一种双环感应馈电结构平面抗金属标签天线的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种双环感应馈电结构平面抗金属标签天线，该天线由金属地面、基板、金属辐射面、双环感应馈电结构、射频识别芯片组成，基板位于金属地面和金属辐射面中间，双环感应馈电结构与金属辐射面之间通过宽度为Wgap的间隙感应耦合。由于金属辐射面结构对称，其上半部分和下半部分由此产生相同方向的感应电流，金属辐射面的表面电流保持一致性振荡，实现识别距离的最大化。本实用新型所设计的天线，辐射面积较大，读取距离远，阻抗匹配灵活，能够采用导电银浆或导电墨水印刷生产，降低成本。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及射频识别【技术领域】，尤其涉及一种基于双环感应馈电结构的平面 抗金属标签天线的设计方法。 一种双环感应馈电结构平面抗金属标签天线
【背景技术】
[0002] 射频识别（Radio frequency identification，简称 RFID)是 20 世纪 80 年代发展 起来的一种利用射频读取标签的新兴自动识别技术。射频识别系统一般由阅读器（Reader) 和标签（Tag)组成，阅读器通过射频读取标签上的信息，从而对物品进行快速管理。与传统 条形码相比，具有读取距离远、读取速度快、非可视识别、支持快速读写等优点；射频识别技 术与互联网、无线通信网络等技术相结合，可实现全球范围内物品的跟踪与信息共享，在物 流供应链、生产自动化、公共信息服务、交通管理及军事应用等众多领域具有广阔的应用空 间。射频识别系统主要工作在低频、高频、超高频及微波等频段。低频与高频射频识别系统 主要利用电感耦合完成识别功能，读取距离较近。超高频与微波频段射频识别系统通过电 磁波传播来读取数据，具有较远的读取距离。其中，超高频由于读取距离远、成本低而有望 在物流及交通领域获得广泛应用。
[0003] 在相当一部分超高频射频识别应用中，需要将标签粘贴于金属物体表面，譬如：汽 车、钢瓶、集装箱等等。由于普通标签无法应用于金属表面，需要采用特殊设计的标签，称 为抗金属标签或金属标签。一般的抗金属标签采用微带贴片天线或平面倒F天线作为标签 天线，可以将金属表面作为天线的地平面。这些天线一般都需要使用短路墙或过孔，从而使 得抗金属标签天线的成本增加，不利于大规模生产应用。而且对于超高频射频识别标签，为 了实现天线与芯片的最大能量传输，还需要天线的输入阻抗与芯片阻抗共轭匹配，这就要 求天线输入阻抗的实部和虚部都具有灵活的调节能力。
[0004] 目前已有的平面抗金属标签天线虽然可以解决部分成本高的问题，但是其中仍然 存在着一些不足，如中国专利201010122898. 1号便提出了一种平面结构超高频射频识别 抗金属标签天线，在该技术方案中，它包括金属地面、金属辐射面、基板、嵌入式凹槽、第一 馈线、第二馈线、射频识别芯片，基板为长方形，金属辐射面、嵌入式凹槽、第一馈线、第二馈 线、射频识别芯片位于基板上表面，金属地面位于基板下表面，金属辐射面一侧内嵌形成嵌 入式凹槽，金属辐射面的嵌入式凹槽一端与第一馈线的一端相连，第一馈线的另一端与第 二馈线一端之间设有射频识别芯片，第二馈线另一端开路。由于其具有平面结构，可有效降 低标签天线的加工制作成本，便于大规模生产。但其存在以下不足：1、上述第二馈线长度较 长，从而使得标签尺寸大，耗材多，成本提高；2、其辐射性能一般、读取距离短；3、阻抗匹配 不够灵活。另外在单环感应馈电结构中，上臂和下臂的电流方向相反，上臂在金属辐射面的 上半部分感应耦合出与之电流方向相反的电流，同时，下臂在金属辐射面的下半部分也感 应耦合出与之电流方向相反的电流，这就使得天线金属辐射面的上半部分和下半部分具 有相反方向的感应电流，削弱了辐射性能。 实用新型内容
[0005] 本实用新型针对现有技术中存在的：标签天线尺寸大，非平面结构使得加工复杂， 阻抗调节不灵活的问题，提供一种标签尺寸小，辐射性能好，读取距离长，结构简单，阻抗匹 配灵活的基于双环感应馈电结构的平面抗金属标签天线。
