专利名称：一侧边缘凹陷的平面反射体的制作方法
技术领域：
本发明涉及射频识别(RFID)技术领域，特别是涉及一种应用于电子标签的平面反射体。
背景技术：
射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID系统是一种简单的无线系统，用于控制、检测和跟踪物体，其由两个基本器件组成，分别为询问器(或阅读器)和应答器(或电子标签)，电子标签主要由存有识别代码的大规模集成电路芯片和收发天线构成，其中电子标签的数量可以为多个，即RFID技术可同时识别多个电子标签。其工作原理为阅读器发射一特定频率的无线电波能量给电子标签，用以驱动电子标签电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据，利用其内的应用程序做相应的处理。目前，定义RFID产 品的工作频段有低频、高频和超高频，其中不同频段的RFID产品会有不同的特性和应用。具体如下低频(工作频率从125KHZ到135KHz)段内的RFID产品主要是通过电感耦合的方式进行工作，也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用。通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流，可作供电电压使用。主要应用于畜牧业的管理系统、汽车防盗和无钥匙开门系统、马拉松赛跑系统、自动停车场收费和车辆管理系统、自动加油系统、酒店门锁系统的应用以及门禁和安全管理系统等。高频(工作频率为13. 56MHz)段内的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。主用应用于服装生产线和物流系统的管理和应用、三表预收费系统、酒店门锁的管理和应用、大型会议人员通道系统、固定资产的管理系统、医药物流系统的管理和应用以及智能货架的管理等。超高频(工作频率为860MHz到960MHz之间)段内的RFID主要是通过电磁场来传输能量，电磁场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很好进行定义。该频段读取距离比较远，无源可达IOm左右。其电子标签的天线一般是长条和标签状，天线有线性和圆极化两种设计，满足不同应用的需求。主要应用于供应链上的管理和应用、生产线自动化的管理和应用、航空铁路包裹的管理和应用、集装箱的管理和应用、以及后勤管理系统的应用
坐寸ο目前，在图书管理中，并未充分利用到RFID技术，而是采用条形码或者磁条的方式进行管理，此时需要逐本读入图书信息，人力成本较大。而引入RFID技术，就存在以下问题，由于RFID电子标签采用的天线不具备明显的单向性，而目前图书馆书架摆放逐排放置，当需要读入前排书架内图书信息时，后排书架内的信息也会被读入，从而影响对前排书架内图书信息的统计。考虑到图书馆书架上摆放的图书，总是书脊方向向外。若设计出一种平面单向天线，应用于RFID标签中，将RFID标签平面单向天线的最大增益方向指向书脊，则RFID阅读器很容易读取当前书架上的图书标签；同时，因为背面书架上的书朝向另一方向，则这些书不容易被RFID阅读器误读。又如，在移动速度较快的流水线上的物品的RFID标签，其通过RFID读写器可识读范围的时间很短，可能会造成读写操作失败的情况。若能够合理摆放流水线上的物品，使标签平面单向天线的最大增益方向指向读写器所在位置，则可扩大其可识读范围，增加操作的可靠度。然而，目前没有这种方便小巧的平面单向天线设计，有的仅是一种应用在其他领域的八木天线，其方向性很好。但是结构较为复杂，不适合在以上领域中应用。具体，如图1所示，其为一种现有的八木天线结构示意图。该八木天线是由有源振子11 ( 一般用折合振子)、无源反射器12和若干个无源引向器13平行排列而成的端射式天线。典型的八木天线一般有三对振子，整个结构呈“王”字形。与馈线相连的称有源振子，或主振子，居三对振子之中，“王”字的中间一横。