專利名稱：讀寫器、電子標(biāo)簽和射頻識別系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，具體地，涉及讀寫器、電子標(biāo)簽和射頻識別系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)或雷達反射的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。RFID系統(tǒng)至少包含電子標(biāo)簽和閱讀器兩部分，其中電子標(biāo)簽附在物體上面并包含有唯一的ID號和物品的信息；讀寫器用于讀取電子標(biāo)簽上的信息，從而實現(xiàn)物體的自動識另Ij15RFID系統(tǒng)工作時，由讀寫器通過讀寫器天線發(fā)出射頻信號，電子標(biāo)簽通過標(biāo)簽天線接收到讀寫器發(fā)出的讀寫指令后，返回射頻信號進行響應(yīng)，把ID號和物品信息傳遞給讀寫器，從而實現(xiàn)物品自動識別。 現(xiàn)有的天線主要為偶極子天線和PIFA天線，此類天線尺寸、帶寬、增益等重要指標(biāo)受到了基本物理原理的限制(固定尺寸下的增益極限、帶寬極限等)。這些指標(biāo)極限的基本物理原理使得天線的小型化技術(shù)難度遠遠超過了其它器件，而由于射頻器件的電磁場分析的復(fù)雜性，逼近這些極限值都成為了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此當(dāng)在設(shè)計中遇到天線使用空間小、工作頻率低、工作在多模問題時，其就顯得力不從心。為解決上述問題，現(xiàn)有技術(shù)的解決方案一般是通過在天線外部額外設(shè)置匹配線路來實現(xiàn)多模的輻射要求。加入匹配網(wǎng)絡(luò)后，功能上是可實現(xiàn)低頻、多模的工作要求，但是由于非常大的一部分能量損失在匹配網(wǎng)絡(luò)上，其輻射效率將極大的降低。因此，小天線在面對現(xiàn)有終端設(shè)備小體積、低工作頻率、寬帶多模等問題時，設(shè)計的過程中受到了極大的制約。對于讀寫器和電子標(biāo)簽而言，其對應(yīng)的天線的小型化也是亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的一個技術(shù)問題在于，針對上述缺陷，提供進一步縮短天線尺寸并在低工作頻段工作良好的讀寫器、電子標(biāo)簽和射頻識別系統(tǒng)。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種讀寫器，與電子標(biāo)簽進行通信，包括射頻識別讀寫器天線，所述射頻識別讀寫器天線包括射頻識別讀寫器天線，所述射頻識別讀寫器天線包括介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板具有相對的第一表面及第二表面，所述介質(zhì)基板的第一表面設(shè)置有輻射金屬片以及圍繞輻射金屬片設(shè)置的饋線，所述輻射金屬片形成有微槽結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明所述的讀寫器中，所述介質(zhì)基板的第二表面設(shè)置有接地金屬片，所述接地金屬片與輻射金屬片電連接。在本發(fā)明所述的讀寫器中，所述接地金屬片與輻射金屬片通過金屬化通孔電連接。在本發(fā)明所述的讀寫器中，所述微槽結(jié)構(gòu)包括互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)、互補式螺旋線結(jié)構(gòu)、開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、雙開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、互補式彎折線結(jié)構(gòu)以及通過前面幾種結(jié)構(gòu)衍生、復(fù)合或組陣得到的微槽結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供一種電子標(biāo)簽，與讀寫器進行通信，其特征在于，包括射頻識別標(biāo)簽天線，所述射頻識別標(biāo)簽天線包括介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板具有相對的第一表面及第二表面，所述介質(zhì)基板的第一表面設(shè)置有輻射金屬片以及圍繞輻射金屬片設(shè)置的饋線，所述輻射金屬片形成有微槽結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明所述的電子標(biāo)簽中，所述介質(zhì)基板的第二表面設(shè)置有接地金屬片，所述接地金屬片與輻射金屬片電連接。在本發(fā)明所述的電子標(biāo)簽中，所述接地金屬片與輻射金屬片通過金屬化通孔電連 接。