一种rfid标签天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种RFID标签天线，所述标签天线包含微带天线及所述微带天线背面的作为用户使用环境的金属反射板，所述RFID标签天线还包括所述微带天线的辐射面上方设置的加载金属板。本发明RFID标签天线可增加天线带宽、提高天线增益、改善方向图以及增加读写距离。
【专利说明】一种RF ID标签天线
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种标签天线，尤其是涉及一种RFID标签天线。
【背景技术】
[0002]随着RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)技术的发展和普及，RFID标签天线作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础，已经越来越广泛的被业界所重视，人们对各种不同领域金属以及非金属资财的追踪管理需求已日渐清晰化，比如超薄，超小，超轻的标签设计。这对标签天线的设计提出了更高且更复杂的要求。
[0003]虽然，随着标签天线技术的不断发展出现更小型化的标签天线一微带天线，如图1所示，现有技术的RFID标签天线，包括微带天线I和作为用户使用环境的金属反射板2，微带天线I包括基板11、芯片12、接地面13和辐射面14。
[0004]该天线具有低剖面、重量轻、成本低，适合各种载体，适合印刷电路板技术批量生产、易于实现圆极化、双极化、双频段工作等优点，然而现有的微带天线读写距离具有局限性，且其带宽不能满足各国家不同RFID频段的需求，由于标签天线贴合于载体上时，无其他防护措施，从而使标签天线容易受到外力的冲击而损坏。
[0005]因此，一种新型的小型化RFID标签天线成为行业内产品发展的方向。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种RFID标签天线，以解决现有技术中的RFID标签天线的读写距离具有局限性，且其带宽不能满足各国家不同RFID频段的需求及易受到外力的冲击而损坏的技术问题。
[0007]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0008]一种RFID标签天线，所述标签天线包含微带天线及所述微带天线背面的作为用户使用环境的金属反射板，所述RFID标签天线还包括所述微带天线的辐射面上方设置的加载金属板。
[0009]本发明的RFID标签天线，优选的，所述加载金属板为平面金属板、开口向下的半环金属板或开口向下的U型金属罩。
[0010]本发明的RFID标签天线，优选的，所述加载金属板的长度尺寸设置为电磁波在介质中传播时波长的四分之一个长度，所述加载金属板的宽度大于所述微带天线的宽度。
[0011]本发明的RFID标签天线,优选的,所述微带天线通过一段微带线直接向所述微带天线的标签芯片馈电，所述微带天线为单天线或阵列天线，所述标签芯片位于所述微带天线的侧面。
[0012]本发明的RFID标签天线，优选的，所述加载金属板为与所述微带天线和所述标签芯片无直接连接的无源振子加载。
[0013]本发明的RFID标签天线，优选的，所述加载金属板的材质为铜、铝或不锈钢。[0014]本发明的RFID标签天线，优选的，所述加载金属板的材质为表面镀铜、镀银、镀金的板材或表面设置有导电薄膜的板材。
[0015]本发明的RFID标签天线，优选的，所述加载金属板为矩形、正方形、圆形、三角形或菱形。
[0016]本发明的RFID标签天线，优选的，所述U型金属罩的两底面与所述金属反射板之间通过胶水固定连接。
[0017]本发明的RFID标签天线，优选的，所述U型金属罩与所述金属反射板之间通过螺栓和绝缘密封垫圈固定。
[0018]本发明的RFID标签天线，优选的，所述加载金属板为一层或多层，每层的所述加载金属板为一块完整金属板构成或两块以上金属板拼接构成。
[0019]本发明的RFID标签天线，优选的，所述加载金属板为多层，上层的所述加载金属板的面积小于下层的加载金属板的面积。
[0020]本发明的RFID标签天线，优选的，所述加载金属板距离所述微带天线的距离为1mm 至 Smnin
[0021]本发明的RFID标签天线，优选的，所述加载金属板距离所述微带天线的距离为3mm ο