反射器比有源振子稍长一点，它在有源振子的一侧，起着削弱从这个方向传来的电波或从本天线发射去的电波的作用；引向器比有源振子略短，它位于有源振子的另一侧，它能增强从这一侧方向传来的或向这个方向发射出去的电波。引向器可以有许多个，每根长度都要比其相邻的并靠近有源振子的那根略短一点。引向器越多，方向越尖锐、增益越高，但实际上超过四、五个引向器之后，这种“好处”增加就不太明显了，而体积大、自重增加、对材料强度要求提高、成本加大等问题却渐突出。通常情况下有一副五单元八木(即有三个引向器，一个反射器和一个有源振子)就够用了。通常，每个引向器和反射器都是用一根金属棒做成。无论有多少“单元”，所有的振子，都是按一定的间距平行固定在一根“大梁”上。可见，以上结构并不适于在图书管理以及流水线上物品管理中应用，故而，本发明针对RFID标签在高频与超高频段的一种应用——“若贴RFID标签的物品摆放方向非常规贝U，且某方向上需要标签具有较高的灵敏度，或者在某方向上不希望标签被探测到”这一现实问题，提出一种RFID标签平面单向天线设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平面反射体，应用于平面天线，以抵消天线于一个方向上的辐射信号，实现平面单向天线，以解决现有RFID标签在图书管理以及流水线上物品管理等中应用的局限性问题。为解决以上技术问题，本发明提供一种平面反射体，用于天线的一侧，使天线具有单向特性，其中，该反射体为轴对称结构，且从对称轴向两侧，反射体的宽度增加。进一步的，从对称轴向两侧，所述反射体的宽度逐渐增加。进一步的，所述反射体的一侧 为弧形。进一步的，从对称轴向两侧，所述反射体的宽度先保持不变，而后逐渐增加。进一步的，所述增加为线性增加。
进一步的，所述反射体的对称轴处的宽度为4mm以上，边缘宽度大于对称轴处宽度。进一步的，所述反射体的对称轴处的宽度为8mm以上，边缘宽度为15mm以上。进一步的，所述反射体的材质为箔。可见，本发明以上实施例利用反射体来抵消天线一个方向上的辐射信号，从而实现天线的单向特性，且该天线与反射体均为平面结构，进而实现了平面单向天线，有利于其于图书管理等方面的应用。具体，利用加宽的反射体来实现，可以明显降低天线单向性能对频率的依赖性，使其在较大的频率范围内保持单向特性。在900MHz附近的UHF RFID工作频段，4mm以上的反射体宽度可以保证IOOMHz以上的频率适应范围(天线前后方增益相差6dB以上)。至于频率适用范围的具体起止频率值，可通过调节反射体到类双极子天线的距离、以及反射体的长度来进行调整。进一步的，本发明较佳实施例利用宽度从中心向两侧变化的反射体来改进以上天线与反射体的整体尺寸要求。具体，利用一侧中间凹陷的反射体，可在保持反射体边缘和天线边缘的平均距离大致不变的情况下，使反射体与天线的总宽度减少，从而达到减少标签总尺寸的效果。另外，本发明较佳实施例在反射体上设置镂空结构，来增加反射体的等效分布电感，以调节并改善反射电磁波与天线本身发出的电磁波的叠加情况，从而在更小的标签尺寸小得到与大尺寸标签类似的单向天线效果。
图1为一种现有的八木天线结构示意图；图2为本发明实施例一所提供的平面单向天线组件的结构示意图；图3为本发明实施例二所提供的平面单向天线组件的结构示意图；图4为本发明实施例三所提供的平面单向天线组件的结构示意图；图5为本发明实施例四所提供的平面单向天线组件的结构示意图；图6为本发明实施例五所提供的平面单向天线组件的结构示意图；图7和图8分别为普通UHF RFID标签上使用的类双极子天线无反射体天线模式下，在920MHz的E平面和F平面的仿真结果示意图；图9和图10分别为在类双极子天线旁放置加宽反射体(150mm*20mm矩形，距类双极子天线20mm)在920MHz的E平面和F平面的天线模式仿真结果示意图；图11和图12分别为在类双极子天线旁放置一侧为月牙形边缘且带镂空结构的反射体在920MHz的E平面和F平面的天线模式仿真结果示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的说明。