[0006] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种平面抗金属标签天线， 包括金属地面，非金属基板、金属辐射面和射频识别芯片；金属地面位于非金属基板下 方，非金属基板上设有金属辐射面和射频识别芯片，其特征在于：金属辐射面长度为 ￡ = ()·49'/=(λ49χ7Γ'其中λ是自由空间波长，Ad是介质中的波长，L是基板介电 常数，金属辐射面宽度小于长度，非金属基板的长度和宽度比金属辐射面的长度和宽度稍 大；
[0007] 金属辐射面内有双环感应馈电结构，双环感应馈电结构由中梁和上下对称在两端 与中梁并联相接的上臂和下臂组成，双环感应馈电结构的上臂和下臂通过电流的方向一 致，与金属辐射面感应耦合，上臂和下臂在金属辐射面的上下两部分分别感应耦合出与两 臂中电流方向相反的电流，上臂、下臂和中梁的梁宽均为W fMd，双环馈电结构的长宽分别为 L1(K)P和WlMP，中梁上设有射频识别芯片；
[0008] 双环感应馈电结构与金属辐射面之间通过宽度为Wgap的间隙感应耦合，金属辐射 面的上半部分和下半部分具有相同方向的感应电流，金属辐射面的表面电流保持一致性 振荡。
[0009] 上述的平面抗金属标签天线，其特征在于：金属标签天线具有平面结构，采用导电 银浆或导电墨水印刷制造金属辐射面。
[0010] 本实用新型所述的平面抗金属标签天线要求根据HFSS软件仿真结果选择梁宽 WfMd、间隙宽度Wgap和双环馈电结构的长LlOTP、宽W lOTP，保证天线在工作频率下的阻抗值与选 用射频识别芯片在相同频率下的阻抗值共轭匹配。
[0011] 具体包括以下步骤：
[0012] (1)确定所设计的平面抗金属标签天线的工作频率f和选用的射频识别芯片及其 在该工作频率下的阻抗值Z;
[0013] (2)选择一个矩形金属地面；
[0014] (3)步骤（2)所设计金属地面上设置有与金属地面长宽相等的矩形基板，基板厚 度为h,介电常数为ερ介质损耗因数为tanA s;
[0015] (4)步骤（3)所设计基板上设置矩形金属辐射面，长度为L，宽度为W，且 Ζ^ = ?·49~=?·49χ^·'宽度小于长度，其中λ是自由空间波长，是、介质中的波长，? 是基板介电常数，基板的长度和宽度比金属辐射面的长度和宽度稍大；
[0016] (5)步骤（4)所设计金属辐射面上设置的双环感应馈电结构，由上臂、中梁、下臂 三条横梁组成，横梁宽度（即馈线宽度）为W feed，中梁位于上臂与下臂的中间，三条横梁相 互平行，两端并联相接，整个平面抗金属标签天线以中梁为对称轴。双环感应馈电结构长度 为L lMP，宽度为WlMP，且与金属辐射面留有间隙，间隙宽度为Wgap。采用HFSS软件仿真出在 不同长度值LlOTP和间隙宽度值wgap时平面抗金属标签天线的电阻值和电抗值随频率变化的 曲线，根据步骤（1)所选用射频识别芯片的电抗值和平面抗金属标签天线工作频率选择出 可实现与之共轭匹配的长度值LlMP和间隙宽度值W gap，宽度WlMP小于金属辐射面宽度W，长 度LlMP小于金属福射面长度L。
[0017] (6)将射频识别芯片设置在步骤（5)所设计中梁上，一种基于双环感应馈电结构 的平面抗金属标签天线设计完成。
[0018] 所述步骤（5)中的长度值L1mp和间隙宽度值Wgap，调整双环感应馈电结构长度值 。^可改变平面抗金属标签天线的电抗值，调整双环感应馈电结构与金属辐射面间隙的宽 度值w gap可改变平面抗金属标签天线的电阻值，通过平面抗金属标签天线电阻值与电抗值 的调节，可使之与射频识别芯片的阻抗共轭匹配，实现能量的最大传输。
[0019] 所述步骤（6)中射频识别芯片设置在双环感应馈电结构的中梁，双环感应馈电结 构的上臂和下臂通过电流的方向一致，通过感应耦合，上臂在金属辐射面的上半部分感应 耦合出与之电流方向相反的电流，同时，下臂在金属辐射面的下半部分也感应耦合出与之 电流方向相反的电流，平面抗金属标签天线的金属辐射面的上半部分和下半部分具有相同 方向的感应电流，即天线的整个金属辐射面的表面电流都保持一致性振荡，从而提高了辐 射效率，改善了福射性能，扩大了福射距离。双环感应馈电结构工作时电流流向示意图如图 4。
[0020] 所述步骤（3)中的基板为非金属电介质，且无任何短路墙或过孔，具有平面结构。 由于双环感应馈电结构使得天线的整个金属辐射面表面电流都保持一致性振荡，提高了 辐射效率，从而天线不需要过孔仍可有良好的辐射性能，可采用导电银浆或者导电墨水印 刷制造，加工成本减小，便于大规模生产。
