一种可折叠皮亚诺分形抗金属超高频rfid电子标签的制作方法
【专利摘要】一种可折叠皮亚诺分形抗金属超高频RFID电子标签，该标签包括可折叠的第一基材部件和不可折叠的第二基材部件，第二基材部件固定在金属物体的表面上，第二基材部件和第一基材部件相连且第一基材部件能够通过弯折的基材延伸到开放空间中，第一基材部件上嵌有电子标签芯片，电子芯片两端的天线用于接收信号；当电子芯片和天线进入读写器发射射频辐射场后，将天线获得的感应电流经升压电路后作为电子芯片的电源.同时将带信息的感应电流通过电子芯片的射频前端电路进行处理，需要回复的信息从存储器发射频前端电路，最后通过天线发回读写器。本发明具有结构简单、制造工艺简单、成本低、全向辐射性能佳和易于集成等突出优点。
【专利说明】一种可折叠皮亚诺分形抗金属超高频RFID电子标签
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超高频(860?960MHz)电子标签,具体涉及一种可折叠皮亚诺分形抗金属超高频RFID电子标签。
【背景技术】
[0002]Radio frequency identification (RFID)射频识别技术是一种利用射频技术实现的非接触式自动识别技术。RFID系统一般由电子标签(tag)和读写器(reader)两个主要部分组成；通过附有编码的标签及其标签上附有的天线，读写器与标签进行非接触的高速数据传输和完成自动识别过程。工作在超高频段(UHF，860?960MHz)的读写器对标签信息读取具有距离远、目标多、和动态等优点。近年来随着工业自动化和商业物流领域的飞速发展，RFID在物流仓储、零售管理、资产追踪、油田、航空、公共交通和身份认证等方面获得广泛的应用。
[0003]超高频射频识别系统(UHF RFID)通常需要在复杂电磁环境下服役，特别是当环境中存在金属和液体(含雨、雾等气候条件)时，将对系统产生电磁干扰或电磁吸收等诸多问题，进而限制了系统的进一步推广和应用。UHF RFID系统的读写器和电子标签之间的射频信号耦合类型是电磁反向散射耦合，读写器发射出去的电磁波到达目标标签后被标签附有的天线反射，同时携带回标签的电磁信息。根据电磁波的空间传播规律，在UHF频段空气对电磁能量下降的不是很快，读取距离比较远(无源标签一般可达十米或甚至更远)。
[0004]当标签工作在金属物体表面时，电磁波到达目标标签后被有少部分被标签的天线金属表面发射回去，而大部分电磁波将在金属表面附近形成电磁福射场；该场的磁场部分只存在切向的分量而没有法向的分量，在金属表面产生的磁通量并引起感应涡流；根据楞次定律感应涡流对读写器的辐射场起的相反作用，由此导致磁场在金属表面上迅速衰减，从而无法达到激活芯片的所需要的最低功率阈值，造成标签无法被读取。此外，由于金属引起的电磁辐射造成的能源损耗还将引起额外的寄生电容，从而造成读写器和标签天线电磁耦合系统的失谐，破坏系统的性能。在某些频段，被金属反射回来的能量甚至还可能在标签和读写器之间形成干扰。因此，当标签工作在金属物体表面时，标签天线的阻抗匹配、辐射效率、方向性等电磁参数都发生了变化，标签的读取距离迅速降低，甚至难以被读写器读取。同样，当标签工作在液体如液体饮料、酒精以及瓶装液体药品等环境中，读写器发射的电磁能量将被液体大量吸收并将导致系统无法正常工作。为此，需要进一步提高金属环境和液体环境工作的UHF RFID标签系统的性能。
[0005]为了解决上述问题，目前大致有如下三类方案:1)通过增加额外的抗金属机构方案:如专利CN2010479949Y通过调整标签天线与金属表面的距离来实现电子标签的抗金属性能；专利CN103473586A通过天线与基板之间增加有机玻璃，天线至标签基板背面的高度为I?7mm ;专利US20090160653和US20120305652A所描述的铝氧化物微波陶瓷RFID抗金属标签；2)在天线背部粘贴吸波材料薄片来抑制金属物体和金属表面对标签的性能的影响:如专利CN103295049A所述的一种柔性超高频抗金属电子标签；专利CN203149620U所述超薄吸波材料超高频电子标签和美国专利US8342402B2以及US7741972B2所述的三明治结构的增加一层磁性吸波材料来抑制金属表面反射波的干扰。