專利名稱：電容和電感耦合的超高頻rfid通用標簽天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無線電領域，具體來說，本發(fā)明涉及一種用于超高頻射頻識別(RFID)系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線。
背景技術：
隨著現(xiàn)代社會的日益進步和信息管理領域的巨大需求，RFID技術已經(jīng)逐步應用到眾多行業(yè)，如物流與供應鏈管理、防偽和安全控制、交通管理和控制、生產(chǎn)管理等。RFID標簽具有體積小、容量大、壽命長、可重復使用等特點，可支持快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標識別、定位及長期跟蹤管理。將RFID標簽貼在靜止或移動的目標上，可高效地獲取目標信息數(shù)據(jù)。
在RFID系統(tǒng)中，天線是一種以電磁波形式接收或輻射無線電收發(fā)機的射頻信號功率的裝置，是標簽與讀寫器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。無線電發(fā)射機輸出的射頻信號功率，通過饋線輸送到天線本體，以電磁波形式輻射出去。電磁波到達接收地點后，由天線接收下來，并通過饋線發(fā)送到無線電接收機。通常來說，RFID系統(tǒng)的標簽天線設計需要考慮如下因素天線類型、天線阻抗、天線與射頻標簽集成后的射頻性能，以及有其它的物品圍繞貼標簽物品時的射頻性能。
工作在超高頻UHF(300MHz～3GHz)的被動式電子標簽利用遠場來進行電磁波的傳播，通常使用偶極子形式的標簽天線。為了達到最大的能量傳輸效率，偶極子的長度必須等于λ/2(λ為介質中波的波長)，在UHF頻段，例如915MHz處大約為150mm。在實際設計中，通常偶極子天線是由兩個λ/4長度的天線共同構成的。背離這一尺寸將對性能產(chǎn)生巨大影響。天線的輸入阻抗zA也是天線的一個很重要的特征，一般由一個復阻抗xA，一個損耗電阻Rr和輻射電阻Rr構成。其中損耗電阻Rv用來描述功率轉換為熱能的總損耗，需要在設計中盡量減?。惠椛潆娮鑂r用來表示天線的電磁波輻射功率，需要在設計中盡量增強；在工作頻率(即天線的諧振頻率)下，天線的復阻抗xA為零。因此一種理想的天線在諧振的情況下，其輸入阻抗等于輻射電阻Rr。
傳統(tǒng)的天線都是基于上述設計思路來設計。但是RFID系統(tǒng)的實際使用環(huán)境中，標簽天線由于受到外部介質的影響，所表現(xiàn)的阻抗通常是非標準的，而且多是復數(shù)阻抗。因此需要另外加入匹配網(wǎng)絡，即由電感和電容組成的網(wǎng)絡，以便將輸入阻抗轉變?yōu)榕c電子標簽芯片的容性阻抗共軛。
針對市場上種類繁多的電子標簽芯片，目前都是依賴專門的天線設計來匹配芯片不同的阻抗值，造成天線設計成本的增加。需要一種RFID電子標簽通用天線的結構，可以在低成本、低復雜度的基礎上通過簡單變化實現(xiàn)與不同阻抗的標簽芯片的良好匹配，同時還能夠保持天線具有足夠的工作帶寬，從而便于實現(xiàn)標簽天線的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的為提供一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，該標簽天線能夠通過簡單調整，與不同標簽芯片實現(xiàn)阻抗匹配，同時保證在工作頻帶范圍內具有足夠的工作帶寬。
本發(fā)明所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，由介電襯底和設置在介電襯底上的天線單元組成，其中，天線單元包括a)第一天線元件，為天線單元主體，包括第一導體和第二導體，由直線或彎折線組成，可用于控制工作頻率，提供與第二和第三天線元件的耦合；b)第二天線元件，為第一天線元件提供良好的電容性耦合，并實現(xiàn)在一定范圍內的天線電容值可調；c)第三天線元件，位于第一天線元件的第二導體和第二天線元件組成的閉合空間里，根據(jù)其形狀和面積以及在閉合空間內的相對位置，為第一天線元件提供良好的電感性耦合，并實現(xiàn)在一定范圍內的天線電感值可調。
