专利名称：Rfid标签天线仿真设计方法及标签天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线射频识别领域，特别涉及RFID标签天线仿真设计方法及标签天线。
背景技术：
射频识别技术(RFID)，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信。RFID系统主要包括阅读器和标签两部分；标签由标签天线和芯片组成。通常RFID系统有两种工作模式，一是适用于低频、高频的电磁耦合模式；另一种是适用于超高频、微波波段的反向散射调制模式。从标签供电方式看，可分为有源式标签，无源式标签和半无源式标签三类。从标签天线的类型上看，可分为偶极子天线、微带天线和缝隙天线等等。标签芯片由于其内部结构，一般具有复阻抗，实部约为OQ到80 Q左右，虚部一般约为-400 Q到-100 Q左右。这与设计输入阻抗为50Q或75Q的天线相比，增加了匹配难度。 应用于超高频段(860MHz-960MHz)的RFID标签，一般采用反向散射调制模式。芯片一般工作在短路和匹配两种状态之间，并将这两种工作状态的电磁散射分别定义为二进制的I和O。芯片通过两种状态的转换，将其内部数据流信息，调制为数字I和0进行通信。此原理类似于通信原理中的ASK调制。通常一个标签天线能否准确地将芯片内部的数据信息调制发射，取决于阅读器对这两种状态的区分程度，又称调制比。反向散射的原理基础是调制RCS。根据雷达原理，当电磁波被大小超过波长一般的物体所反射时，物体发射电磁波的效率可由其反射横截面(RCS)来体现。故可用芯片两种工作状态的反射截面的差值ARCS来反应调制比会更直观。目前，大多数RFID标签天线的设计者都只注重匹配和增益的设计，因为根据friis公式，功率传输系数和增益是影响RFID识别距离的最直观参数。当然小部分设计者，也会考虑查看天线的匹配和短路两种状态下ARCS，但还仅仅限于查看阶段，并没有把ARCS的最大化作为设计标签天线的一个重要指标，这就不能保证标签天线有最大调制比。随着，RFID应用领域不断扩展，人们对准确有效地识别芯片的携带信息，提高芯片可读性能的要求也越来越高。因此，芯片在匹配和短路两种状态转换时，设计标签的回波差值ARCS达到极值，将有着不容忽视的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种RFID标签天线仿真设计方法及标签天线。RFID标签天线仿真设计方法
芯片短路状态时，标签的本征频率与阅读器发射频率都是915MHz，此时标签谐振，标签回波最多，用于表示二进制I，所述的短路状态是指芯片阻抗实部为零，虚部保留。芯片匹配状态时，标签天线输入阻抗与芯片阻抗共轭匹配，此时芯片获得最大输入功率，标签回波最少，用于表示二进制O。
也就是说，标签满足芯片短路状态时回波最多、芯片匹配状态时回波最少，ARCS达到极值。利用上述方法所设计的RFID标签天线
该RFID标签天线为单面结构，介质基板选用RF-4板材，导电材料使用金属铜；RFID标签天线由一对主辐射体、一个谐振匹配单元和两根馈线组成。所述的主辐射体对称设置在谐振匹配单元两侧，所述的谐振匹配单元通过两根馈线与芯片连接。 所述的主辐射体呈凹口状，其靠近RFID标签天线中心的一边上部内凹，该边同时与谐振匹配单元和馈线连接。 所述的谐振匹配单元呈n型，谐振匹配单元的横边与两侧的主辐射体不相连；谐振匹配单元的纵边与馈线连接。RFID标签天线包覆有薄型透明材料，用于防止RFID标签天线被损坏。本发明的有益效果利用本发明设计的RFID标签天线，在RFID系统中应用，使得整个RFID阅读器对I和0的区分程度最好，调制比最大，阅读器的读取误码率也将达到最低，提高了可读性指标。