[0022]本发明的RFID标签天线，优选的，所述加载金属板与所述微带天线之间的介质为空气、塑料、陶瓷或PCB。
[0023]本发明的RFID标签天线，优选的，所述介质为损耗角正切参数小于0.5的材质。
[0024]本发明的RFID标签天线，优选的，所述加载金属板为细长的形状。
[0025]本发明的有益效果在于，本发明的RFID标签天线，可适用于任意现成的RFID标签以增加天线带宽、提高天线增益、改善方向图以及增加读写距离；本发明中的加载金属板结构可很好的保护内部标签天线因外界压力和冲击而损坏，尤其是在变形后形成半闭合或全闭合环的形式的时候效果更为明显。本发明通过在微带天线上方设置加载金属板，由此在微带天线上加载了一个无源振子，提高标签天线增益，因此增加RFID标签天线的读写距离；拓展标签天线带宽，从而满足各国家不同RFID频段的需求；降低标签天线谐振频率，从而缩小标签天线尺寸。
[0026]本发明的RFID标签天线，可不与金属接地板相连接，纯粹形成独立结构，没有加载金属板时RFID标签天线也可独立工作。可通过调节加载金属板的长度和宽度，达到不改变原来标签天线谐振频率的情况下改善标签天线的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为现有技术的RFID标签天线结构示意图；
[0028]图2为本发明第一实施例的RFID标签天线的结构示意图；
[0029]图3为本发明第一实施例的RFID标签天线的仿真实验示意图；
[0030]图4a为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验无加载金属板时的Sll参数示意图；
[0031]图4b为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验有加载金属板时的Sll参数示意图；[0032]图5a为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验无加载金属板时的增益变化示意图；
[0033]图5b为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验有加载金属板时的增益变化示意图；
[0034]图6为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验中加载金属板不同长度时的谐振频率变化示意图；
[0035]图7为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验中加载金属板不同长度时的增益变化示意图；
[0036]图8为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验中加载金属板不同宽度时的谐振频率变化示意图；
[0037]图9为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验中加载金属板不同宽度时的增益变化示意图；
[0038]图10为本发明第二实施例的RFID标签天线的结构示意图；
[0039]图11为本发明第二实施例的RFID标签天线的仿真实验示意图；
[0040]图12a为RFID标签天线仿真实验加载半环金属板时的谐振频率示意图；
[0041]图12b为RFID标签天线仿真实验加载平面金属板时的谐振频率示意图；
[0042]图13a为RFID标签天线仿真实验加载半环金属板时的增益变化示意图；
[0043]图13b为RFID标签天线仿真实验加载平面金属板时的增益变化示意图；
[0044]图14为本发明第三实施例的RFID标签天线的示意图；
[0045]图15为本发明第三实施例的RFID标签天线的有无U型金属罩时的读取距离对比示意图；
[0046]图16为本发明第四实施例的RFID标签天线的示意图。
【具体实施方式】
[0047]体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。以下结合附图，对本发明的RFID标签天线的结构进行说明。
[0048]第一实施例:
[0049]如图2所示，图2为本发明第一实施例的RFID标签天线的结构示意图。本发明的RFID标签天线具有微带天线1、金属反射板2和加载金属板3，其中微带天线I具有基板11、芯片12、接地面13和辐射面14，该金属反射板2位于微带天线I的接地面13—侧，该加载金属板3位于微带天线I的辐射面14 一侧，通常称标签天线I的辐射面14的一面为正面，而接地面13的一面为背面。金属反射板2为用户使用的环境。