所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，標簽天線具有的第二阻抗值與標簽芯片具有的第一阻抗值實分量大小相等，虛分量大小相等、相位相反。
所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，第二天線元件與第一天線元件形成相對閉合空間或閉環(huán)路徑，第三天線元件在此閉合空間內，形成電感。
所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，第二天線元件與第一天線元件相連，連接點處于第一天線元件的第一導體和第二導體的連接位置處，同時可以選擇處于第二天線元件的任意位置。
所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，第二天線元件包括與第一天線元件相連導體線、第一豎直短導體線、水平連接導體線和第二豎直連接導體線，其中與第一天線元件相連導體線向下延伸與第一豎直短線導體相對，通過焊盤連接連接到標簽芯片，并依次連接第一豎直短導體線、水平連接導體線和第二豎直連接導體線，第二豎直連接導體線向上延伸與第一天線元件的第二導體的最外端導體線相對，之間形成一個空隙。
所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，第三天線元件在第一天線元件的第二導體與第二天線元件的水平連接導體線之間的閉合空間中，形狀可以是多邊形、圓形或是其它任何形狀。
所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，第一天線元件的第一導體和第二導體由若干個彎折元素構成，可以具有對稱相似的結構，也可以具有非對稱結構。
所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，第一天線元件、第二天線元件和第三天線元件均由導線、成形導電箔、印刷導電軌跡或導電油墨制成。
所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，介電襯底包括第一側面和與第一側面相對的第二側面，標簽天線置于第一側面，標簽芯片也置于第一側面。


圖1是本發(fā)明的RFID標簽的一個實施例的俯視2是本發(fā)明的RFID標簽的一個實施例的側視圖具體實施方式
本發(fā)明涉及一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，在通常RFID電子標簽的設計基礎上，利用第一天線元件、第二天線元件和第三天線元件產(chǎn)生電容與電感的耦合效應，以此拓寬天線阻抗的調節(jié)范圍，協(xié)助匹配和平衡芯片的復數(shù)阻抗，使接收到的射頻信號功率更有效地耦合到標簽芯片中，同時保持較寬頻帶下電子標簽的正常工作。
圖1是本發(fā)明涉及的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線的一個具體實施例的俯視圖。本實施例的RFID標簽天線1用在UHF頻段內，主要的頻率范圍在840～960MHz區(qū)間的120MHz帶寬范圍內。RFID標簽天線1包括介電襯底11，該介電襯底11具有第一側面111和與第一側面相對的第二側面112，天線12連接到介電襯底11的第一側面111。優(yōu)選地通過本領域已知任何設備，如通過壓敏貼片、可固化的粘連膜或直接放在襯底上，天線12可連在介電襯底11上。RFID標簽天線1還包括連在介電襯底11的第一側面111上的標簽芯片5。標簽芯片5可通過本領域已知的任何方式，如通過各向同性導電膠(ICA)互聯(lián)、各向異性導電膠(ACA)互聯(lián)、非導電膠(NCA)互聯(lián)和鍵合互聯(lián)等幾種方式連在介電襯底11上。
