标签天线及标签的制作方法

文档序号:11051514阅读:625来源:国知局
标签天线及标签的制造方法与工艺

本实用新型涉及射频技术领域,且特别涉及一种标签天线以及标签。



背景技术:

目前,无源UHF RFID技术被广泛应用于各行业,例如人员管理、冷链运输等行业。而在某些应用背景下如人员管理,其需要将RFID标签贴敷于人体上,因此很多场合都需要针对人体体表应用而设计专门的标签天线。

在自由空间条件下,RFID阅读器和RFID标签之间的识别距离由以下公式决定:

在Pth(RFID芯片的最小触阈值功率)和EIRP(与读卡器有关的增益参数)一定的条件下,识别距离R主要由标签天线的增益Gtag和传输系数τ决定。目前针对应用于人体体表上的标签天线存在以下两个难点:一是人体对能量的吸收使得标签天线的增益Gtag呈较大的衰减,而衰减量主要由标签和人体之间的距离决定;二是人体这种介质会使标签天线的阻抗发生很大的变化,影响标签和RFID芯片之间的阻抗匹配,从而使得传输系数τ大幅度降低。综上所述,应用于人体体表上的标签通常因为低增益Gtag和低传输系数τ而导致识别距离大大缩短,从而无法应用于人体体表上。

目前市面上的超高频RFID由于在人体体表和自由空间下的阻抗差别很大,且标签在人体体表上的增益较自由空间下降12dB甚至更高,严重限制了RFID在多种行业下的应用。



技术实现要素:

本实用新型为了克服现有RFID标签应用于人体体表识别距离短的问题,提供一种在人体体表和自由空间下均具有较大识别距离的标签天线及标签。

为了实现上述目的,本实用新型提供一种标签天线,包括基板和形成在基板上的天线图案。其中天线图案包括第一子结构、第二子结构和第三子结构。第一子结构呈封闭的环状。第二子结构和第三子结构,两者结构相同且呈对称结构设置在第一子结构内,第二子结构和第三子结构分别与第一子结构相连接。第一子结构、第二子结构和第三子结构组成封闭状。

于本实用新型一实施例中,第二子结构和第三子结构均包括馈电部、第一连接部、两个第二连接部和两个第三连接部。第一连接部与馈电部相连接,第一连接部的轴线和馈电部的轴线相垂直。两个第二连接部分别连接在第一连接部的两端。两个第三连接部分别连接在两个第二连接部及相应的第一子结构之间。

于本实用新型一实施例中,馈电部、第一连接部、第二连接部以及第三连接部四者的宽度和长度与连接在第二子结构馈电部和第三子结构馈电部之间的RFID芯片的阻抗相匹配。

于本实用新型一实施例中,馈电部、第一连接部、第二连接部以及第三连接部四者中,第三连接部的宽度最大。

于本实用新型一实施例中,天线图案上无过孔和侧面的金属连接。

于本实用新型一实施例中,基板的厚度小于或等于0.1毫米,基板由塑料、陶瓷、环氧玻璃纤维板或聚酰亚胺板中的任一种制成。

于本实用新型一实施例中,天线图案印刷于基板上。

于本实用新型一实施例中,天线图案由金、银、铜、铝中的任一种材料制成。

相对应的,本实用新型另一方面还提供一种标签,该标签包括上述任一项中的标签天线以及连接在第二子结构馈电部和第三子结构馈电部之间的RFID芯片。

于本实用新型一实施例中,标签还包括形成在基板底部的垫层,垫层的厚度小于或等于2毫米。

综上所述,本实用新型提供的标签天线以及标签与现有技术相比,具有以下优点:

通过设置第一子结构呈封闭的环状且第一子结构、第二子结构和第三子结构三者组成封闭状,该设置使得整个标签天线呈封闭结构,即当天线接收到电信号后,天线内的电流分布呈环状。这种环状结构使得标签贴于人体体表后天线上的电流分布变化不明显,即阻抗较自由空间的阻抗变化不明显,从而大大减小标签在自由空间和人体体表下的阻抗差别,匹配提高,传输系数变大。同时该环状结构减小了人体对增益的缩减效应,从而大幅度提高标签应用在人体体表时的传输距离,从而使得标签能同时应用在自由空间和人体体表。进一步的,第二子结构和第三子结构呈对称状设置在第一子结构内,对称的结构可将高频信号高度集中,从而大幅度提高标签天线的增益。

此外,通过设置馈电部、第一连接部、第二连接部以及第三连接部四者的宽度和长度与连接在第二子结构馈电部和第三子结构馈电部之间的RFID芯片的阻抗相匹配来进一步使标签天线获得较高的增益。通过设置天线图案印刷于基板上,天线图案无过孔和侧面的金属连接,来使得标签天线结构简单且大大降低标签天线的加工难度,特别适合于大批量生产。