在图书管理以及流水线物体管理等方面，物品摆放方向非常规则，且某方向上需要标签具有较高的灵敏度，而在另一方向上不希望标签被探测。这种情况下如果利用平面单向天线，将会有效的管理图书或物体信息。然而，目前RFID技术并未应用于此，主要是没有方便小巧且效果较好的平面单向天线设计，而现有的单向天线又往往难以适用这种场合。故本发明设计一种简单的单向标签天线，其为一种平面天线结构，方便在此领域应用，具体，在天线的一侧垂直天线方向上设置具有一定宽度的反射体，来降低天线单向性能对频率的依赖性，使其在较大的频率范围内保持单向特性。具体，请参考图2，其为本发明一实施例所提供的平面单向天线组件的结构示意图。如图所示，该天线组件包括天线210和反射体220，其中反射体220设置于天线210的一侧，其在垂直于天线210的方向上具有一定的宽度W。相对于现有技术的八木天线，加宽反射体的宽度(即加大垂直于天线方向的尺寸)可以明显降低天线单向性能对频·率的依赖性，使其在较大的频率范围内保持单向特性。此外，其无需设置引向器，使得天线设计简单，尺寸较小，方便使用。以上天线组件在900MHz附近的UHF RFID工作频段，4mm以上的反射体宽度可以保证IOOMHz以上的频率适应范围(天线前后方增益相差6dB以上)。至于频率适用范围的具体起止频率值，可通过调节反射体到类双极子天线的距离、以及反射体的长度来进行调整。通常距离和尺寸的增加会使起止频率降低，反之则使其升高。对于单向天线的实现，理论上反射体的宽度越宽效果越好，无穷大的宽度能带来无穷大的频率适应范围。不过，太大的宽度会造成成本的上升，最终限制标签天线尺寸的是成本和具体应用场景的限制。为此，为了保证天线组件的整体尺寸满足使用需要，往往反射体的宽度不高于20mm。较佳的，由于双极子天线的尺寸狭长而窄，适合与反射体的形状相匹配，故在此天线可以为双极子天线或类双极子天线。当然，本发明不以此为限，也可以是其他UHF RFID标签上使用的狭长形状的线极化天线。较佳的，反射体的材质为金属，例如，箔。这是因为，现有的通用UHF RFID标签天线的生产流程就是将铜箔或铝箔蚀刻在塑料薄膜上制成的。反射体使用相同的金属箔，则完全不需要修改生产流程。对生产商来说，仅仅是做了一款尺寸较大的标签而已。如果标签是在印刷电子线路板(PCB)上的，则可以用板上接地的铺铜作为反射体，这里同样不需要改变生产流程。实施例一请继续参考图2，从图中可以看出，反射体220为矩形，其长边沿天线方向。需要说明的是，当反射体220越来越靠近天线210时，前后增益差会越来越小，适用频率范围(即前后增益差大于某个特定阈值的频段)越来越窄，且增益差、频率范围这两个参数对周边环境越来越敏感(即周边的物体移动或材质改变时，可能引起这两个参数急剧变化)。对于本实施例中的加宽反射体220，通常其边缘距离标签天线边缘的距离D小于IOmm时,就很难获得理想的单向天线的效果。为此，为了进一步缩小整个天线组件的尺寸，反射体220与天线210的整体尺寸，以下实施例给出了更优的反射体结构。实施例二 由于天线的结构并非本发明的关键，故，此处为了清楚起见，省略了天线，而只给出了反射体的结构。请参考图3，该天线组件同样包括天线和反射体320，其与实施例一的区别在于，反射体320由矩形反射体换成一侧月牙形反射体，即该反射体320靠近天线的一侧边缘为弧形。由于其中间凹陷，可在保持反射体320边缘和天线边缘的平均距离大致不变的情况下，使反射体与天线的总宽度减少，从而达到减少天线组件总尺寸的效果。例如，本实施例的天线组件相对实施例一的天线组件，总宽度减少了约15_。实施例三请参考图4，该天线组件同样包括天线310和反射体320，该反射体320的一侧具有镂空结构330。然而本发明不以此为限。反射体上增加镂空结构的主要功能是增加反射体的等效分布电感，以调节并改善反射电磁波与天线本身发出的电磁波的叠加情况，从而保证以更小的标签尺寸得到与大尺寸标签类似的单向天线效果。