[0050]微带天线I通过一段微带线(图中未示出)直接向微带天线I的芯片12馈电,本发明的微带天线I可以是任意形式的单天线或者阵列天线。
[0051]本实施例中的加载金属板3的材质为铜、铝、不锈钢或者表面镀铜、镀银、镀金的板材或者表面设置有导电薄膜的板材。
[0052]本实施例中的加载金属板3的形状可以根据具体设计而调整为任意尺寸、形状和厚度，如矩形、正方形、圆形、三角形、菱形等其他任意规则或不规则图形。
[0053]加载金属板3可以是一层，也可以是多层，而且多层对天线方向图的改善更佳，可定向辐射某个区域，使得产品在应用时指向性更好。优选的上层金属板的面积较下层金属板的面积小。而且多层的加载金属板3中的每一层也可以根据具体情况可为一块金属板或由两块以上金属板拼接。
[0054]本实施例的加载金属板3与微带天线I之间不直接连接，构成微带天线I上加载的一个无源振子。加载金属板3与微带天线I之间的距离可根据具体情况而设计并调整，优选的范围为0.1mm至IOmm,再优选的为1mm至5mm,最优值是3mm。加载金属板3与微带天线I之间可设置任意的非金属材质，如空气介质、塑料、陶瓷、PCB等非金属材质，优选的是空气。优选损耗角正切参数小的材料，通常，损耗角正切参数小于0.5时，可以称为是损耗角正切参数小的材料。
[0055]本实施例的FRID标签天线，通过在微带天线上方设置加载金属板3，由此在微带天线I上加载了一个无源振子，提高标签天线增益，因此增加RFID标签天线的读写距离；拓展标签天线带宽，从而满足各国家不同RFID频段的需求；降低标签天线谐振频率，从而缩小标签天线尺寸。同时，通过设置加载金属板3，从而可起到保护标签免受外力冲击损坏。
[0056]本实施例的RFID标签天线的有益效果可通过如下仿真实验进行验证:
[0057]仿真实验一:验证加载金属板3对RFID标签天线性能的影响。
[0058]在HFSS仿真软件中建立如图3所示的模型。模型中采用介电常数为61的陶瓷做为微带天线I的基材11，RFID标签天线还包括上层金属辐射面14和下层接地面13，芯片12位于微带天线I侧面。微带天线I尺寸为25*9mm。在微带天线I背面有一块金属反射板2用以模拟客户使用时的金属环境，本试验例中的设置尺寸为150*150*lmm。在RFID标签天线I的辐射面14上方距离RFID标签天线3mm的地方加载一块加载金属板3，尺寸为2a*9mm,也就是说微带天线I与加载金属板3之间的距离为3mm。此处a为变量，a选择从
12.5mm至40mm,每隔2.5mm软件进行一次计算。
[0059]仿真验证如下:
[0060]I)对比有加载金属板和无加载金属板时的Sll参数,其结果如图4a和图4b所不，其中，图4a为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验无加载金属板时的Sll参数示意图；图4b为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验有加载金属板时的Sll参数示意图；无加载金属板时频率为941MHz，而有金属板时谐振频率为916MHz。从而可知加载金属板可降低天线的谐振频率，减小标签天线尺寸。(Sll参数反应标签天线的谐振频率以及标签天线和芯片的匹配程度。Sll值越小阻抗匹配越好，从而可使天线向芯片传输的能量损坏最小)。
[0061]2)对比有加载金属板3和无加载金属板3时RFID标签天线增益。图5a为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验无加载金属板时的增益变化示意图；图5b为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验有加载金属板时的增益变化示意图。
[0062]如图5a和图5b所不,无加载金属板时标签天线增益为-5.2dB,有加载金属板时标签天线增益为_3.6dB。较无加载金属板时标签天线增益上升了 1.6dB。所以加载金属板可提闻标签天线增￡fL，提闻标签的读与距尚。
[0063]3)对比加载金属板3的长度a从12.5mm至40mm时标签天线的谐振频率。图6为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验中加载金属板不同长度时的谐振频率变化示意图。