3)设计新型天线:如专利US8564439B2和US7557757B2所描述的一种电感耦合的RFID标签天线和微带天线设计结构，提出在贴片天线的接地面使用周期性的EBG结构。由于特定的EBG结构能抑制特定的频带的电磁波的传播，通过减少表面波传播，来改善天线的效率，减少旁瓣电平，增加增益，同时EBG结构能改变特定频段的反射波的相位，使得天线能保持较薄的厚度。但同时也存在着若干缺陷，如增益不大，EBG结构制造复杂。专利US7504998B2所描述的一种PIFA标签天线设计，这个天线结构简单，易于制造，而且成本低，但是它的主波束比较窄，减小了天线的探测范围，而且最大增益不超过2dBi，意味着天线的探测距离不会很大。
[0006]在种类众多的天线家族中，最常用的是偶极子天线。它是由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个馈电点馈入，在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布并由此在天线周围空间激发起电磁场，以此来激活连接在馈电点上的芯片工作。而采用分形理论来设计的天线属于新型天线，具有分形结构的物体一般都有比例自相似性和空间填充性的特点。它应用到天线设计上可以实现天线多频段特性和尺寸缩减特性。与传统天线相比，分形天线具有小型化、宽频带、多频工作、高辐射电阻、自加载等优点，能够很好地满足RFID系统对天线的要求。例如，采用Koch贴片分形结构设计的天线贴片不仅可实现多频段的RFID通信，而且随着迭代次数的增加，辐射电阻增加，谐振频率逐渐减小，并趋于某一有限值。当保持偶极子天线的谐振频率不变时，随着迭代次数的增加，天线高度趋于有限值，长度却无线增长，这种设计有利于天线的小型化，同时在每一个频段有利于天线的Q值降低，而有利于提高天线工作带宽以并可在有限的空间内大幅度提高天线效率。这对于手机移动通信和微波通信等应用都具有吸引力。
[0007]采用设计新型天线的解决方案具有明显优点。金属表面或者金属物体在天线附近将改变天线的辐射模式，而且这种改变与金属物体的尺寸，形状，以及靠近天线的距离等多种因素相关，增加了天线设计的复杂度；但是，借助大型商用软件如HFSS可大大降低了设计的难度。另外，在设计某些类型天线时可以充分利用其工作的金属环境。例如，可以把标枪上的金属表面设计为能量反射器，此时金属的存在不仅有必要，而且可以提高天线辐射效能。为此，本专利提供了一种对使用环境要求低，读取距离高，抗金属干扰性强的低成本的折叠式皮亚诺分形抗金属超高频电子标签。
[0008]在超高频频段的RFID应用，无论是车辆出入库管理，仓储管理，固定资产管理，还是铁路运输监控以及列车、机车定位系统，RFID抗金属电子标签都存在着巨大的应用价值，但是目前的RFID抗金属标签存在固有的多种问题。因此设计一种在普遍环境下应用的低成本的抗金属标签对于RFID工业应用具有巨大的推动价值。
【发明内容】
[0009]为了解决上述解决方案的不足，本发明的目的在于提供一种可折叠皮亚诺分形抗金属超高频RFID电子标签，针对危险品管理，石油、天然气管道巡查，部件跟踪、资产管理，高压容器管理、货运集装箱、工业制造，仓储管理，大型设备管理，汽车部件管理等领域，具有对使用环境要求低，读取距离高，抗金属干扰性强的低成本的特点。
[0010]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:[0011]一种可折叠皮亚诺分形抗金属超高频RFID电子标签，包括可折叠的第一基材部件I和不可折叠的第二基材部件2，第二基材部件2固定在金属物体的表面5上，即用双面胶粘合在一起，第二基材部件2和第一基材部件I相连且第一基材部件I能够通过弯折的基材延伸到开放空间中，即第一基材部件I与表面5形成角度Θ，此角度Θ实现0°?180°可调，第一基材部件I上嵌有电子标签芯片3，对目标对象数据(Object Data)进行存储，以及连接在电子芯片3两端的天线4 (Antenna Element),用于接收外部的电磁信号并形成感应电流元。
