一种应用于特高频段的低剖面抗金属标签天线

1.本发明属于射频识别技术领域，涉及一种射频识别电子标签，特别是工作在超高频段的一种抗金属标签天线。


背景技术：

2.射频识别(radio frequency identification，简称rfid)是一种非接触的无线通信技术，具有数据传输速度较快、识别精度高、适应性强、抗干扰能力强等优点。随着社会的发展，特高频（uhf） rfid标签金属环境中也有越来越广泛的应用，rfid标签的辐射效率、天线阻抗和谐振频率等性能却大幅降低，甚至无法正常工作。因此，设计抗金属微带标签天线成为主流研究方向之一，现有的技术采用弯折开路线结构来调节天线阻抗，或者增加介质层的厚度来提高微带天线的抗金属性能。这样设计的标签天线的厚度通常为3mm或者2.2mm居多，不利于更好贴合金属表面，一般的弯折开路线带宽较窄通常为8mhz，一般的弯折开路短截线标签天线谐振频率基本固定在910mhz，不能调节。
3.在此背景下，本发明设计了一种新型的有两个谐振频段低剖面的rfid抗金属标签，有17mhz的带宽，可以通过改变天线的尺寸来选择谐振频率为840mhz或910mhz频段，这两个谐振频段相比于一般弯折开路天线有更高的回波损耗，可以更好贴合金属表面，还可以调节天线的谐振频率。