镂空结构330的位置在反射体320靠近天线的一侧，为狭长的条状，方向与该侧的反射体320边缘基本平行。狭长条状镂空的宽度、以及它到边缘的距离应小于反射体的平均宽度，具体，镂空宽度加距边缘距离之和至少小于反射体最窄宽度的1/2，以避免镂空结构对反射体的其他特性造成严重影响。狭长条状镂空的长度是影响镂空结构产生的等效分布电感的主要参数，应根据具体使用的标签天线类型、反射体到天线的距离来调整长度，以使其得到理想的单向天线效果。镂空结构330在反射体320靠近天线310 —侧的边缘上有开口 331。开口 331位置任意，开口 331的宽度也能影响镂空结构产生的等效分布电感，应根据具体使用的标签天线类型、反射体到天线的距离来进行调整，以使其得到理想的单向天线效果。另外，反射体320上的镂空结构330的数量任意，分布位置应遵循均匀分布和对称分布的原则。
具体，例如当反射体为矩形时，镂空结构可以设置在矩形的一长边侧，且其中心位于矩形对称轴上。具体如以下实施例实施例四由于天线的结构并非本发明的关键，故，此处为了清楚起见，省略了天线，而只给出了反射体的结构。如图5所示，该反射体420为矩形，其宽度在4mm以上，例如为4mm至20mm。镂空结构430位于其长边的一侧，其中心位于矩形的对称轴上，且沿矩形长边向两侧延伸。当然，这只是一种实例，镂空结构也可以包括多个，相对于矩形的对称轴对称设置。例如，镂空结构为两个，对称设置于矩形对称轴的两侧；镂空结构为奇数个(例如，三个)，其中一个中心位于矩形对称轴上，另外对称分布于矩形对称轴两侧；镂空结构为偶数个(例如，两个)对称分布于矩形对称轴两侧。本领域技术人员可以根据需要选择，本发明不做任何限制。同样的，实施例二中的镂空结构也可以按照这样的方式设置。另外，需要说明的是，实施例二中的反射体320 —侧为月牙形，然而本发明不以此为限。具体，只要反射体中心具有凹陷，即反射体为轴对称结构，且从对称轴向两侧，反射体的宽度增加即可，具体应用时，即反射体靠近天线的一侧从两侧向中间，距离天线的距离增加。该增加可以是逐渐增加，也可以后段增加。另外，以上边缘凹陷仅在反射体的一侧形成，本发明对另一侧的结构不做任何限制，本领域技术人员可根据需要进行设置，较为方便的仍为直线型结构，当然也可以为对应的凹陷、或者凸起结构。
以下实施例给出了另一种反射体实现形态。实施例五如图6所示,该反射体520从对称轴向两侧,反射体520的宽度先保持不变,而后逐渐增加，且该增加为线性增加。即反射体520的一侧边缘为无长底边的等腰梯形。当然，本发明不以此为限，以上增加也可以不是线性增加，增加段的边缘也可以是弧形。另外，反射体520的对称轴处的宽度为4mm以上，边缘宽度大于对称轴处的宽度，例如对称轴处的宽度为8mm以上，边缘宽度为15mm以上。以满足天线单向特性对反射体宽度的需求。从图中还可以看出，该反射体520还具有镂空结构530。然而本发明不以此为限。该镂空结构530包括三个，其中一个中心位于反射体520的对称轴上，另外两个对称分布于反射体250对称轴两侧，具体位于等腰梯形两边与底边的交界处两侧。然而，本发明不以此为限，镂空结构可以根据需要任意设置，只要遵循均匀分布和对称分布的原则即可。可见，本发明以上实施例利用反射体来抵消天线一个方向上的辐射信号，从而实现天线的单向特性，且该天线与反射体均为平面结构，进而实现了平面单向天线，有利于其于图书管理等方面的应用。具体，利用加宽的反射体来实现，可以明显降低天线单向性能对频率的依赖性，使其在较大的频率范围内保持单向特性。在900MHz附近的UHF RFID工作频段，4mm以上的反射体宽度可以保证IOOMHz以上的频率适应范围(天线前后方增益相差6dB以上)。至于频率适用范围的具体起止频率值，可通过调节反射体到类双极子天线的距离、以及反射体的长度来进行调整。