[0021] 本实用新型所述基于双环感应馈电结构的平面抗金属标签天线的设计方法设计 的天线，标签尺寸小，辐射性能好，读取距离长，结构简单，阻抗匹配灵活，成本低，便于大规 模生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1是基于双环感应馈电结构平面抗金属标签天线结构示意图（图中：金属地面 1、基板2、金属辐射面3、双环感应馈电结构4、射频识别芯片5);
[0023] 图2是基于双环感应馈电结构平面抗金属标签天线俯视图（图中：金属辐射面长 度：L、金属辐射面宽度：W、双环感应结构长度：L 1(rap、双环感应结构宽度：W1(K)P、双环感应结 构与金属辐射面间隙宽度：W gap);
[0024] 图3是基于双环感应馈电结构平面抗金属标签天线侧视图（图中：基板厚度h);
[0025] 图4是双环感应馈电结构详细示意图（图中：射频识别芯片5、上臂6、中梁7、下 臂8、横梁间隔9,箭头表示电流方向）；
[0026] 图5是基于双环感应馈电结构平面抗金属标签天线电流流向示意图（图中箭头表 示电流方向）；
[0027] 图6是基于双环感应馈电结构平面抗金属标签天线示例的阻抗曲线图，其中图a 是双环感应馈电结构的长度L1(K)P与天线电抗值的关系图，图b是双环感应馈电结构与天线 金属辐射面的间隙宽度w gap与天线电阻值关系图；
[0028] 图7是基于双环感应馈电结构平面抗金属标签天线示例的辐射方向图，其中图a 是E面方向图，图b是Η面方向图（标签安装在面积为200 X 200mm2的铜板上）；
[0029] 表1是基于双环感应馈电结构平面抗金属标签天线示例安装在不同面积铜板上 时最大有效读取距离。
【具体实施方式】
[0030] 本实用新型为一种基于双环感应馈电结构的平面抗金属标签天线，具体实施步 骤：
[0031] (1)确定所设计的平面抗金属标签天的工作频率915MHz，选用Monza4型号的射频 识别芯片，其在该工作频率下的阻抗值为ll_jl43Q ;
[0032] (2)选择一个长度为80mm,宽度为32mm的金属地面；
[0033] (3)金属地面上设置与金属地面长宽相等的基板，基板采用普通FR4印制板，基板 厚度为3mm,介电常数为4. 5,介质损耗因数为0. 02 ;
[0034] (4)基板上设置金属辐射面，采用导电银浆或者导电墨水印刷制造，其长度为 78mm，宽度为 30mm ；
[0035] (5)金属辐射面上设置双环感应馈电结构，双环感应馈电结构宽度为8. 2mm，横梁 宽度（即馈线宽度）为1mm。采用HFSS软件仿真出在不同长度值LlMP和间隙宽度值W gap时 天线的电阻值和电抗值随频率变化的曲线，如图6所示。根据图6可以得到本实施例的优 化参数值：双环感应馈电结构长度为47. 2mm，双环感应馈电结构与金属辐射面间隙宽度为 L 6mm〇
[0036] (6)将射频识别芯片设置在中梁上，一种基于双环感应馈电结构的平面抗金属标 签天线设计完成。
【权利要求】
1. 一种双环感应馈电结构平面抗金属标签天线，包括金属地面，非金属基板、金属辐射 面和射频识别芯片；金属地面位于非金属基板下方，非金属基板上设有金属辐射面和射频 A 识别芯片，其特征在于：金属辐射面长度为Ι = α49^/=()'49χ_/Γ'其中λ是自由空间波 V Γ 长，是介质中的波长，~是基板介电常数，金属辐射面宽度小于长度，非金属基板的长 度和宽度比金属辐射面的长度和宽度稍大； 金属辐射面内有双环感应馈电结构，双环感应馈电结构由中梁和上下对称在两端与中 梁并联相接的上臂和下臂组成，双环感应馈电结构的上臂和下臂通过电流的方向一致，与 金属辐射面感应耦合，上臂和下臂在金属辐射面的上下两部分分别感应耦合出与两臂中电 流方向相反的电流，上臂、下臂和中梁的梁宽均为w fMd，双环馈电结构的长宽分别为 wlOTP，中梁上设有射频识别芯片； 双环感应馈电结构与金属辐射面之间通过宽度为wgap的间隙感应耦合，金属辐射面的 上半部分和下半部分具有相同方向的感应电流，金属辐射面的表面电流保持一致性振荡。
2. 根据权利要求1所述的平面抗金属标签天线，其特征在于：金属标签天线具有平面 结构，采用导电银浆或导电墨水印刷制造金属辐射面。
【文档编号】H01Q1/36GK203883116SQ201420155352
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】莫凌飞, 李晨阳 申请人:东南大学