專利名稱：一款應(yīng)用于uhf頻段rfid系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種射頻識別電子標(biāo)簽，其特征是工作于超高頻段、應(yīng)用在車牌上。
背景技術(shù)：
射頻識別(Radio Frequency Identification，簡稱RFID)是一種通過無線射頻方式進行非接觸式的雙向數(shù)據(jù)通信，從而對目標(biāo)加以識別的技術(shù)。射頻識別系統(tǒng)一般由閱讀器(Reader)和電子標(biāo)簽(Tag)組成。電子標(biāo)簽由片上天線和芯片組成，通過電磁波與閱讀器進行數(shù)據(jù)交換，具有智能讀寫和加密通信功能。天線是RFID系統(tǒng)中至關(guān)重要的裝置， RFID系統(tǒng)通過射頻天線來實現(xiàn)發(fā)射、接收電磁波，從而實現(xiàn)閱讀器對電子標(biāo)簽的識別。射頻識別系統(tǒng)主要工作在低頻、高頻、超高頻和微波頻段。低頻和高頻射頻系統(tǒng)通過電感耦合的方式完成識別，讀取距離近。而超高頻和微波射頻系統(tǒng)通過電磁波傳遞的方式完成識別，讀取距離較遠。目前，國際標(biāo)準(zhǔn)推薦超高頻(Ultra High Frequency，簡稱 UHF)頻段RFID設(shè)備的使用頻率是860MHz 960MHz。其中，北美使用的頻段是902MHz 928MHz，歐洲使用的頻段是865MHz 868MHz。中國信息產(chǎn)業(yè)部于2007年四月發(fā)布了 UHF頻段RFID系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)定，中國采用840MHz 845MHz和920MHz 925MHz作為UHF頻段RFID 系統(tǒng)使用頻段，無線發(fā)射設(shè)備的功率規(guī)定為2W ERP0電子標(biāo)簽分為有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽，有源標(biāo)簽自身攜帶電池為其與閱讀器通信提供能量，而無源標(biāo)簽則通過標(biāo)簽天線接收從閱讀器發(fā)送的電磁波獲得能量激活芯片。超高頻段的射頻對金屬非常敏感，當(dāng)超高頻標(biāo)簽放置在金屬表面時，標(biāo)簽的讀取距離會迅速減小，甚至不能讀取。這是因為金屬這樣的邊界條件改變了標(biāo)簽天線的輻射效率、阻抗匹配和方向圖。而相當(dāng)一部分的超高頻射頻應(yīng)用中，需要將標(biāo)簽貼于金屬表面，如車輛、集裝箱和金屬盒等等。因為平面天線結(jié)構(gòu)標(biāo)簽制作成本低，更適合大規(guī)模生產(chǎn)，所以研究平面結(jié)構(gòu)的抗金屬標(biāo)簽天線很有實際價值。而目前現(xiàn)有的可應(yīng)用在金屬背景的平面結(jié)構(gòu)標(biāo)簽天線的識讀距離一般在IOm以內(nèi)，已有的天線要么帶寬好增益很低，要么增益高帶寬很窄。如何克服這個問題是本發(fā)明的研究重點。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明針對車牌的具體應(yīng)用提出一種寬帶、高增益的超高頻抗金屬標(biāo)簽天線。該抗金屬天線具有寬帶、高增益特性，其可置于高3mm、平面大小為90mm*65mm的金屬腔體中。該天線可形成諧振雙頻，_3dB帶寬為900MHz 944MHz， 在915MHz處的增益達4. 77dBi。采用合適的讀寫器，本發(fā)明抗金屬天線在美國902MHz 928MHz頻段內(nèi)的理論識讀距離大于16米。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是設(shè)計一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，其包括金屬底板、介質(zhì)板、金屬過孔和天線結(jié)構(gòu)。天線結(jié)構(gòu)在介質(zhì)板上表面，金屬底板在介質(zhì)板的下表面，天線結(jié)構(gòu)通過金屬過孔和金屬底板連通。其中，天線結(jié)構(gòu)包含不對稱的金屬輻射面、第一饋線、第二饋線、連接輻射面且平行于饋線的兩段開路線。第一饋線右側(cè)和第二饋線左側(cè)連接標(biāo)簽芯片，第一饋線左側(cè)通過打孔方式實現(xiàn)短路，第二饋線右側(cè)連接不對稱的輻射面。天線的輻射面不對稱，使得電流路徑不同，從而使得天線的雙頻逼近同一諧振點，擴大了天線帶寬。通過加入饋線附近的兩段開路線，增加了電流路徑，有益于天線輻射模式的擴展。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下的優(yōu)點和有益效果(1)本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線以輻射面不對稱的方式，使得電流路徑不同，通過調(diào)節(jié)使得天線的雙頻逼近同一諧振點附近，擴大了天線帶寬。