[0012]所述的电子芯片3是通用的RFID芯片,包括Imping m4D或Alien H3芯片。
[0013]所述的电子标签的天线4采用的是具有三阶分形结构的皮亚诺天线，采用包括蚀刻法、线圈绕制法、导电油墨的丝网印刷或磁控溅射方法进行制作，采用三阶分形结构，天线 4(Antenna Element)的尺寸为 15mm xl5mm,天线工作在 915MHz,回波损耗 Sn=_22.76dB,驻波比小于2 (-1OdB)时的工作带宽为100MHz,相对带宽为10.9%。
[0014]本发明天线尺寸为常规微带天线尺寸的10%，应用于RFID超高频天线的皮亚诺分形结构具有尺寸小、带宽大等良好的特点，可达到小型化RFID天线以及满足远距离自动识别的目的，完全可以将其放在RFID标签里；本发明还具有结构简单、制造工艺简单、成本低、全向辐射性能佳和易于集成等突出优点，能够满足RFID应用系统对于标签天线的具体要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的一实施例的可折叠皮亚诺分形超高频电子标签示意图。
[0016]图2为本发明的一实施例的可折叠皮亚诺分形电子标签天线结构示意图。
[0017]图3为本发明的一实施例的可折叠皮亚诺分形超高频电子标签结构图。
[0018]图4为本发明的一实施例，将所述可折叠皮亚诺分形标签安装在金属物体表面的正面示意图。
[0019]图5为本发明的一实施例，将所述可折叠皮亚诺分形标签安装在金属物体表面的侧面示意图。
[0020]图6为本发明的一实施例，将所述可折叠皮亚诺分形标签放在自由空间中的回波损耗图。
[0021]图7为本发明的一实施例，将所述可折叠皮亚诺分形标签放在自由空间中的辐射方向图。
[0022]图8为本发明的一实施例，将一般电子标签粘贴在金属表面的回波损耗图。
[0023]图9为本发明的一实施例,将一般电子标签粘贴在金属表面的福射方向图。
[0024]图10为本发明的一实施例，将所述可折叠皮亚诺分形标签安装在金属物体表面的回波损耗图。
[0025]图11为本发明的一实施例，将所述可折叠皮亚诺分形标签安装在金属物体表面的辐射方向图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0027]如图1所示，本发明的一实施例的一种可折叠皮亚诺分形抗金属超高频RFID电子标签，该标签包括可折叠的第一基材部件I和不可折叠的第二基材部件2，第二基材部件2固定在金属物体表面5上，即用双面胶粘合在一起，第二基材部件2和第一基材部件I相连且第一基材部件I能够通过弯折的基材延伸到开放空间中，即第一基材部件I与表面5形成角度Θ，此角度Θ实现0°?180°可调，以期使得综合考虑天线性能和应用环境来达到最佳适配性能。第一基材部件I上嵌有电子标签芯片3，对目标对象数据(Object Data)进行存储，以及连接在电子芯片3两端的天线4 (Antenna Element),用于接收外部的电磁信号并形成感应电流元。所述的电子芯片3是通用认证标签的RFID芯片,包括Imping m4D系列或Alien H3系列芯片。
[0028]所述的电子芯片3是通用的RFID芯片,包括Imping m4D或Alien H3芯片。
[0029]所述的天线4采用的是具有三阶分形结构的皮亚诺天线，因为皮亚诺具有更高的分形维数，对比于上述Sierpinski贴片、Koch分形曲线等,皮亚诺曲线分形结构具有更小的尺寸和更高的辐射效率。采用包括蚀刻法，线圈绕制法，导电油墨的丝网印刷和磁控溅射方法进行制作。如上所述，常见的天线结构采用偶极子天线设计，采用三阶分形结构，天线4 (Antenna Element)的尺寸为 15mm xl5mm,天线工作在 915MHz,回波损耗 Sn=_22.76dB,驻波比小于2 (-1OdB)时的工作带宽为IOOMHz (860?960MHz)，相对带宽为10.9%。