[0064]如图6所示，随着a的增大，S卩加载金属板的长度尺寸增加，标签天线的频率逐渐降低。所以可调节加载金属板的尺寸从而达到降低谐振频率，缩小标签天线尺寸。
[0065]4)对比加载金属板的长度a从12.5mm至40mm时标签天线的增益。图7为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验中加载金属板不同长度时的增益变化示意图；
[0066]如图7所示，随着加载金属板3长度尺寸的增加，RFID标签天线的增益也在提高。所以可通过增加加载金属板尺寸来增大RFID标签天线的增益，从而提高标签的读写距离。
[0067]2.验证加载金属板3的宽度b对标签性能的影响。建立和上述图3所示相同的仿真模型，将加载金属板3的尺寸设为60mm*2b。此处b为宽度变量,从5mm至15mm,每Imm做一次计算和仿真。图8为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验中加载金属板不同宽度时的谐振频率变化示意图；图9为本发明第一实施例RFID标签天线仿真实验中加载金属板不同宽度时的增益变化示意图；比较仿真结果如下:
[0068]I)根据b的变化标签谐振频率的变化如下:
[0069]如图8所示可知，在b为5mm时标签谐振频率为935MHz，当b为15mm时标签谐振频率为972MHz。由此可知当b逐渐增大，RFID标签天线的谐振频率随之上升。反之，由此可见可通过减小加载金属板3的宽度可降低产品的频率，起到缩减产品尺寸的效果，如图6所示。
[0070]2)根据b的变化标签天线增益的变化如下:
[0071]如图9所示可知，b=5mm时标签天线增益为_3.7dB,当b=15mm时RFID标签天线增益为-3.ldB。由此可见增加加载金属板3的宽度可增加标签天线的增益，从而提高标签的读取距离，如图7所示。
[0072]本发明还可通过改变RFID标签天线I上方加载的加载金属板2的结构，如从一块平板变为开口向下的半环，从而实现对RFID标签天线的全面防护。如以下的实施例所述。
[0073]第二实施例:
[0074]如图10所示，本发明第二实施例的RFID标签天线，也包括微带天线1、金属反射板2和加载金属板3。与第一实施例不同的是，本实施例中，加载金属板3由平板型变化为开口向下的半环加载金属板3,本实施例中,加载金属板3与金属反射板2不接触,本实施例中的加载金属板3，可由一块矩形金属板将两边垂直弯折之后形成。本实施例的RFID标签天线，其性能也可以由仿真实验进行验证。
[0075]3.将上述图3所示的模型中的微带天线I上方的平板型加载金属板3替换为开口向下的半环型加载金属板3建模，实际模型如图11所示。
[0076]I)对比加载平板与加载半环时候标签频率，图12a为RFID标签天线仿真实验加载半环金属板时的谐振频率示意图；图12b为RFID标签天线仿真实验加载平面金属板时的谐振频率示意图；
[0077]如图12a和图12b所示，加载半环加载金属板3时RFID标签天线谐振频率为924MHz，加载平面金属板时RFID标签天线谐振频率为934MHz。有此可见，加载半环形金属板时可进一步使RFID标签天线谐振频率降低，从而使得标签天线尺寸进一步减小。
[0078]2)对比加载平板与加载半环时候标签天线增益，[0079]如图13a和图13b所示，当加载半环金属板时标签天线增益为_3.7dB，而加载平面金属板时RFID标签天线增益为-4.3dB。由此可知加载半环金属板3比加载平面金属板时，RFID标签天线增益更高，因此标签读取距离也越远。
[0080]对比以上两实施例中的各个仿真结果可得出以下结论:
[0081]A:增加加载金属板3的长度尺寸比增加加载金属板3的宽度尺寸对增益的提高更为明显，所以本设计优选增加加载金属板的长度尺寸，即优选细长的加载金属板3，细长的结构也更有利于产品的适用性；
[0082]B:本发明的RFID标签天线优选为将加载金属板3的长度尺寸设置为电磁波在介质中传播时波长的四分之一个长度，实验证明当加载金属板3的尺寸为四分之一所述波长时增益提高最明显，性能尺寸比最佳。而加载金属板3的宽度设置为能覆盖微带天线I的宽度，既可保护下方的微带天线1，也可不增加产品宽度尺寸；
[0083]C:本发明的RFID标签天线优选加载金属板离标签天线距离为lmnT5mm,加载金属板与标签天线间的介质优选为空气。
