用于轨道交通精准定位系统的RFID标签天线及系统

本发明涉及反向散射通信领域，尤其涉及一种用于轨道交通精准定位系统的rfid标签天线及系统。

背景技术：

1、基于反向散射通信原理开发的rfid技术是一种无线的非接触式的射频识别技术。如今，为适应数字化信息社会发展的需求，rfid技术逐渐被应用到更为复杂的识别场景，以迎合更加广阔的市场需求。

2、近年来，rfid技术作为一种先进的定位与追踪手段，在轨道交通定位系统中得到了重点应用。轨道交通定位系统是基于现代计算机、通信和控制等技术实现列车运行全过程自动化的新一代城市交通运行系统。基于rfid技术的轨道交通定位系统能为高速行驶的列车提供精准定位和实时追踪，对于列车调度和行程安全都具有重大意义。

3、如图1所示，轨道交通精准定位系统由放置在列车底部的高性能阅读器和设置在轨道上的rfid标签组成，rfid标签与阅读器配合使用。阅读器搭载在列车底部，标签固定在轨道上，且标签安装在阅读器中心线上。阅读器与rfid标签间的最大距离为25cm。如图2所示，rfid标签采用反向散射通信方式，当列车经过rfid标签所在路段，阅读器发送载波，rfid标签天线接收到阅读器发出的载波信号时，控制射频开关改变反射电路的阻抗，实现反射信息的调制以传输标签id号，阅读器接收和解析反射信息获取标签id号，由于每个标签都有唯一的id号，并且id号对应标签的地理位置，因此实现了列车的定位。

4、在轨道交通精准定位系统中，rfid标签天线是重要组成部分。天线作为无线通信和探测系统的终端，其接收和辐射信号的效率直接影响系统的定位质量和性能。定位质量直接关系到列车与控制中心之间的信息传递，进而影响整个轨道交通系统的运行效率和安全。因此，天线设计对轨道交通系统至关重要。

5、根据轨道交通的商用要求，商用阅读器工作频率为2.4ghz。因此，标签天线的工作频段设置为2.4ghz。此外，列车的最快时速为400km/h，这要求标签天线能够在很短的时间内接收并反射多个信号。在图1中，阅读器和标签之间的最小通信距离为25cm(从火车底部到轨道的距离)，进一步增加了通信的难度。因此标签天线需要在垂直方向有更好的接收和反射效率才能满足轨道交通定位系统需求。对于参数指标，天线应在垂直方向上具有最佳的电压驻波比(vswr)接近1和辐射效率超过92％。

6、在现有的轨道交通应用中，基于列车次自动识别需求，研究人员设计了rfid标签天线。他们基于偶极子天线设计了915mhz的小型片状振子天线，在最大辐射方向上，增益为2.15dbi；他们还选择介电基板参数εr＝9.6、h＝4mm的陶瓷基板来设计1.5ghz正交圆极化微带天线，天线的增益约为4.0dbi。但这些天线至少存在以下问题：

7、(1)最大辐射方向不在所需的垂直方向上。

8、(2)标签天线不工作在2.4ghz。

9、而研究了市场上现有的2.4ghz天线，如蛇形天线、倒f天线、螺旋天线等，发现也至少存在以下问题：

10、(1)为满足较为广泛的市场需求，现有的2.4ghz天线的方向性较弱，在垂直方向无法达到最佳性能。效果较好的2.4ghz天线仅能到达约为1.5的电压驻波比，垂直方向辐射效率约为90％，无法满足轨道交通精准定位系统的标签天线参数需求。

11、(2)市场上的天线需要使用同轴线缆和小型射频连接器接口(sma)与rfid标签连接，无法与标签电路进行高度集成，会进一步影响标签的后续量产和安装。

12、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供了一种用于轨道交通精准定位系统的rfid标签天线及系统，能方便集成到pcb板中，达到最优指标，满足轨道交通精准定位系统对工作频率和在垂直方向上辐射效率的需求，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种用于轨道交通精准定位系统的rfid标签天线，该rfid标签天线为印刷偶极子天线，包括：

4、介质层、偶极子天线臂、微带巴伦线、微带传输线和天线馈电面，其中，

5、所述介质层采用相对介电常数εr为4.4、厚度为1.6mm的fr4材质介质层；

6、所述介质层的两面分别贴附金属导体构成两条偶极子天线臂、微带传输线和三角形的微带巴伦线；

7、所述微带传输线的底部为所述天线馈电面；

8、所述微带传输线的长度l1为22mm；

9、所述对称设置的两条偶极子天线臂的长度l2均为21mm～22mm；

10、所述三角形的微带巴伦线的两条直角边的长度l3均为8mm～8.1mm。

11、一种轨道交通精准定位系统，包括：阅读器和rfid标签；所述rfid标签的标签天线采用本发明所述的rfid标签天线，该rfid标签天线集成在所述rfid标签的印刷电路中，与所述rfid标签的印刷电路电气连接。

12、与现有技术相比，本发明所提供的用于轨道交通精准定位系统的rfid标签天线及系统，其有益效果包括：

13、通过采用印刷偶极子天线作为该rfid标签天线，能方便集成到rfid标签的印刷电路中，便于生产与安装；通过采用特定的fr4材质介质层，配合特定长度的两条天线臂和特定直角边长度的三角形的微带巴伦线，使得该rfid标签天线谐振频率能准确工作在2.4ghz，且在垂直方向上的辐射效率约为95.05％，满足轨道交通定位系统的电压驻波比接近1和辐射效率超过92％的全部需求。该rfid标签天线结构简单、使用方便，性能好，能很好的满足轨道交通精准定位系统对工作频率和在垂直方向上辐射效率的需求。

技术特征：

1.一种用于轨道交通精准定位系统的rfid标签天线，其特征在于，该rfid标签天线为印刷偶极子天线，包括：

2.根据权利要求1所述的用于轨道交通精准定位系统的rfid标签天线，其特征在于，所述对称设置的两条偶极子天线臂的长度l2均为21.76mm；

3.根据权利要求1所述的用于轨道交通精准定位系统的rfid标签天线，其特征在于，所述微带传输线的宽度w1为：3mm；

4.根据权利要求1或2所述的用于轨道交通精准定位系统的rfid标签天线，其特征在于，所述介质层的尺寸为：长为60mm，宽为40mm。

5.一种轨道交通精准定位系统，包括：阅读器和rfid标签；其特征在于，所述rfid标签的标签天线采用权利要求1-4任一项所述的rfid标签天线，该rfid标签天线集成在所述rfid标签的印刷电路中，与所述rfid标签的印刷电路电气连接。

技术总结
本发明公开了一种用于轨道交通精准定位系统的RFID标签天线及系统，该RFID标签天线为印刷偶极子天线，包括：介质层、偶极子天线臂、微带巴伦线、微带传输线和天线馈电面，其中，介质层采用相对介电常数ε<subgt;r</subgt;为4.4、厚度为1.6mm的FR4材质介质层；介质层的两面分别贴附金属导体构成两条偶极子天线臂、微带传输线和三角形的微带巴伦线；微带传输线底部为天线馈电面；两条偶极子天线臂的长度L2均为21mm～22mm；三角形的微带巴伦线的侧边直角边的长度L3为8mm～8.1mm。优化后偶极子天线臂长度L2均为21.76mm；三角形的微带巴伦线的侧边直角边长度L3为8.05mm。该RFID标签天线结构简单、使用方便，性能好，能很好满足轨道交通精准定位系统对工作频率和在垂直方向上辐射效率的需求。

技术研发人员：陆欣月,龚伟
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6