技术实现要素：

4.为了解决标签天线在金属环境下性能恶化，同时减小标签天线的尺寸，以及加工工艺难度大的问题，本发明提供一种应用于uhf频段的低剖面抗金属标签天线，通过改变辐射隙缝的缝宽可以调节天线的中心频率为840mhz或912mhz。
5.一种应用于特高频段的低剖面抗金属标签天线包括辐射贴片、介质基板5和金属底板6，所述辐射贴片固定设于介质基板5的顶面，所述辐射贴片包括标签芯片2，所述金属底板6固定设于介质基板5的底面，改进在于：所述辐射贴片还包括矩型辐射贴片3和t型辐射臂1；所述矩型辐射贴片3长度方向一端为u形，所述t型辐射臂1的竖直臂的下端通过标签芯片2连接着矩形辐射贴片3u形端内的底部，t型辐射臂1的竖直臂两侧与矩型辐射贴片3的u形槽两侧边之间形成两条第二辐射缝7；所述矩型辐射贴片3长度方向另一端沿长度方向开设有两条第一辐射缝4，两条第一辐射缝4平行；所述低剖面抗金属标签天线的厚度不大于1.6mm；当第一辐射缝4的宽度w4为5mm、第二辐射隙缝7的宽度w5为11mm时，所述抗金属标签天线的谐振频率变为913mhz、回波损耗为-56db、中心频段的为880mhz到940mhz、在中心频段的增益变化范围为-0.87dbi到-7.7dbi；当第一辐射缝4的宽度w4为13mm、第二辐射隙缝7的宽度w5为3mm时，所述抗金属标
签天线的谐振频率变为840mhz、回波损耗为-65db、中心频段的为810mhz到870mhz、在中心频段的增益变化范围为-1.78dbi到-6.7dbi。
6.进一步的技术方案如下：所述辐射贴片和金属底板6的材料均为铜片，辐射贴片和金属底板6的厚度均为0.2mm；所述介质基板5材料为fr4，厚度为1.6mm。
7.所述第一辐射缝4采用金属刻蚀工艺，第一辐射缝4的缝宽w6为1mm，缝长l4为38mm，两条第一辐射缝4之间的间距为24mm。
8.所述t形辐射臂1由水平臂和竖直臂组成，水平臂尺寸为w2
×
l2为5mm
×
4mm，竖直臂尺寸为w3
×
（l6-l7）为8mm
×
41mm。
9.本发明相对于现有技术具有的有益技术效果体现在以下方面：1.在标签天线的介质板厚度上，一般的开路短截线标签天线的介质板厚度为3mm和2.2mm的居多，本发明的标签天线厚度仅为1.6mm。在特殊要求的场合，标签的厚度可以在1mm的时候仍然可以保证回波损耗在-12db。在调节阻抗方面，本发明采取得t型辐射臂来代替一般弯折开路短截线调节天线的阻抗，当t型辐射臂1的垂直臂的长度在42mm和52mm之间调节时，他们的回波损耗值在-36db和-56db之间，满足一般天线的正常使用需求。
10.2. 在天线的带宽性能方面，本发明只需要通过调节t型辐射臂1的水平臂宽度来调节天线的带宽，当天线的t型辐射臂1的水平臂宽度为5mm时，本发明和一般弯折开路短截线标签天线在-10db的带宽都为8mhz；当调节t型辐射臂1的水平臂宽度为9mm时，本发明的标签天线在-10db的带宽为16mhz，而且免去了额外增加微带线激发出两个相邻的谐振模来增加天线带宽。由此通过调节t型辐射臂的水平臂宽度来调节标签天线的带宽变的更加方便。
11.3.在天线的谐振频率调节方面，通过改变第二辐射隙缝7的大小有两个谐振频率可以选择，分别为840mhz或912mhz。在保持t型辐射臂1宽度保持不变的情况下，增加第二辐射隙缝7的宽度，利用曲流技术，通过改变在辐射贴片表面上电流路径长度来调节标签天线的谐振频率。当第二辐射隙缝7的宽度为3mm时，标签天线的谐振频率为840mhz，当第二辐射隙缝7的宽度增加到6mm时，标签天线的谐振频率也变为862mhz，谐振频率可以在840mhz～862hz调节；当对称的两个第二辐射隙缝7的宽度为10mm时，标签天线的谐振频率为900mhz，第二辐射隙缝7的宽度为13mm时，天线的谐振频率为912mhz，谐振频率在900mhz～912mhz内调节。
12.4.本发明的标签天线特别地添加了两个对称的第一辐射隙缝4，第一辐射隙缝4的宽度为1mm，两个第一辐射隙缝4的距离为24mm。这两个对称的第一辐射隙缝4等效于在天线的辐射贴片1中耦合了电容，通过调节这两个对称第一辐射隙缝4的距离来调节天线的阻抗，最终达到阻抗匹配来补偿天线损失的回波损耗。
13.5.本发明的结构相比于一般的弯折开路标签天线，结构更加简单，而且没有过孔短路结构，调节更加方便，有利于批量生产。
附图说明
14.图1为本发明的抗金属标签天线的三维立体图。
15.图2为本发明的抗金属标签天线俯视结构图。
16.图3为本发明的抗金属标签天线的辐射贴片长度尺寸标注图。
17.图4为本发明的抗金属标签天线的辐射贴片宽度尺寸标注图。
18.图5为本发明的抗金属标签天线的谐振频率为840mhz在金属和非金属环境下的功率反射函数图（s
11
）。
19.图6为本发明的抗金属标签天线的smith圆图。
20.图7为本发明的抗金属标签天线三维方向增益图。
21.图8为本发明的抗金属标签天线在金属与非金属环境下读取距离图。
22.图9为本发明的抗金属标签天线的谐振频率为912mhz时，抗金属标签天线的smith圆图。
23.图10为本发明的抗金属标签天线的谐振频率为912mhz时，在金属和非金属环境下的功率反射函数图（s11）。
24.图11为本发明的抗金属标签天线的谐振频率为912mhz时，在金属和非金属环境下读取距离图。
25.图1～图4中的序号：t形辐射臂1、标签芯片2、天线辐射面3、第一辐射隙缝4、第二辐射隙缝7、介质基板5，金属底板6。
具体实施方式
26.下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
27.实施例1参见图1，一种应用于uhf频段的低剖面抗金属标签天线包括标签芯片2、辐射贴片和第一辐射隙缝4、第二辐射隙缝7、介质基板5，金属底板6，所述芯片2、辐射贴片、第一辐射隙缝4和第二辐射隙缝7均设于介质基板上表面，金属底板6设于介质基板下表面。
28.参见图2，辐射贴片包括一个t形辐射臂1、第一辐射隙缝4、第二辐射隙缝7和辐射面3；所述t形辐射臂1部分位于辐射面3外侧，第一辐射隙缝4和第二辐射隙缝7位于辐射面3上；所述芯片2位于长条形辐射臂6与辐射面3的连接线上，通过开路短截线结构，对芯片进行馈电。
29.参见图3和图4，第一辐射隙缝4的尺寸为w6
×
l4为1mm
×
38mm，第二辐射隙缝7尺寸为w5
×
l5为3mm
×
30mm。t形辐射臂1由两个矩形贴片组成，一个矩形贴片尺寸为w2
×
l2为52mm
×
1mm，另一个矩形贴片尺寸为w3
×
（l6-l7）为8mm
×
41mm。介质基板5与金属底板6的尺寸均为w1
×
l1为60mm
×
118mm。辐射面3的尺寸w2=52mm、w3=8mm、w4=13mm、l2=4mm、l3=88mm、l5=30mm。
30.通过调节t形辐射臂的长度和宽度以及第一辐射隙缝4和第二辐射隙缝7的长度和宽度来调节标签天线阻抗与谐振频率，对标签天线在有无金属的环境进行测试，测试结果由图5可见，无金属环境下的中心谐振频率为840mhz，回波损耗为-65db，回波损耗高于一般天线，在金属环境下，中心谐振频率为840mhz，回波损耗为-31.31db，可见金属环境对此标签的影响不大，可以正常使用。
31.如图5所示，是本发明的抗金属标签天线的在金属环境下和非金属环境下的回波损耗曲线（s11）；如图6所示，是本发明的抗金属标签天线的smith圆图，从实验结果的报告来看，再
中心频率840mhz的阻抗归一化阻抗为（1.008+0.034j）ω。
32.如图7所示，是本发明的抗金属标签天线的三维方向增益图，在840mhz工作频率处时天线取得的最大增益为-1.78db，达到了设计要求。
33.如图8所示，是本发明抗金属标签理想匹配状态下在金属环境与自由空间读取距离图，读写器输出的等效辐射功率eirp=33dbm，标签芯片的灵敏度为-18dbm，利用公式进行计算，计算仿真结果显示，该抗金属标签在金属环境下与非金属环境下均具有良好的识别距离。
34.实施例2本实施例2将第二辐射隙缝7的宽度w5改为11mm、w4改为5mm，此时抗金属标签天线的谐振频率为912mhz，-10db的频率范围为905mhz到921mhz。
35.如图9所示，是本发明的抗金属标签天线的smith圆图，从实验结果的报告来看，再中心频率912mhz的阻抗归一化阻抗为（1.0251+0.0057j）ω。
36.如图10所示，是本发明的抗金属标签天线的谐振频率为912mhz时，在金属和非金属环境下的功率反射函数图（s11）。
37.如图11所示，是本发明的抗金属标签天线的谐振频率为912mhz时，在金属和非金属环境下读取距离图。
38.以上所述，仅为本发明较佳的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或者改变，都属于本发明的保护范围。