为让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举较佳实施例,并配合附图,作详细说明如下。

附图说明

图1所示为本实用新型一实施例提供的标签天线的结构示意。

图2所示为图1中第二子结构的放大图。

图3所示为本实用新型一实施例提供的标签的结构示意图。

图4所示为图3所述标签应用于人体体表时的结构示意图。

图5所示为本实用新型提供的标签置于自由空间和人体体表时的输入阻抗图。

图6所示为本实用新型提供的标签置于自由空间下的增益方向图。

图7所示为本实用新型提供的标签置于人体体表时的增益方向图。

图8所示为本实用新型提供的标签置于自由空间和人体体表时的回波损耗图。

具体实施方式

图1所示为本实用新型一实施例提供的标签天线的结构示意。图2所示为图1中的第二子结构的放大图。图3所示为本实用新型一实施例提供的标签的结构示意图。图4所示为图3所述标签应用于人体体表时的结构示意图。图5所示为本实用新型提供的标签置于自由空间和人体体表时的输入阻抗图。图6所示为本实用新型提供的标签置于自由空间下的增益方向图。图7所示为本实用新型提供的标签置于人体体表时的增益方向图。图8所示为本实用新型提供的标签置于自由空间和人体体表时的回波损耗图。请一并参阅图1至图8。

如图1所示,本实施例提供的标签天线201包括基板10和形成在基板10上的天线图案20。其中天线图案20包括第一子结构1、第二子结构2和第三子结构3。第一子结构1呈封闭的环状。第二子结构2和第三子结构3,两者结构相同且呈对称结构设置在第一子结构1内,第二子结构2和第三子结构3分别与第一子结构1相连接。第一子结构1、第二子结构2和第三子结构3组成封闭状。

于本实施例中,第一子结构1为封闭的矩形环。矩形环的外部轮廓尺寸为130毫米*20毫米,矩形环的宽度为2毫米。然而,本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中,可以根据RFID芯片的阻抗来设计第一子结构1的具体形状以及尺寸。

如图2所示,第二子结构2和第三子结构3均包括馈电部21、第一连接部22、两个第二连接部23和两个第三连接部24。第一连接部22与馈电部21相连接,第一连接部22的轴线和馈电部21的轴线相垂直。两个第二连接部23分别连接在第一连接部22的两端。两个第三连接部24分别连接在两个第二连接部23及相应的第一子结构1之间。于本实施例中,馈电部21、第一连接部22、两个第二连接部23以及两个第三连接部24均为矩形结构,且设置馈电部21、第一连接部22、第二连接部23以及第三连接部24四者中,第三连接部24的宽度最大。宽度越大,阻抗越小,该设置减小了第三连接部24和第一子结构1之间的连接阻抗。为提高天线的读取距离,在天线优化设计中,设置馈电部21、第一连接部22、第二连接部23和第三连接部24四者的宽度和长度与连接在第二子结构馈电部和第三子结构馈电部之间的RFID芯片的阻抗相匹配。于本实施例中,芯片在工作频率915MHz时具有25-j*150(天线的输入阻抗是一个复数,j为虚单元)的输入阻抗,因此在设计天线图案20尺寸时,应尽可能的使天线图案20的阻抗接近25+j*150。阻抗匹配可大大减小信号能量在传输过程中的损耗,大幅度提高信号的读取距离。

于本实施例中,馈电部21的尺寸为8.5毫米*3毫米;第一连接部22的尺寸为7毫米*2毫米;第二连接部23的尺寸为13毫米*1.5毫米;第三连接部24的尺寸为4.5毫米*4.0毫米。该尺寸的天线图案20在自由空间下工作频率为915MHz时具有26+j*151的输入阻抗,而在置于人体体表时具有25+j*151的输入阻抗,两者的输入阻抗均与RFID芯片的阻抗相匹配。然而,本实用新型对天线图案20的具体尺寸不作任何限定。于其它实施例中,只需简单的调节馈电部21、第一连接部22、两个第二连接部23和两个第三连接部24四者的长度尺寸和宽度尺寸即可满足其它RFID芯片的阻抗匹配。

如图5所示,im-body为标签置于人体体表时天线输入阻抗的虚部在不同工作频率下的曲线,im-vacuum为标签置于自由空间时天线输入阻抗的虚部在不同工作频率下的曲线,re-body为标签置于人体体表时天线输入阻抗的实部在不同工作频率下的曲线,re-vacuum为标签置于自由空间时天线输入阻抗的实部在不同工作频率下的曲线。从图中可以看出,本实施例提供的标签天线在自由空间下工作频率为915MHz时具有26+j*151的输入阻抗,而置于人体体表时具有25+j*151的输入阻抗,两者差别非常小。该数据表明本实施例提供的标签天线既适用于人体体表,也适用于自由空间,大大提升了标签的使用范围。该效果的实现是因为在本实用新型中设置第一子结构1呈封闭的环状且第一子结构1、第二子结构2和第三子结构3三者组成封闭状,该设置使得整个标签天线呈封闭结构。当天线接收到电信号后,天线内的电流分布呈环状。这种环状结构使得标签贴于人体体表后天线上的电流分布变化不明显,即阻抗较自由空间变化不明显,从而大大减小标签在自由空间和人体体表下的阻抗差别,匹配提高,传输系数变大。同时该环状结构减小了人体对增益的缩减效应,从而大幅度提高标签应用在人体体表时的传输距离,使得标签能同时应用在自由空间和人体体表上。

