一种无源超高频和特高频标签天线的制作方法

本发明涉及标签天线
技术领域：
，特别涉及一种无源超高频和特高频标签天线。
背景技术：
：现有的标签天线存在以下缺陷：1.天线小型化程度不够，急需优化，以便更好的适应市场需求；2.性能不稳定，影响因素较多；3.谐振频率调整不便。技术实现要素：本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种无源超高频和特高频标签天线。为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种无源超高频和特高频标签天线，包括：设计2.5g标签天线结构包括：介质板，在所述介质板的一面上印刷带有折叠槽的方形金属片由sma接头输入，通过一段共面波导馈电，激励折叠槽进行功率的发射，槽线在两侧向下延伸，同时在顶部设有一个向下的弯折部，形成对称蝴蝶形状；设计5.8g标签天线结构包括：介质板，在所述介质板的一面上印刷带有折叠槽的方形金属片由sma接头输入，通过一段共面波导馈电，激励折叠槽进行功率的发射，槽线向上延伸由凸起部，同时在两侧分别设有向下的弯折部，整体形成川字型。进一步，所述2.5g标签天线结构的天线参数长度和宽度等于四分之一的工作频率的波长，而折叠槽的总长度大约1倍的工作频率的波长。进一步，所述2.5g标签天线结构和5.8g标签天线结构中的介质板采用聚四氟乙烯材料。进一步，所述2.5g标签天线结构中，所述介质板的长度和宽度分别为30mm。进一步，所述2.5g标签天线结构中，每个所述弯折部的侧边长度为14mm，上端部宽度为7mm，下端部宽度为5mm。进一步，所述5.8g标签天线结构中，所述介质板的长度为15mm，宽度为30mm。进一步，所述5.8g标签天线结构中，每个所述弯折部的侧边长度为7.5mm，凸起部宽度为2mm，下端部宽度为4mm。根据本发明实施例的无源超高频和特高频标签天线，通过结构弯折设计，改变减小折叠槽天线的尺寸，是天线更加小型化。因焊接技术对标签性能的影响，经研究采用聚四氟乙烯材料，具有极小的损耗角正切，减少了较高频率下的损耗，提高了天线的性能。通过结构设计，改变尺寸就可以简单的调整到所希望的谐振频率上。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为折叠偶极子天线的示意图；图2为折叠槽天线的等效电路图；图3为折叠槽天线的输入阻抗示意图；图4为折叠槽天线的方向图；图5a和图5b为2.5g天线的结构图和反射系统仿真结果图；图6a和图6b为两个2.5g天线样品的测试结果图；图7为改进的2.5g天线的结构图；图8为改进的2.5g天线的输入阻抗实部示意图；图9为改进的2.5g天线的输入阻抗虚部示意图；图10a和图10b为使用agilente8363b矢量网络分析仪对设计的天线进行测试的仿真对比图和仿真方向图；图11为挖洞后天线的结构图；图12a和图12b为挖洞后天线的反射系数和输入阻抗的仿真示意图；图13a和图13b为5.8g天线的结构图和反射系统仿真结果图；图14a和图14b为两个5.8g天线样品的测试结果图；图15为改进的5.8g天线的示意图；图16a和图16b为改进的5.8g天线的反射系数和输入阻抗的仿真示意图；图17为使用agilente8363b矢量网络分析仪对设计的天线进行测试的仿真对比图；图18a为天线的几种不同弯折方式的示意图；图18b为天线尺寸与总槽长度比较示意图；图19a和图19b为几种天线的输入阻抗的实部和虚部示意图；图20为各种天线的天线增益与天线尺寸比示意图。具体实施方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。应用于rfid的微波频率为2.5ghz与5.8ghz，在这两个频段的常用天线为共面波导馈电的折叠槽天线(cpw-fedfolded-slotantenna)。一个一般的共面波导馈电的折叠槽天线的结构如下图1。折叠槽天线可以看作是折叠偶极子天线的镜像，将折叠偶极子天线的金属部分和空间部分置换就得到了折叠槽天线。折叠槽天线的金属面不会无限大，通常只要比折叠槽的尺寸大一些即可。作为折叠偶极子天线的镜像，通常要求槽的总长度为1倍的导波波长左右，即：lsum＝2l1+2l2+2w3-4w1-w2≈λg采用不接地的共面波导馈电，有以下优点:1)传播模式tem；2)信号在暴露的表面导体上传播，容易安装集总参数元件；3)容易与同轴电缆相连；4)主要电磁场位于信号导体和地之间，几乎没有介质损耗。