天線12包括第一天線元件2，第二天線元件3和第三天線元件4。第一天線元件2由第一導體20和第二導體21構成偶極子天線，可用于控制工作頻率，提供與第二和第三元件的耦合。導體20、21分別由若干個彎折元素200和210構成。彎折元素200和210有助于減小第一天線元件2的整個物理長度，增加其有效電長度。在一個優(yōu)選實施例中，彎折元素200與210是不相同的；在另一個優(yōu)選實施例中，彎折元素200和210采用不同于垂直彎曲的方式，比如三角形、梯形或者光滑曲線的方式來實現(xiàn)；在另一個優(yōu)選實施例中，第一導體20和第二導體21由不同個數(shù)的彎折元素200和210組成；在又一個優(yōu)選實施例中，彎折元素200和210的排列方式有適當?shù)氖杷苫蚓o密的排列變化。基于本領域的基本知識，通過選擇彎折元素的大小、深度、個數(shù)、排列緊密度和彎折方式等，可以調整天線12的工作頻帶和整體天線的阻抗特性和損耗特性。
第一天線元件2的第一導體20和第二導體21相連的地方為圖中所示點22，第一天線元件2的第一導體20最外端導體201和點22之間的測量長度為“c”，可以等于或不等于第二導體21最外端導體211和點22之間的測量長度“d”，可以基于本領域的基本知識選擇c和d的長度以決定天線的工作頻帶和整體的阻抗特性。
第二天線元件3包括與第一天線元件相連導體線23、豎直短線導體31、水平連接導體線32和第二豎直連接導體線33。與點22相連的與第一天線元件相連導體線23向下延伸與豎直短導體線31相對，與第一天線元件相連導體線23與豎直短導體線31相對的地方形成連接端24。其中，連接端24電連接到標簽芯片5，可通過標簽芯片5的焊盤連接。第二豎直連接導體線33向上延伸與第一天線元件2的第二導體21的最外端導體線211相對，形成一空隙25，通過調整空隙25的寬度可以產(chǎn)生所需要的天線電抗值(表現(xiàn)為容性)。增加空隙25的的寬度，天線的電容值減?。粶p小空隙的寬度，天線的電容值增加。在一個優(yōu)選實施例中，導體32的寬度可以控制，與空隙25一起對天線的電容值產(chǎn)生影響，從而調整到所需的最優(yōu)匹配的阻抗值。
第三天線元件4在第一天線元件2的第二導體21與第二天線元件3的水平連接導體線32之間的閉合空間中，表現(xiàn)為由導線、成形導電箔、印刷導電軌跡或導電油墨制成的點、線及面，可以通過本領域內熟知的方法計算第三天線元件4的感抗，以實現(xiàn)與標簽芯片5的阻抗中感抗分量大小相等、相位相反。通過本領域內熟知的方法計算出的第三天線元件4的容抗，可以幫助平衡由第二天線元件3產(chǎn)生的容抗，從而在更細微的范圍內對天線的整體阻抗進行精確控制。在不同優(yōu)選實施例中，第三天線元件4的形狀、大小和相對位置不同，使得天線12中各部分導體的電流分布不同，基于本領域的基本知識所計算的阻抗值也不同。通過第二天線元件3和第三天線元件4的不同變化一起作用，除了可在較大范圍內提高與標簽芯片的阻抗匹配性能，還能使天線保持在較寬頻帶下的正常工作。
介電襯底11可以是現(xiàn)有技術的任何已知的介電材料。用于襯底11的適當?shù)慕殡姴牧习埌?、聚對苯二甲酸乙二醇?通稱為聚酯或PET材料)、聚萘二甲乙二醇酯(統(tǒng)稱為PEN材料)、PET和PEN的共聚物、聚苯乙烯、聚酰亞胺、PVC、聚丙烯和FR4 PCB基板上等等。介電襯底的厚度一般在0.005mm到2.0mm之間。
天線12可以是由任何類型的半導體材料，比如導線、導電金屬圖形(如金屬箔、蝕刻鋁、銅等)、印刷導電圖(導電墨水，或其他含金屬材料，如銀、銅、石墨等)。
在RFID工作頻帶中，現(xiàn)有技術無法實現(xiàn)天線12的復數(shù)阻抗與標簽芯片5的復數(shù)阻抗之間的精確匹配。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明只需調整第三天線元件4的空隙25便可以實現(xiàn)上述復數(shù)阻抗之間的近似匹配，從而使信號功率更好地從天線12耦合到標簽芯片5中。
以上的參考實例描述了本發(fā)明，但是僅僅是為了理解清楚，給出上述詳細描述和例子。不應由此理解不必要的限制。在此所述的所有專利和專利申請在此引入以供參考，對于本領域的技術人員來說，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，可以在所述的實施例中做許多的改變。因此本發(fā)明的范圍不應當限制到在此所述的具體細節(jié)和結構，而是由權利要求的語言所述的結構以及這些結構的等效來限定。