在本發(fā)明所述的電子標(biāo)簽中，所述微槽結(jié)構(gòu)包括互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)、互補式螺旋線結(jié)構(gòu)、開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、雙開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、互補式彎折線結(jié)構(gòu)以及通過前面幾種結(jié)構(gòu)衍生、復(fù)合或組陣得到的微槽結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供一種射頻識別系統(tǒng)，至少包括電子標(biāo)簽和如上所述的讀寫器，所述讀寫器通過射頻識別讀寫器天線與所述電子標(biāo)簽通信。本發(fā)明還提供另一種射頻識別系統(tǒng)，至少包括讀寫器和如上所述的電子標(biāo)簽，所述電子標(biāo)簽通過射頻識別標(biāo)簽天線與所述讀寫器通信。實施本發(fā)明的技術(shù)方案，具有以下有益效果利用超材料的特殊電磁響應(yīng)設(shè)計出輻射具有非常豐富的色散特性、可以形成多種輻射模式的新型電子標(biāo)簽或讀寫器天線。本發(fā)明可免去繁瑣的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，具有尺寸小、加工簡單、成本低廉的優(yōu)點。


圖I為本發(fā)明一種天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a為互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2b所示為互補式螺旋線結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2c所示為開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2d所示為雙開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2e所示為互補式彎折線結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3a為圖2a所示的互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)其幾何形狀衍生示意圖；圖3b為圖2a所示的互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)其擴展衍生示意圖；圖4a為三個圖2a所示的互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)合后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4b為兩個圖2a所示的互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)與圖5b所示為互補式螺旋線結(jié)構(gòu)的復(fù)合示意圖；圖5為四個圖2a所示的互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)組陣后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的射頻識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明的另一射頻識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式射頻識別系統(tǒng)的讀寫器包括射頻識別讀寫器天線，通過射頻識別讀寫器天線與電子標(biāo)簽進行通信。為了更好的描述本發(fā)明的射頻識別讀寫器天線的結(jié)構(gòu)，采用透視圖畫法，如圖I所示。應(yīng)當(dāng)注意的是，本發(fā)明提供的天線既適用于射頻識別讀寫器天線，也適用于射頻識別標(biāo)簽天線。超材料是由具有一定圖案形狀的人造微結(jié)構(gòu)按照特定方式周期排列于基材上而構(gòu)成。人造微結(jié)構(gòu)不同的圖案形狀和排列方式使得超材料具有不同的介電常數(shù)和不同的磁導(dǎo)率從而使得超材料具有不同的電磁響應(yīng)。其中，當(dāng)該人造微結(jié)構(gòu)處于諧振頻段時，該人造微結(jié)構(gòu)將表現(xiàn)出高度的色散特性，所謂高度的色散特性是指該人造微結(jié)構(gòu)的阻抗、容感性、等效的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率隨著頻率會發(fā)生劇烈的變化。本發(fā)明利用超材料的上述原理，設(shè)計一種天線，其利用人造微結(jié)構(gòu)的高度色散特性將微槽結(jié)構(gòu)形成于輻射金屬片上，該輻射金屬片和射頻天線的饋線耦合作用使得天線具有豐富的輻射特性從而省去了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計實現(xiàn)天線的小型化。上述的微槽結(jié)構(gòu)是人造微結(jié)構(gòu)的一種形式。同時由于輻射金屬片與接地金屬片之間存在介質(zhì)基板，根據(jù)介質(zhì)材料電磁特性的不同導(dǎo)致兩金屬片之間的電容值改變，使得天線的工作頻率也產(chǎn)生改變。