这种馈电方式的缺点：1)设计困难；2)当导带宽度和缝隙宽度的比例过大或过小时，tem模式将被微带线的准tem模式替代，性能降低。图2为天线的等效电路，za为折叠槽天线阻抗，而不接地的共面波导的特性阻抗z0为：其中k表示椭圆积分，h为介质板厚度，e为介质板相对介电系数。可以看出其特性阻抗由介质基片的相对介电常数、厚度、导带宽度及导带与地板之间的间隙共同决定。图3为折叠槽天线的输入阻抗示意图。按照上边的理论和公式，计算5.8ghz的天线参数来研究这种天线的一般特性，使用有限元法优化仿真，得到的输入阻抗及方向图如下图4。可以看出输入阻抗虚部为0的附近，实部曲线有一段平坦的底部，可以利用这种特性通过设计使输入阻抗正好为50ω或者75ω。方向图与偶极子天线旋转90度后的方向图相似，具有较强的方向性。(1)2.5g天线设计设计2.5ghz天线，尺寸30×35×1.6mm，天线尺寸较小。天线结构图和反射系数仿真结果如下图5a和图5b所示。由于在仿真中的介质介电系数比实际中用的大，所以实际的天线测量的谐振频率比设计要高很多。每种天线制作了两个相同的样品。两个样品的测试结果如下图6a和图6b所示。两个样品的不同之处就是加工误差以及焊接不规则。而电路板加工的误差应该不会太大，所以就是焊接的不确定性就可以造成100mhz左右的谐振频率的差别，可以看出，这些因素对天线有着相当大的影响。为此，本发明提供一种改进设计2.5g标签天线结构包括：介质板，在介质板的一面上印刷带有折叠槽的方形金属片由sma接头输入，通过一段共面波导馈电，激励折叠槽进行功率的发射，槽线在两侧向下延伸，同时在顶部设有一个向下的弯折部，形成对称蝴蝶形状。2.5g标签天线结构的天线参数长度和宽度等于四分之一的工作频率的波长，而折叠槽的总长度大约1倍的工作频率的波长。2.5g标签天线结构中的介质板采用聚四氟乙烯材料。2.5g标签天线结构中，介质板的长度和宽度分别为30mm。2.5g标签天线结构中，每个弯折部的侧边长度为14mm，上端部宽度为7mm，下端部宽度为5mm。具体的，为了减小谐振频率，新设计的2.5ghzrfid标签天线的结构如下图7，一个带有折叠槽的方形金属片被印刷在介质板的一面上，由sma接头输入，通过一段共面波导(coplanarwaveguide)馈电，激励折叠槽进行功率的发射。槽线在两侧向下延伸，同时在顶部有一个向下的弯折，形成蝴蝶形状。天线参数l、w大约等于四分之一的工作频率的波长(大约30mm)，而折叠槽的总长度大约1倍的工作频率的波长(大约120mm)。在改动天线设计的同时研究了馈线的长度对天线性能的影响。保持其他参数不变，改变l1的长度，仿真得到的输入阻抗如下图，图8是输入阻抗实部，图9是虚部。可以看出，这种天线的输入阻抗的实部在2到3ghz之间有一个平坦的接近50ω的底部，馈线越长，底部越低，这也是这种结构的天线的优点，只要附近有虚部的零点即可完成匹配。而虚部的零点在随着馈线长度的变化而变化。因此，可以方便的通过调整l1来调整天线的谐振频率。经过优化设计，确定了天线的各个参数，下表给出了具体的数据，使用这些数据在介质板上加工天线。下表1给出了介质板的数据，采用了聚四氟乙烯材料，具有极小的损耗角正切，减少了较高频率下的损耗，提高了天线的性能。下图10给出了完成的天线样品的照片，以1元硬币作参照。表1天线参数表(单位mm)参数w1w2w3w4w5w6l1l2l3l4wl长度114.55781971443030表2天线加工板材介质参数介质聚四氟乙烯相对介电常数2.65损耗角正切≤0.001介质板厚度(mm)1.6覆铜厚度(mm)0.025使用agilente8363b矢量网络分析仪对设计的天线进行测试。下图10(a)给出了反射系数测试结果和仿真结果的对比。测试结果为，反射系数最低达到-37db，驻波比小于2时，带宽为360mhz(2.36ghz～2.73ghz)，相对带宽为14.7％而仿真的结果为：反射系数达到28db，带宽为210mhz(2.39ghz～2.6ghz)，相对带宽为8.6％。两个结果较符合。仿真谐振频率为2.47ghz，实际测试为2.54ghz，相差70mhz。谐振频率差别可以归结为由接口焊接，电路板加工，及环境影响等因素造成。按照最终优化的参数，仿真得到的天线方向图如下图10(b)。方向图和偶极子天线旋转90度后的方向图相似，具有较强的方向性，可以提供较高的增益，改善标签读写距离。此外，本发明尝试在中间的金属上挖洞，如下图11，得到特性如下图12a和图12b。图12a和图12b为挖洞后天线的反射系数和输入阻抗的仿真示意图。得到了正好2.5ghz的谐振频率。