[0030]本发明的工作原理为:当电子芯片3和天线4进入读写器发射射频辐射场后，将天线4获得的感应电流经升压电路后作为电子芯片3的电源.同时将带信息的感应电流通过电子芯片3的射频前端电路变为数字信号送入逻辑控制电路进行处理，需要回复的信息则从电子芯片3的存储器发出，经电子芯片3逻辑控制电路送回电子芯片3射频前端电路，最后通过天线发回读写器。读写器可进一步与计算机系统(包括单片机系统)连接以识别或防伪等具体应用要求。
[0031]本发明属于无源标签，其中电路芯片3通常是由射频前端、逻辑控制和存储等器电路单元组成，而天线4是由三阶分形结构的皮亚诺天线结构组成，以实现通过外部读写器(RFID标准读写设备包括手持终端设备和固定式读写设备)产生的辐射场对电路芯片3供电功能以及在两者之间实现通信功能；而第一基材部件I和第二基材部件2则是分别为电路芯片3和天线4提供材料支撑和在空间展开的功能。
[0032]如图2所示为本发明的一实施例的可折叠皮亚诺分形电子标签天线结构示意图，皮亚诺分形结构的尺寸为15x15mm2，为三阶皮亚诺分形结构。如图3所示实施例的折叠式抗金属超高频电子标签结构图和图4所示将抗金属标签安装在金属物体表面，第二基材部件2固定在金属物体或者金属表面5等所附属物，通过固定用双面胶粘合在一起，第一基材部件I通过可弯折的基材延伸到开放空间中，与第二基材部件2及表面5形成一定角度Θ，此角度实现0°?180°可调，以期使得综合考虑天线性能和应用环境来达到最佳适配性能。图5所示为所述折叠式抗金属标签安装在金属物体表面的侧面示意图。
[0033]图6为一实施例所示将所述折叠式抗金属标签放在自由空间中的回波损耗图，从图中可以看出天线的中心工作频率为915MHz，回波损耗Sll=-22.76dB，驻波比小于2(-1OdB)时的工作带宽为100MHz(860?960MHz)，相对带宽为10.9%。图7为一实施例所示将所述折叠式抗金属标签放在自由空间中的辐射方向图，由E面H面方向图可知，在915MHz,天线最大增益为0.5dBi,最大福射方向为z轴。
[0034]图8为一实施例所不将一般电子标签粘贴在金属表面的回波损耗图，图9为一实施例所示将一般电子标签粘贴在金属表面的辐射方向图。从图中所示，电磁波被全反射，从而导致标签完全不能被读取。
[0035]图10为一实施例所示将折叠式抗金属标签安装在金属物体表面的回波损耗图，从图中可以看出天线的中心工作频率为916MHz，回波损耗Sll=-33.77dB，驻波比小于2(-1OdB)时的工作带宽为90MHz (860?950MHz)，相对带宽为9.8%。图11为一实施例所示将将折叠式抗金属标签安装在金属物体表面的辐射方向图，由E面H面方向图可知，在916MHz,天线最大增益为1.54dBi,最大福射方向为z轴。从方向图可以看出，虽然天线的带宽略有所降低，但是能满足应用的要求，而同时Z轴方向的增益增强，意味着系统的探测距离增加。
[0036]在本实施例中，RFID标签的表面上覆盖防护油漆作为保护膜以防止可折叠电子标签的天线4与外界环境接触而发生氧化，腐蚀等现象，以保证RFID电子标签在应用环境中的长期稳定的使用。
[0037]在本实施例中，抗金属电子标签可折叠的第一基材部件I可以由塑料、纸张、PET、PP、纤维板、木材、玻璃、橡胶、低成本陶瓷片等非金属构件组成。
[0038]由于各国、各地区对UHF频段RFID应用的界定存在不同，例如:美国标准为902MHz ?928MHz，欧洲为 865MHz ?868MHz，日本为 950MHz ?956MHz，中国为 840MHz ?845MHz和920MHz?925MHz两个频段。因此，设计UHFRFID全频段覆盖的电子标签以满足世界各国的要求，使电子标签具有通用性，是电子标签设计的一个目标。目前一般的抗金属标签带宽窄，很难在RFID全频段上都实现远距离读取。然而根据本发明的一实施例，上述抗金属电子标签可以满足从860?960MHz各个地区全频段覆盖的要求，是一种通用的抗金属标签设计解决方案。