图I是本发明的RFID标签天线的实施例的组成结构示意图。图2是图I中RFID标签天线与芯片Monza4共轭匹配时，回波损耗的仿真图形。图3是图I中标签天线馈电端口阻抗设为_jl43Q，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波频率变化的仿真图形。图3 Ca)是图I中标签天线馈电端口阻抗设为_jl43Q，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形。图3 (b)是图I中标签天线馈电端口阻抗设为ll_jl43Q，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形。图4是图I中标签天线馈电端口阻抗设为_jl45Q (等价于I. 2pF电容)，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波频率变化的仿真图形。图4 (a)是图I中标签天线馈电端口阻抗设为-jl45Q (等价于I. 2pF电容),入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形。图4 (b)是图I中标签天线馈电端口阻抗设为10_jl45Q (等价于IOQ电阻和
I.2pF电容串联)，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形。图5是标准喇叭天线的回波损耗测量图形。图5 Ca)是图I中标签天线馈电端口焊接I. 2pF贴片电容后，放在距离标准天线不远处，标准天线的回波损耗测量图形。图5 (b)是图I中标签天线馈电端口串联IOQ贴片电阻和I. 2pF贴片电容后，放在距离标准天线不远处，标签天线的回波损耗测量图形。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的各实施例做详细的说明所述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。参见图1，RFID标签天线该RFID标签天线为单面结构，介质基板I选用FR-4板材，导电材料使用金属铜；RFID标签天线由一对主辐射体、一个谐振匹配单元和两根馈线组成。所述的主辐射体2-1和2-2对称设置在谐振匹配单元3的两侧，主辐射体2-1和2-2均经过四次矩形弯折，由五条弯折线组成；所述的谐振匹配单元3通过两根馈线(4-1和4-2)与芯片5连接；所述的主辐射体2-1和2-2均呈凹口状，其靠近RFID标签天线中心的一边上部内凹，该边同时与谐振匹配单元3和馈线(4-1和4-2)连接；所述的谐振匹配单元3呈n型，谐振匹配单元3的横边与两侧的主辐射体不相连，谐振匹配单元3的纵边与馈线(4-1和4-2)连接；RFID标签天线包覆有薄型透明材料6，用于防止RFID标签天线被损坏。首先，需要说明本发明RFID标签天线是使用HFSSll电磁仿真软件设计的，在915MHz频率条件下，芯片的输入阻抗参考Monza4的单端模式阻抗ll_jl43 Q。参见图2，是所述标签天线与芯片共轭匹配时的回波损耗。其中，介质基板厚度为、Imm ;主辐射体2-1的五条弯折线的总长为63. 8mm ;谐振匹配单元3的横边长为44mm，纵边长为I. 7mm ;谐振匹配单元3的横边与主辐射体最外侧边间距是0. 975mm ;所述标签天线，除馈线4-1和4-2宽度为Imm之外，其他所有线宽均为2mm。另外，由于主辐射体的四次弯折，以及所采用n型结构的谐振匹配单元，在不同厚度、不同介电常数的介质基板上调节结构的各个尺寸，可以很方便地设计天线和较多芯片匹配。参见图3，是图I中标签天线馈电端口阻抗设为_jl43Q，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波频率变化的仿真图形，即指芯片短路状态。从图中可以看出，标签在915MHz频点单站RCS最大，得出结论此时标签谐振，回波最大。参见图3 (a)，是图I中标签天线馈电端口阻抗设为_jl43，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形；参见图3 (b)，是图I中标签天线馈电端口阻抗设为11-j 143 Q，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形。从图3 (a)和图3 (b)中我们可以计算得出芯片两种工作状态的仿真ARCS约为7. 5dB。其次，为了实物测量ARCS，需要对芯片的短路和匹配两种状态的阻抗做一个近似入射频率为915MHz时，选用工程上存在的I. 2pF电容(阻抗为_jl45Q )代替芯片的短路状态(阻抗为-jl43Q);选用IOQ电阻和1.2pF电容串联(阻抗为10-jl45Q)，来替代芯片的匹配状态(阻抗为11-J143Q),