(2)本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線通過金屬過孔，連接平面天線結(jié)構(gòu)和金屬接地板，增大了天線增益。(3)本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線應(yīng)用在金屬腔體中， 具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點。(4)本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線在900MHZ-940MHZ范圍內(nèi)的理論讀取距離大于16m，可應(yīng)用于高速行駛的車輛識別系統(tǒng)中。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進一步說明。圖1是一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線俯視圖；圖3是一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線側(cè)視圖；圖4是一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線的阻抗曲線圖，圖中實線表示電阻，虛線表示電抗；圖5是一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線的反射系數(shù)曲線圖；圖6是一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線的增益隨頻率變化曲線圖；圖7是一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線的理論讀取距離隨頻率變化曲線圖；圖中，1為輻射面，2、3為凹槽內(nèi)開路線，4為第二饋線，5為第一饋線，6為金屬過孔，7為標(biāo)簽芯片，8為金屬底板，9為天線層，10為介質(zhì)板。
具體實施例方式本方案為覆蓋美國超高頻射頻識別頻率、應(yīng)用于識讀距離大于16m的車牌識別場合的抗金屬標(biāo)簽天線。本發(fā)明的標(biāo)簽天線通過采用短路短截線實現(xiàn)超高頻抗金屬標(biāo)簽天線的設(shè)計，標(biāo)簽芯片采用NXP G2型號超高頻射頻標(biāo)簽，芯片在915MHz時的阻抗為(16_j*148) Ohm。下面針對本發(fā)明抗金屬標(biāo)簽天線并結(jié)合附圖進行詳細說明。本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線，天線結(jié)構(gòu)包含1、輻射面 2、開路線3、開路線4、第二饋線5、第一饋線6、金屬過孔7、標(biāo)簽芯片。輻射面1和饋線4和 5之間形成凹槽，調(diào)節(jié)凹槽的嵌入深度和寬度可以改變天線的諧振頻率和匹配程度。第一饋線的右側(cè)有金屬過孔6，穿過介質(zhì)板10與金屬底板8連通。天線的輻射面關(guān)于饋線4和 5不對稱，使得電流路徑不同，通過尺寸調(diào)節(jié)，可將天線的雙頻移至同一諧振點附近，從而擴大天線帶寬。而凹槽中與饋線平面的兩段開路線，增加了電流路徑，益于天線輻射模式的擴展。本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線，介質(zhì)基板采用聚四氟乙烯材料，相對介電常數(shù)為3. 38，損耗角正切為0. 002，介質(zhì)板厚度為3. 04mm。1、輻射面2、開路線3、開路線4、第二饋線5、第一饋線7、標(biāo)簽芯片同屬于介質(zhì)基板10的上表面，而金屬底板 8屬于介質(zhì)基板10的下表面。上、下表面通過金屬過孔6連通。對于超高頻射頻識別標(biāo)簽，其芯片阻抗一般是復(fù)數(shù)。為了實現(xiàn)天線與芯片之間的最大能量傳輸，需要天線的輸入阻抗和芯片阻抗共軛匹配，即實部相等、虛部相反。這也就要求標(biāo)簽天線的輸入阻抗的實部和虛部都有一定的調(diào)節(jié)能力。對于該抗金屬標(biāo)簽天線，其屬于微帶貼片結(jié)構(gòu)，串聯(lián)了一段短路短截線。由射頻電路知識可知，通過調(diào)節(jié)第二饋線5的長度，可以改變短路點的位置，從而調(diào)節(jié)電抗分量。而凹槽的嵌入深度和寬度對該天線的阻抗都有較大影響，所以可以通過調(diào)節(jié)以上結(jié)構(gòu)實現(xiàn)天線與芯片的匹配。本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線的輻射面1的總長度為 86mm，寬度為57mm。