[0039]本发明的一实施例，上述抗金属电子标签的可折叠第一基材部件I能够承载目前任意幅宽的电子标签INLAY，即通过倒扣封装层，其天线工艺采用铝蚀刻和导电银浆印刷等加工方式加工的干INLAY和湿INLAY都可以通过第一基材部件I来承载。上述承载部件满足符合 EPCglobal ClasslGen2 (版本 1.2.0)标准，IS014443, IS015693, IS018000-6C 标准的任意标签设计。根据本发明的另一实施例，本发明同样适用于目前流行的13.56MHz标准射频卡以及新发展的NFC近场通信标签，是一种低成本的解决方案。综上，因其适用性较广，从而可应用于IT资产管理、食品追踪、仓储、物流、防伪等等领域。
[0040]本发明的一实施例，上述可折叠的第一基材部件I可以由塑料、纸张、PET、PP、纤维板、木材、玻璃、橡胶、低成本陶瓷片等非金属构件组成。
[0041]本发明的一实施例，第一基材部件I与表面5形成的角度Θ在0°?180°之间调整，以满足最佳的读写性能。
[0042]本发明的一实施例，通过第一基材部件I与附属表面形成的角度Θ，可以使得INLAY距离金属的表面5的具体得到一定程度的调整，从而可以通过表面5使得反射信号增强，从而获得比自由空间环境中更好的读写效果。根据本发明的一实施例，最佳的角度Θ为45°?135°之间。
[0043]本发明的一实施例，上述抗金属电子标签不仅只适用于金属表面，而且可以适用于液体环境，在液态物体的表面具有适用性。
[0044]本发明的一实施例，上述抗金属电子标签不仅只适用于金属表面，而且可以在金属物体内部使用，比如大型金属管材、钢锭铸件、五金器材外壳内部、移动通信基站以及通信天线内部、电网的固定资产如变电站、货物托盘、金属货架、电力铁塔、电压器等。
[0045]本发明的一实施例，经过一定的封装和加固，上述抗金属标签完全可以承受化学腐蚀、撞击、冷冻(藏)存储、高温等其他严苛的环境。
[0046]本发明的一实施例，随着电子标签INLAY市场化程度的日益提高，上述抗金属电子标签的适用性也会随着日益提高，同时成本也随着降低，以保持一种广泛适用的低成本抗金属电子标签的地位。
[0047]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种可折叠皮亚诺分形抗金属超高频RFID电子标签，其特征在于，该标签包括可折叠的第一基材部件(I)和不可折叠的第二基材部件(2)，第二基材部件(2)固定在金属物体的表面(5)上，即用双面胶粘合在一起，第二基材部件(2)和和第一基材部件(I)相连且第一基材部件(I)能够通过弯折的基材延伸到开放空间中，即第一基材部件(I)与表面(5 )形成角度Θ，此角度Θ实现0°~180°可调，第一基材部件(I)上嵌有电子标签芯片(3)，对目标对象数据进行存储，以及连接在电子芯片(3)两端的天线(4)，用于接收外部的电磁信号并形成感应电流元。
2.根据权利要求1所述的一种可折叠皮亚诺分形抗金属超高频RFID电子标签，其特征在于，所述的电子芯片(3)是通用的RFID芯片，包括Imping m4D或Alien H3芯片。
3.根据权利要求1所述的一种可折叠皮亚诺分形抗金属超高频RFID电子标签，其特征在于，所述的电子标签的天线(4)采用的是具有三阶分形结构的皮亚诺天线，采用包括蚀刻法、线圈绕制法、导电油墨的丝网印刷或磁控溅射方法进行制作，采用三阶分形结构，天线(4)的尺寸为15mm xl5mm，天线工作在915MHz，回波损耗Sn=_22.76dB，驻波比小于2(-1OdB)时的工 作带宽为100MHz，相对带宽为10.9%。
【文档编号】G06K19/077GK103903048SQ201410120020
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】刘启达, 杜挺, 向锋, 娄晓杰 申请人:西安交通大学