参见图4，是图I中标签天线馈电端口阻抗设为_jl45Q (等价于I. 2pF电容)，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波频率变化的仿真图形，即指芯片短路状态。从图中可以看出，标签仍约在915MHz频点单站RCS最大，得出结论此时标签谐振，回波最大。证明在入射波频率为915MHz的条件下，端口阻抗设置可以选用-jl45Q替代_jl43Q进行实物测量。参见图4(a)，是图I中标签天线馈电端口阻抗设为_jl45Q(等价于I. 2pF电容)，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形；参见图4 (b)，是图I中标签天线馈电端口阻抗设为10-jl45Q (等价于IOQ电阻和I. 2pF电容串联)，入射波频率为915MHz的条件下，单站RCS随入射波角度变化的仿真图形。从图4(a)和图4(b)中我们可以计算得出工程电阻和电容近似后，芯片两种工作状态的仿真ARCS约为6. 5dB。
最后给出RFID标签间接测量ARCS的方案在微波暗室中，将短路和匹配两个状态的标签天线，分别置于离标准喇叭天线相同距离的地方，用矢量网络分析仪观察两种状态下，标准天线回波损耗的差值，即可体现芯片处于短路和匹配时标签回波差值ARCS。并基于本发明公开的标签天线，给出ARCS仿真和测量的对比结果。参见图5，标准喇叭天线的回波损耗。参见图5 (a)，是图I中标签天线馈电端口焊接I. 2pF贴片电容后，放在距离标准天线不远处，标准天线的回波损耗测量图形；参见图5 (b)，是图I中标签天线馈电端口串联IOQ贴片电阻和I. 2pF贴片电容后，放在距离标准天线不远处，标签天线的回波损耗测量图形。从图5 (a)和图5 (b)中我们可以计算得出工程电阻和电容近似后，芯片两种工作状态的测量回波差值ARCS约为6dB。
综上所述，本发明公开的标签天线，在芯片阻抗经过工程近似之后仿真的ARCS为6. 5dB ;测量的ARCS为6dB。仿真和测量结果存在一定的误差，这是由天线加工损耗、天线外部透明包层等不确定因素所造成的，但是主要性能趋势仍是存在的，可以说明该测量方案的可行性。
权利要求
1.RFID标签天线仿真设计方法，其特征在于 芯片短路状态时，标签的本征频率与阅读器发射频率都是915MHz，此时标签谐振，标签回波最多，用于表示二进制1，所述的短路状态是指芯片阻抗实部为零，虚部保留； 芯片匹配状态时，标签天线输入阻抗与芯片阻抗共轭匹配，此时芯片获得最大输入功率，标签回波最少，用于表示二进制O ; 也就是说，标签满足芯片短路状态时回波最多、芯片匹配状态时回波最少，ARCS达到极值。
2.RFID标签天线，其特征在于该RFID标签天线为单面结构，介质基板选用RF-4板材，导电材料使用金属铜；RFID标签天线由一对主辐射体、一个谐振匹配单元和两根馈线组成； 所述的主辐射体对称设置在谐振匹配单元两侧，所述的谐振匹配单元通过两根馈线与芯片连接； 所述的主辐射体呈凹口状，其靠近RFID标签天线中心的一边上部内凹，该边同时与谐振匹配单元和馈线连接； 所述的谐振匹配单元呈n型，谐振匹配单元的横边与两侧的主辐射体不相连；谐振匹配单元的纵边与馈线连接； RFID标签天线包覆有薄型透明材料,用于防止RFID标签天线被损坏。
全文摘要
本发明涉及一种RFID标签天线仿真设计方法及标签天线。本发明的RFID标签天线在芯片短路状态时，标签的本征频率与阅读器发射频率都是915MHz，此时标签谐振，标签回波最多，用于表示二进制1。芯片匹配状态时，标签天线输入阻抗与芯片阻抗共轭匹配，芯片获得最大输入功率，标签回波最少，用于表示二进制0。该RFID标签天线为单面结构，介质基板选用RF-4板材，导电材料使用金属铜；RFID标签天线由一对主辐射体、一个谐振匹配单元和两根馈线组成。利用本发明设计的RFID标签天线，在RFID系统中应用，使得整个RFID阅读器对1和0的区分程度最好，调制比最大，阅读器的读取误码率也将达到最低，提高了可读性指标。
文档编号H01Q1/38GK102709688SQ201210190060
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月11日 优先权日2012年6月11日
发明者官伯然, 张丽艳, 张书俊, 李均, 陈斌 申请人:杭州电子科技大学