[0084]在第二实施例中，加载金属板3与金属反射板2不接触，但本发明并不局限于此，也可以是加载金属板2的两端与金属反射板接触而形成封闭结构，因而有本发明的第三和第四实施例。本发明的第三和第四实施例，也可以认为是本发明第二实施例的FRID标签天线的两种具体实现形式。
[0085]第三实施例:
[0086]如图14所示，本发明第三实施例的FRID标签天线，微带天线I的尺寸为25mm*9mm*3mm,在微带天线I的上方的加载金属板为U型金属罩4, U型金属罩4壁厚为2mm,长宽尺寸为65mm*15mm，高度8mm。本实施例中，U型金属罩4的两个底端通过高强度胶水8与金属反射板5连接，形成一个封闭环结构。同样，本实施例中的加载金属板3，可由一块矩形金属板将两边圆弧型弯折之后形成。
[0087]本实施例的FRID标签天线，利用距离测试仪测试其读取距离，测试时读写器天线采用6dBi的线极化天线，输出等效功率2W ERP，扫频工作从860MHz?960MHz。结果如图15所示，其中横坐标的单位为:读取距离/米；纵坐标的单位为:频率/MHz。图15中，下方的曲线表示没有U型金属罩的测试结果，而上方的曲线表示有U型金属罩的测试结果。
[0088]由图15可知，没有加载U型金属罩时读取距离最大为8米，有加载U型金属罩的读取距离为11米，较之前读取距离增加3米，增加约37.5%，且谐振频率不变。
[0089]同样第三实施例的结构亦可演变为如下第四实施例的形式:
[0090]第四实施例:
[0091]本实施例中，U型金属罩8经过了进一步变形，不影响产品性能，U型金属罩8与金属反射板5之间可采用螺栓和绝缘密封垫圈固定或胶水固定。
[0092]本实施例中，进一步增加了整个结构的可靠性以及防止标签受外力损坏。
[0093]本发明具有更强的通用性，可适用于任意现成的RFID标签以增加天线带宽、提高天线增益、增加读写距离。本发明中的加载金属板该金属结构可很好的保护内部标签天线因外界压力和冲击而损坏，尤其是在变形后形成半闭合或全闭合环的形式的时候效果更为明显。
[0094]以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，本发明的特征并不局限于此，本发明的所有范围应以下述的范围为准，凡符合于本发明权利要求保护范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或调整皆可涵盖在以下本发明的权利要求保护范围。
【权利要求】
1.一种RFID标签天线，所述标签天线包含微带天线及所述微带天线背面的作为用户使用环境的金属反射板，其特征在于，所述RFID标签天线还包括所述微带天线的辐射面上方设置的加载金属板。
2.如权利要求1所述的RFID标签天线，其特征在于，所述加载金属板为平面金属板、开口向下的半环金属板或开口向下的U型金属罩。
3.如权利要求2所述的RFID标签天线，其特征在于，所述加载金属板的长度尺寸设置为电磁波在介质中传播时波长的四分之一个长度，所述加载金属板的宽度大于所述微带天线的宽度。
4.如权利要求2所述的RFID标签天线，其特征在于，所述微带天线通过一段微带线直接向所述微带天线的标签芯片馈电，所述微带天线为单天线或阵列天线，所述标签芯片位于所述微带天线的侧面。
5.如权利要求4所述的RFID标签天线，其特征在于，所述加载金属板为与所述微带天线和所述标签芯片无直接连接的无源振子加载。
6.如权利要求2所述的RFID标签天线，其特征在于，所述U型金属罩的两底面与所述金属反射板之间通过胶水固定连接。
7.如权利要求2所述的RFID标签天线，其特征在于，所述U型金属罩与所述金属反射板之间通过螺栓和绝缘密封垫圈固定。
8.如权利要求3所述的RFID标签天线，其特征在于，所述加载金属板为多层，上层的所述加载金属板的面积小于下层的加载金属板的面积。
9.如权利要求3所述的RFID标签天线，其特征在于，所述加载金属板与所述微带天线之间的介质为损耗角正切参数小于0.5的材质。
10.如权利要求2所述的RFID标签天线，其特征在于，所述加载金属板为细长的形状。
【文档编号】H01Q1/36GK103730714SQ201210388958
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年10月12日 优先权日:2012年10月12日
【发明者】刘智佳 申请人:刘智佳