进一步的，本发明较佳实施例利用宽度从中心向两侧变化的反射体来改进以上天线与反射体的整体尺寸要求。具体，利用一侧中间凹陷的反射体，可在保持反射体边缘和天线边缘的平均距离大致不变的情况下，使反射体与天线的总宽度减少，从而达到减少标签总尺寸的效果。另外，本发明较佳实施例在反射体上设置镂空结构，来增加反射体的等效分布电感，以调节并改善反射电磁波与天线本身发出的电磁波的叠加情况，从而在更小的标签尺寸小得到与大尺寸标签类似的单向天线效果。相应的，本发明一实施例还提供一种平面单向天线实现方法，即在天线的一侧设置反射体，且该反射体在垂直天线方向上具有一定的宽度。具体，该反射体在垂直于天线方向上的宽度在4mm以上。加宽反射体的宽度(即加大垂直于类双极子天线方向的尺寸)可以明显降低天线单向性能对频率的依赖性，使其在较大的频率范围内保持单向特性。在900MHz附近的UHFRFID工作频段，4mm以上的反射体宽度可以保证IOOMHz以上的频率适应范围(天线前后方增益相差6dB以上)。至于频率适用范围的具体起止频率值，可通过调节反射体到类双极子天线的距离、以及反射体的长度来进行调整。另外，反射体与天线之间的距离没有明显的范围值，当反射体越来越靠近天线时，前后增益差会越来越小，适用频率范围(即前后增益差大于某个特定阈值的频段)越来越窄，且增益差、频率范围这两个参数对周边环境越来越敏感(即周边的物体移动或材质改变时，可能引起这两个参数急剧变化)。
对于矩形加宽反射体，通常其边缘距离标签天线边缘小于IOmm时，就很难获得理想的单向天线的效果。在换成一侧中间凹陷的反射体后，由于其中间凹陷，可在保持反射体边缘和标签天线边缘的平均距离大致不变的情况下，使反射体与天线的总宽度减少，从而达到减少标签总尺寸的效果。例如，一侧为月牙形的反射体，标签总宽度减少了约15mm。请参考图7至图12，其中图7和图8分别为普通UHF RFID标签上使用的类双极子天线无反射体时，在920MHz的E平面和F平面的天线模式仿真结果示意图；图9和图10分别为在类双极子天线旁放置加宽反射体(150mm*20mm矩形，距类双极子天线20mm)时，在920MHz的E平面和F平面的天线模式仿真结果示意图；图11和图12分别为在类双极子天线旁放置一侧为月牙形边缘且带镂空结构的反射体时，在920MHz的E平面和F平面的天线模式仿真结果示意图。从图中可以看出，在添加反射体后，天线模式显示出明显的单向特性。同时利用中间凹陷的反射体与带镂空的反射体可以在缩小天线几何尺寸的情况下，仍然保持相当的单向特性。。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物 界定。
权利要求
1.一种平面反射体，用于天线的一侧，使天线具有单向特性，其特征是，该反射体为轴对称结构，且从对称轴向两侧，反射体的宽度增加。
2.根据权利要求1所述的平面反射体，其特征是，从对称轴向两侧，所述反射体的宽度逐渐增加。
3.根据权利要求2所述的平面反射体，其特征是，所述反射体的一侧为弧形。
4.根据权利要求1所述的平面反射体，其特征是，从对称轴向两侧，所述反射体的宽度先保持不变，而后逐渐增加。
5.根据权利要求4所述的平面反射体，其特征是，所述增加为线性增加。
6.根据权利要求1所述的平面反射体，其特征是，所述反射体的对称轴处的宽度为4mm以上，边缘宽度大于对称轴处宽度。
7.根据权利要求6所述的平面反射体，其特征是，所述反射体的对称轴处的宽度为8mm以上，边缘宽度为15mm以上。
8.根据权利要求1所述的平面反射体，其特征是，所述反射体的材质为箔。
全文摘要
本发明公开了一种平面反射体，用于天线的一侧，使天线具有单向特性，其中该反射体为轴对称结构，且从对称轴向两侧，反射体的宽度增加。该反射体由于其中间凹陷，可在保持反射体边缘和标签天线边缘的平均距离大致不变的情况下，使反射体与天线的总宽度减少，从而达到减少标签总尺寸的效果。
文档编号H01Q15/16GK103050784SQ201110315478
公开日2013年4月17日 申请日期2011年10月17日 优先权日2011年10月17日
发明者董培良 申请人:上海华虹计通智能系统股份有限公司