺点。换言之，现有的天线结构无法解决天线性能与天线尺寸之间的矛盾。
发明内容
本发明的目的即在于改进现有RFID标签天线的性能与尺寸之间的矛盾，提供一 种能在保持天线尺寸不至于过大的前提下而能取得较佳性能的天线结构。同时，提供一种 通用的RFID天线设计方法。本发明的具有分叉结构的RFID天线的设计方法，包括以下步骤Si，根据天线用途和配合的芯片确定天线的目标阻抗和参数需求；S2，根据所述目标阻抗，设计包括环形结构和偶极子的普通天线原型；S3，在所述普通天线原型的环形结构处布置分叉结构，并将所述分叉结构连接到 环形结构，构成分叉天线；S4，对天线尺寸进行微调，以满足阻抗匹配条件和参数需求。同时本发明还提供了一种具有分叉结构的RFID天线，所述天线包括环形结构、偶 极子和分叉结构，其中，所述环形结构位于中心，所述分叉结构和偶极子分别连接在所述环 形结构上。其中，较佳地，所述分叉结构为对称的，例如所述分叉结构为梳齿状结构。本发明通过在闭合线圈上做出分叉结构，形成介于单偶极子天线和双偶极子天线之间的一种天线结构，由于分叉结构面积较小，使得本发明的天线保持了单偶极子天线占 用面积小的优点，并且具有较好的性能。并且实测和软件模拟表明，合理使用本发明采用的 分叉结构，可以基本不改变天线的阻抗，所以本发明可以有效加快设计高性能天性的速度。因此，本发明的RFID天线使用的分叉结构可广泛用于带闭合线圈的UHF标签天 线，缩小天线面积，提高天线的性能。本发明的设计方法给出了上述分叉结构天线的设计原 则，提供了减小天线尺寸和提高性能的途径，同时一定程度上可避免UHF天线设计的盲目 性，减少设计天线所用时间，从而提高了天线设计效率。
图1为本发明一实施例使用的普通超高频RFID天线；图2A-2D为图1中天线的仿真模拟结果；图3为根据本发明第一实施例的分叉式超高频RFID天线；图4A-4D为图3中的分叉超高频天线的仿真模拟结果；图5A为根据本发明第一实施例的分叉式超高频RFID天线；图5B为根据本发明第二实施例的分叉式超高频RFID天线。
具体实施例方式本发明主要针对现有的RFID超高频天线提出改进。一种现有的RFID超高频天线 如图1所示。为了实现近、远场工作，该天线包括两部分，一部分是闭合线圈，作为近场感应 线圈天线，可以实现近场工作；另一部分是外围的偶极子，它与闭合线圈共同构成一个远场 辐射天线，可以实现远场工作。此类一般结构的天线的形状和设计方法在现有技术中已有 论及，本发明中对于该对称结构的天线的设计方法使用现有的技术，因此不加赘述。任何现 有技术中已知的对称结构天线的设计方法均可应用于此。本发明中的分叉结构RFID超高频天线设计方法包括以下步骤步骤Si，确定天线的目标阻抗。这一步骤与现有技术中目的和方式均相同，首先根 据应用要求确定天线的尺寸和性能要求，然后选择合适的芯片，根据芯片确定天线的阻抗。步骤S2，根据目标阻抗，设计包括环形结构和偶极子的普通天线原型，例如设计普 通单偶极子天线原型。本步骤的目的是使天线原型能满足所述目标阻抗的要求，同时尽可 能提高天线的性能。需注意的是在设计普通天线原型时应预留用以加入分叉结构的空白位 置。而所述普通天线原型的一般设计方法属于现有技术，在此不加赘述。步骤S3，在所述普通天线原型的环形结构处布置分叉结构。其典型方法是在环形 结构外的空白处布置，尽量不影响天线大小，但是并不局限于此典型方法。并且将所述分叉 结构连接到环形结构，构成分叉天线。步骤S4，加入分叉结构后可能会影响天线的某些参数，所以需要重新调整天线尺 寸，以满足天线的阻抗匹配、Sll参数曲线的形状和位置等条件。这里重新调整通常只是尺 寸上的微调，不会改变天线的整体结构和布局。通过设计分叉结构的尺寸，可以使得分叉结 构不明显影响天线的阻抗。在实施例中给出了具体例子。下面结合附图，对本发明的RFID天线设计方法进行具体的说明。步骤Si，以采用TI公司的超高频RFID芯片进行倒装为例，该芯片的工作频率是860M-960MHZ，芯片对天线的阻抗要求为ll+j55欧姆(915MHz)，对应在史密斯圆图中的位 置大约在80度角和1. 00电抗弧线交点处。本实施例中，使用1微米厚度的铜溅射技术制作UHF标签天线，衬底材料为30微 米厚度的PET塑料。步骤S2，首先设计具有中心环形结构和两端偶极子的天线，如图1所示。其中Ia 为中心环形结构，Ib为两端偶极子的天线，Ic为芯片位置。图2为图1天线的模拟结果。其中图2A为史密斯圆图，图2B为Sll参数，Sll参 数是天线的回波损耗，这个值的峰值位置决定了天线的谐振频率，其大小决定天线对空间 电磁波的吸收情况。