輻射面中的凹槽嵌入深度為30mm，寬度為14mm。第一饋線的長度為 4. 6mm,寬度為3mm。第二饋線的長度為22. 4mm,寬度為3mm。開路線3和4的長度為19mm， 寬度為1mm。該抗金屬標(biāo)簽天線的輻射面采用了不對稱的結(jié)構(gòu)，這樣利于帶寬擴展。通過 HFSS電磁仿真，天線的阻抗曲線、反射系數(shù)曲線分別如圖4和5。從圖中可以看出，天線在 915MHz附近形成了諧振雙頻，從阻抗特性來看，主要是因為電抗曲線在該頻率附近上下波動。該抗金屬天線的_3dB帶寬為900MHz 944MHz，符合美國RFID頻段的要求。天線的增益隨頻率的變化曲線如圖6，可以看出，在美國頻段902MHz 928MHz，增益在4. 5dBi以上。本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線放置在車牌中，四周的高度為3mm，可認為工作在3mm嵌入深度的金屬腔體中。采用GSIT公司生產(chǎn)的讀寫器天線，其天線增益為12dBi水平極化，接入天線功率0.5W?？紤]到該抗金屬天線極化方式也為線極化，所以只要放置的位置合理，便可以減小由極化帶來的能量損耗。圖7給出了不考慮極化損耗時，該抗金屬天線的理論讀取距離?？梢钥闯觯诿绹?02MHz 928MHz頻段，該天線的識讀距離大于16米。上述方案只是本發(fā)明的一種具體實施方式
，在符合本發(fā)明的特征下可以有多種不同應(yīng)用方案，但這些應(yīng)用方案只要符合本發(fā)明的特征，都應(yīng)屬于本發(fā)明的權(quán)利保護范圍。
權(quán)利要求
1.一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，其特征在于包含上層天線結(jié)構(gòu)、 中層介質(zhì)板和下層金屬底板，上層的天線通過金屬過孔(6)與下層的底板連通。上層的天線結(jié)構(gòu)包含不對稱的金屬輻射面(1)、第一饋線(5)、第二饋線(4)、連接輻射面且平行于饋線的兩段開路線(2)和(3)。從饋源看去，該天線的輻射面不對稱，這樣使得天線的電流路徑不對稱，從而增加了天線的輻射模式。不對稱的輻射面(1)中間形成凹槽，調(diào)節(jié)凹槽的嵌入深度和寬度可以調(diào)節(jié)天線諧振頻率和匹配度。第一饋線(5)和第二饋線(6)中間連接標(biāo)簽芯片(7)，第一饋線(5)的另一端短路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，其特征在于，該天線第一饋線(5)通過金屬過孔和金屬底板連通，形成了短路短截線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，其特征在于，輻射面(1)關(guān)于饋源不對稱，通過調(diào)節(jié)輻射面的形狀和大小，將諧振雙頻調(diào)至同一諧振頻率附近，擴大天線的帶寬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，其特征在于，不對稱的輻射面(1)中間形成凹槽，在凹槽中增加兩條開路線，增大了耦合，改善了匹配情況。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，其特征在于，可根據(jù)實際應(yīng)用情況調(diào)整介質(zhì)板的厚度，以及天線與應(yīng)用物體的一體化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，其特征在于，饋電的位置可視具體應(yīng)用情況而調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明一款應(yīng)用于UHF頻段RFID系統(tǒng)的抗金屬標(biāo)簽天線，涉及射頻識別電子標(biāo)簽技術(shù)領(lǐng)域。天線主要由金屬底板、介質(zhì)板以及位于介質(zhì)板上表面的天線結(jié)構(gòu)三部分組成。天線結(jié)構(gòu)在介質(zhì)板上表面，金屬底板在介質(zhì)板下表面，天線結(jié)構(gòu)通過金屬過孔和金屬底板連通。該天線結(jié)構(gòu)主要由不對稱的金屬輻射面和連接輻射面并平行于饋線的開路線組成。芯片兩邊的饋線分別連接金屬輻射面以及金屬過孔。天線的輻射面不對稱，使得電流路徑不同，從而使得天線的雙頻逼近同一諧振點，從而擴大天線帶寬。本發(fā)明抗金屬標(biāo)簽天線同時獲得了高增益和較大的帶寬，在美國頻段902MHz～928MHz內(nèi)，其理論讀取距離在16米以上。該抗金屬天線可應(yīng)用在識讀距離大的場合中，如車牌識別。
文檔編號H01Q1/38GK102437421SQ20111026419
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月7日
發(fā)明者張陳乾, 徐婷婷, 李文勛, 李秀萍, 鄒琴 申請人:北京郵電大學(xué)