權利要求
1.一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，其特征在于由介電襯底和設置在介電襯底上的天線單元組成，其中，天線單元包括a)第一天線元件，為天線單元主體，包括第一導體和第二導體，由直線或彎折線組成，可用于控制工作頻率，提供與第二和第三天線元件的耦合；b)第二天線元件，為第一天線元件提供良好的電容性耦合，并實現(xiàn)在一定范圍內的天線電容值可調；c)第三天線元件，位于第一天線元件的第二導體和第二天線元件組成的閉合空間里，根據(jù)其形狀和面積以及在閉合空間內的相對位置，為第一天線元件提供良好的電感性耦合，并實現(xiàn)在一定范圍內的天線電感值可調。
2.如權利要求1所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，其特征在于標簽天線具有的第二阻抗值與標簽芯片具有的第一阻抗值實分量大小相等，虛分量大小相等、相位相反。
3.如權利要求1所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，其特征在于第二天線元件與第一天線元件形成相對閉合空間或閉環(huán)路徑，第三天線元件在此閉合空間內，形成電感。
4.如權利要求1所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，其特征在于第二天線元件與第一天線元件相連，連接點處于第一天線元件的第一導體和第二導體的連接位置處，同時可以選擇處于第二天線元件的任意位置。
5.如權利要求1所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，其特征在于第二天線元件包括與第一天線元件相連導體線、第一豎直短導體線、水平連接導體線和第二豎直連接導體線，其中與第一天線元件相連導體線向下延伸與第一豎直短線導體相對，通過焊盤連接連接到標簽芯片，并依次連接第一豎直短導體線、水平連接導體線和第二豎直連接導體線，第二豎直連接導體線向上延伸與第一天線元件的第二導體的最外端導體線相對，之間形成一個空隙。
6.如權利要求1所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，其特征在于第三天線元件在第一天線元件的第二導體與第二天線元件的水平連接導體線之間的閉合空間中，形狀可以是多邊形、圓形或是其它任何形狀。
7.如權利要求1所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，其特征在于第一天線元件的第一導體和第二導體由若干個彎折元素構成，可以具有對稱相似的結構，也可以具有非對稱結構。
8.如權利要求1所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，其特征在于第一天線元件、第二天線元件和第三天線元件均由導線、成形導電箔、印刷導電軌跡或導電油墨制成。
9.如權利要求1所述的一種用于超高頻RFID系統(tǒng)的電容和電感耦合的通用電子標簽天線，其特征在于介電襯底包括第一側面和與第一側面相對的第二側面，標簽天線置于第一側面，標簽芯片也置于第一側面。
全文摘要
用于超高頻射頻識別標簽的天線設計。具體地，本發(fā)明涉及設計電容和電感耦合的標簽天線，由介電襯底和設置在介電襯底上的天線單元組成，該天線單元包括a)第一元件，為天線單元主體，包括第一導體和第二導體，由直線或彎折線組成，用于控制工作頻率；b)第二元件，為第一元件提供良好的電容性耦合，并實現(xiàn)一定范圍內的天線電容值可調；c)第三元件，位于第一元件的第二導體和第二元件組成的閉合空間里，根據(jù)其形狀和面積以及在閉合空間內的相對位置，為第一元件提供良好的電感性耦合，并實現(xiàn)一定范圍內的天線電感值可調。該標簽天線能夠通過簡單調整，與不同標簽芯片實現(xiàn)阻抗匹配，同時保證在工作頻帶范圍內具有足夠帶寬。
文檔編號H01Q9/04GK101090175SQ20071011918
公開日2007年12月19日 申請日期2007年7月18日 優(yōu)先權日2007年7月18日
發(fā)明者李秀萍, 杜挺 申請人:北京郵電大學