图2C和图2D为天线增益(gain)表示的方向图，把天线长轴方向定为 r轴，则根据球面坐标系可以得到Phi和Theta两个角度。其中图2C中两条曲线Phi值分 别为0度和90度，周围标注的角度为Theta值，曲线离开中心点的距离为Gain值。图2D 中两条曲线Theta值分别为0度和90度，周围标注的角度为Phi值，曲线离开中心点的距 离为Gain值。从图2C中可以看出，Theta = 0度，Gain值几乎为零，所以图2D中，Theta =0度那条曲线在中心点，看不出来，只能看到Theta = 90度的那条曲线。从图2可以看 出图1天线具有较好的阻抗匹配和增益方向图特性。按照上述步骤S3布置分叉结构。图3为由图1天线加上本实施例的分叉结构所 得到的天线示意图。图3中，3a为分叉结构，3b为芯片所在位置。从图3可以看出，此图保 持了图1的全部结构，并且增加了四个分叉。其中，所述分叉指独立于环形结构和偶极子的 分叉结构，根据本发明的优选实施例，分叉结构是对称的。例如，一种建议的分叉结构为梳 齿状，分叉可有多个。在图3中为4个，也可如图5所示将分叉设为其他数目，其中图5A为 两分叉天线，图5B为六分叉天线。图3以及图5A、5B中的天线的多个分叉分布在图1天线 的空白处，没有增加天线的面积。图4为图3天线的模拟结果。其中图4A为史密斯圆图，图4B为Sll参数，图4C 和图4D为天线增益。其具体参数含义和坐标轴设置与图2中的相同，在此不再复述。从图2和图4的对比可以看出，增加分叉结构没有改变天线的阻抗，但是增加了天 线的增益。对本发明的天线采用inermec读卡器进行测试，发现图1结构的读取距离为大约 3m,图3结构的读取距离为大约7m，可见分叉结构明显提高了天线读取距离。对比实测结果和模拟结果，模拟显示的增益增加程度较小，而实际测量性能改善 较大。分叉结构sll峰值绝对值略有下降。这应该是软件模拟的缺陷造成，由于射频基础 理论和软件模拟技术的不足，软件模拟只能显示定量的结构，而定性的结果需要实际测量。总之，本实施例证明，采用本发明所述分叉结构，可以提高天线性能，并且降低设 计难度。以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要 求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的 保护范围内。
权利要求
一种具有分叉结构的RFID天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤S1，根据天线用途和配合的芯片确定天线的目标阻抗和参数需求；S2，根据所述目标阻抗，设计包括环形结构和偶极子的普通天线原型；S3，在所述普通天线原型的环形结构处布置分叉结构，并将所述分叉结构连接到环形结构，构成分叉天线；S4，对天线尺寸进行微调，以满足阻抗匹配条件和参数需求。
2.一种具有分叉结构的RFID天线，其特征在于，所述天线包括环形结构、偶极子和分 叉结构，其中，所述环形结构位于中心，所述分叉结构和偶极子分别连接在所述环形结构 上。
3.根据权利要求2所述的具有分叉结构的RFID天线，其特征在于，所述分叉结构为对 称的。
4.根据权利要求2所述的具有分叉结构的RFID天线，其特征在于，所述分叉结构为梳 齿状结构。
5.根据权利要求4所述的具有分叉结构的RFID天线，其特征在于，所述分叉结构有4 个分支。
6.根据权利要求4所述的具有分叉结构的RFID天线，其特征在于，所述分叉结构有2 个或6个分支。
全文摘要
具有分叉结构的RFID天线的设计方法，包括S1，根据天线用途和配合的芯片确定天线的目标阻抗和参数需求；S2，根据目标阻抗，设计包括环形结构和偶极子的普通天线原型；S3，在所述普通天线原型的环形结构处布置分叉结构，形成由环形结构、偶极子、分叉结构三部分组成的分叉天线；S4，重新调整天线尺寸，以满足阻抗匹配条件和参数需求。本发明的分叉结构可广泛用于带闭合线圈和偶极子的UHF标签天线，缩小天线面积，提高天线的性能。本发明的设计方法给出了上述分叉结构天线的设计原则，提供了减小天线尺寸和提高性能的途径，同时一定程度上可避免UHF天线设计的盲目性，减少设计天线所用时间，从而提高了天线设计效率。
文档编号H01Q1/36GK101924269SQ200910086968
公开日2010年12月22日 申请日期2009年6月12日 优先权日2009年6月12日
发明者陈会军 申请人:航天信息股份有限公司