不过对于实际的天线没有什么意义。通过这一改动得到两个结论：1)通过“挖洞”可以有效的降低天线的谐振频率，这样就使更小型的rfid标签实现成为可能。2)使实部为50欧的频率区间延长了很多，这样可以更容易的进行匹配，发现不合适只要同比例的改变尺寸就可以简单的调整到所希望的谐振频率上。(2)5.8ghz天线设计初步设计的5.8ghz天线，尺寸16×15×1.6mm，反射系数仿真结果如下图13a和图13b所示。和2.5ghz天线一样，制作了两个样品，使用矢量网络分析仪测试结果如下图14a和图14b所示。两个同样的天线的测试结果，依然有差异。和2.5ghz天线一样，由于加工板参数的原因，谐振频率比预期的高一些，所以需要改进设计。基于此，本发明改进的设计5.8g标签天线结构包括：介质板，在介质板的一面上印刷带有折叠槽的方形金属片由sma接头输入，通过一段共面波导馈电，激励折叠槽进行功率的发射，槽线向上延伸由凸起部，同时在两侧分别设有向下的弯折部，整体形成川字型。5.8g标签天线结构中的介质板采用聚四氟乙烯材料。5.8g标签天线结构中，介质板的长度为15mm，宽度为30mm。5.8g标签天线结构中，每个弯折部的侧边长度为7.5mm，凸起部宽度为2mm，下端部宽度为4mm。改动后的天线结构如下图15所示。这种新的结构的好处就是可以通过调整l5方便的微调谐振频率。反射系数和输入阻抗的仿真结果如下图16a和图16b所示。经过优化设计，确定了天线的各个参数，天线大小为15×16mm，下表给出了具体的数据。使用这些数据在介质板上加工天线。采用了聚四氟乙烯材料，相对介电系数2.65，损耗角正切≤0.001，介质厚度1.6mm，覆铜厚度0.025mm。由于损耗角正切很小，所以高频率下天线损耗很小，这样天线性能就有了提高。表3天线参数表(单位m)w1w2w3w4w5w6l1l2l3l4l5wl11343.5283.57.521.51615使用agilente8363b矢量网络分析仪对设计的天线进行测试。下图17给出了反射系数测试结果和仿真结果的对比。测试结果为，反射系数最低达到-28db，驻波比小于2时，带宽为870mhz(5.56ghz～6.43ghz)，相对带宽为15％，测试结果较好。实际测试谐振频率比仿真结果低90mhz。尺寸减小研究：在rfid应用中，标签有小型化的要求，所以占据标签绝大部分体积的标签天线也要进行小型化设计。通过弯折可以减小折叠槽天线的尺寸，本文研究了5种不同程度的弯折方式，如下图18(a)，从a到e槽的弯折数逐渐增多。这五种天线的工作频率均为5.8ghz，其尺寸参数如下图18(b)，其中的天线尺寸取的是天线横向和纵向长度的最大值。可以看出，随着弯折数的增多，天线尺寸会有相应的减小。减小的原因是连续弯折处的场具有相反的相位，同时造成感性和容性的阻抗，相互抵消，使谐振频率降低。因此在相同谐振频率的情况下，用弯折可以有效的减小天线尺寸。同时下图18(b)还表明，由于弯折的引入，在谐振频率相同的情况下，总的折叠槽的长度会增加。a的总长度为58mm，大约相当于1倍的导波波长(51mm)，而b到e的总长度顺序增加，e更是达到了80mm。这也说明想让这种类型的天线的体积再进一步缩小，需要更多的弯折，会极大的增加总的槽长度，让设计变得相当困难。图19(a)和图19(b)分别为天线输入阻抗的实部和虚部的仿真结果。实部总体来说都有一个较宽的底部，只是e的阻抗值偏大，而在a至d中以d的特性最好，底部最平滑，最接近50ohm。虚部特性都比较相似，都是在58ghz附近有零点，但是a的正数值的部分比较少，很容易由于参数或环境的影响导致没有过零点，让天线无法匹配，在设计中应当注意。对于rfid标签来说，天线增益对读写距离有着很大的影响。图20显示了五种天线的仿真增益值以及与天线尺寸的对比。其中a的增益可以达到1.5dbi，而e只有0.8dbi，并且增益大小随着尺寸的减小而降低。这说明了，天线尺寸的减小是以天线增益性能的下降为代价的，再加上前边提到的愈发困难的设计，因此在设计小型化天线的时候要综合考虑天线尺寸与天线性能，根据设计的需要取得一个最优的方案。根据本发明实施例的无源超高频和特高频标签天线，通过结构弯折设计，改变减小折叠槽天线的尺寸，是天线更加小型化。因焊接技术对标签性能的影响，经研究采用聚四氟乙烯材料，具有极小的损耗角正切，减少了较高频率下的损耗，提高了天线的性能。通过结构设计，改变尺寸就可以简单的调整到所希望的谐振频率上。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。当前第1页12