图6和图7分别给出了标签置于自由空间下和人体体表时的增益方向图,图中虚线为PHi等于0度下的增益方向图,实线为PHi等于90度下的增益方向图。在自由空间内,本实用新型提供的标签其天线增益可达2.3dBi,绑定915MHz处阻抗为25-j*150、-9dBm阈值功率的芯片,自由空间下,实测标签的识别距离4.5米,稳定读取有效温度的距离可达3.5米。而在人体体表下,天线增益可达-5.6dBi,人体体表上实测标签的识别距离1.5米,稳定读取有效温度的距离可达1米,远远超过现有标签在人体体表下的识别距离。

图8所示为本实用新型提供的标签置于自由空间和人体体表时的回波损耗图,其中实线为标签在人体体表时的回波损耗,虚线为标签在自由空间下的回波损耗。从图中可以看出,本实施例提供的标签,通过优化天线图案后其在自由空间和人体体表下的回波损耗相近,且标签天线在人体体表的增益衰减较小,即实现了抗人体的目的。同时,-10dB回波损耗带宽覆盖全球超高频RFID系统频段,可在复杂环境下保持较稳定的性能。图8中纵坐标S11_RFID为回波损耗。

由于本实施例提供的标签要置于人体体表,因此要求标签的尺寸不能太大,于本实施例中,基板10的平面尺寸为132毫米*22毫米,仅略大于天线图案20的尺寸;基板10的厚度等于0.1毫米。然而,本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中,当天线图案20尺寸发生变化时,基板10的平面尺寸随其变化,但始终保持基板10的平面尺寸略大于天线图案20的尺寸即可;同样的,基板10的厚度也可小于0.1毫米。

于本实施例中,天线图案20采用印刷的方式形成在基板10上,天线图案20上无过孔和侧面的金属连接,该设置使得标签天线结构简单且大大降低标签天线的加工难度,特别适合于大批量生产。

于本实施例中,天线图案20由铜材料制成,基板10为聚酰亚胺板(PI板)。然而,本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中,天线图案20可由金、银、铝或其它导电金属材料制成;基板10可为塑料、陶瓷或环氧玻璃纤维板中的任一种。

相对应的,本实施例还提供一种标签200,该标签200包括本实施例提供的标签天线201和连接在第二子结构馈电部和第三子结构馈电部之间的RFID芯片202。于本实施例中,RFID芯片202通过焊接的方式连接在第二子结构馈电部和第三子结构馈电部之间。然而,本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中,RFID芯片202可通过绑定的方式连接在第二子结构馈电部和第三子结构馈电部之间。

进一步的,为便于人体204使用,于本实施例中,标签200还包括形成在基板10底部的垫层203,垫层203的厚度小于或等于2毫米。优选的,设置垫层203为医用泡棉。然而,本实用新型对此不作任何限定。

综上所述,本实用新型提供的标签天线以及标签与现有技术相比,具有以下优点:

通过设置第一子结构呈封闭的环状且第一子结构、第二子结构和第三子结构三者组成封闭状,该设置使得整个标签天线呈封闭结构,即当天线接收到电信号后,天线内的电流分布呈环状。这种环状结构使得标签贴于人体体表后天线上的电流分布变化不明显,即阻抗较自由空间变化不明显,从而大大减小标签在自由空间和人体体表下的阻抗差别,匹配提高,传输系数变大,同时该环状结构减小了人体对增益的缩减效应,从而大幅度提高标签应用在人体体表时的传输距离,从而使得标签能同时应用在自由空间和人体体表。进一步的,第二子结构和第三子结构呈对称状设置在第一子结构内,对称的结构可将高频信号高度集中,从而大幅度提高标签天线的增益。

此外,通过设置馈电部、第一连接部、第二连接部以及第三连接部四者的宽度和长度与连接在第二子结构馈电部和第三子结构馈电部之间的RFID芯片的阻抗相匹配来进一步使标签天线获得较高的增益。通过设置天线图案印刷于基板上,天线图案无过孔和侧面的金属连接,来使得标签天线结构简单且大大降低标签天线的加工难度,特别适合于大批量生产。

虽然本实用新型已由较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本实用新型,任何熟知此技艺者,在不脱离本实用新型的精神和范围内,可作些许的更动与润饰,因此本实用新型的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

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