下面以射頻識別讀寫器天線為例進行闡述。 如圖I所示，圖I為本發(fā)明天線的結(jié)構(gòu)示意圖。圖I中，射頻識別讀寫器天線包括介質(zhì)基板1，介質(zhì)基板I具有相對的第一表面及第二表面，介質(zhì)基板I的第一表面設(shè)置有輻射金屬片20以及圍繞輻射金屬片20設(shè)置的饋線10，輻射金屬片20形成有微槽結(jié)構(gòu)201。饋線10和該輻射金屬片20通過電容耦合方式饋入輻射金屬片20 ;輻射金屬片20上形成有微槽結(jié)構(gòu)201。輻射金屬片20以及在輻射金屬片20上形成的微槽結(jié)構(gòu)201使得輻射金屬片20構(gòu)成一個等效介電常數(shù)按照洛侖茲材料諧振模型色散的電磁材料從而實現(xiàn)改變天線輻射特性的目的。本發(fā)明的微槽結(jié)構(gòu)201可以是圖2a所示的互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)、圖2b所示的互補式螺旋線結(jié)構(gòu)、圖2c所示的開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、圖2d所示的雙開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、圖2e所示的互補式彎折線結(jié)構(gòu)中的一種或者是通過前面幾種結(jié)構(gòu)衍生、復(fù)合或組陣得到的微槽結(jié)構(gòu)。衍生分為兩種，一種是幾何形狀衍生，另一種是擴展衍生，此處的幾何形狀衍生是指功能類似、形狀不同的結(jié)構(gòu)衍生，例如由方框類結(jié)構(gòu)衍生到曲線類結(jié)構(gòu)、三角形類結(jié)構(gòu)及其它不同的多邊形類結(jié)構(gòu)；此處的擴展衍生即在圖2a至圖2e的基礎(chǔ)上開設(shè)新的槽以形成新的微槽結(jié)構(gòu)；以圖2a所示的互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)為例，圖3a為其幾何形狀衍生示意圖，圖3b為其幾何形狀衍生示意圖。此處的復(fù)合是指，圖2a至圖2e的微槽結(jié)構(gòu)多個疊加形成一個新的微槽結(jié)構(gòu)，如圖4a所示，為三個圖2a所示的互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)合后的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖2b所示,為兩個圖2a所示的互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)與圖2b所示為互補式螺旋線結(jié)構(gòu)共同復(fù)合后的結(jié)構(gòu)示意圖。此處的組陣是指由多個圖2a至圖2e所示的微槽結(jié)構(gòu)在同一金屬片上陣列形成一個整體的微槽結(jié)構(gòu)，如圖5所示，為多個如圖2a所示的互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)組陣后的結(jié)構(gòu)示意圖。以下均以圖2c所示的開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)為例闡述本發(fā)明。在輻射金屬片20上形成微槽結(jié)構(gòu)201的制造工藝有多種，例如蝕刻、鉆刻、光刻、電子刻、離子刻等，其中蝕刻是較優(yōu)的制造工藝，其步驟是在設(shè)計好合適的微槽結(jié)構(gòu)的拓撲圖案后，通過蝕刻設(shè)備，利用溶劑與金屬的化學(xué)反應(yīng)去除掉輻射金屬片上預(yù)設(shè)微槽結(jié)構(gòu)圖案的金屬部分，該輻射金屬片即形成了所述的超材料。上述輻射金屬片的材質(zhì)可以是銅、銀等任何金屬。請繼續(xù)參閱圖I。雖然輻射金屬片20和該輻射金屬片20上形成的微槽結(jié)構(gòu)201的設(shè)置已經(jīng)解決現(xiàn)有技術(shù)中的阻抗匹配復(fù)雜、阻抗損耗大、天線尺寸受限等問題，但是當(dāng)天線需要工作在低頻時，低頻段的電磁波對應(yīng)的波長較長，根據(jù)天線設(shè)計原理，天線饋線的電輻射長度將要增大。然而輻射金屬片20的設(shè)置并不能有效解決這個問題，常規(guī)的解決辦法是將天線饋線10圍繞輻射金屬片20多圈設(shè)置以增大饋線10對輻射金屬片20上形成的微槽結(jié)構(gòu)201的耦合饋電，但是此類設(shè)置必然使得饋線長度過長，饋線損耗增大從而使得天線性能下降。圖I中，在與輻射金屬片20相對的介質(zhì)一面增設(shè)有接地金屬片30。輻射金屬片20與接地金屬片30電連接。電連接的方式為通過在介質(zhì)上形成金屬化通孔40，當(dāng)然亦可通過其他常規(guī)電連接方式將輻射金屬片20與接地金屬片30電連接。接地金屬片30與輻射金屬片20容性耦合，對輻射金屬片20上形成的微槽結(jié)構(gòu)201耦合饋電。接地金屬片30對輻射金屬片20上形成的微槽結(jié)構(gòu)201耦合饋電有效的減 少了饋線10對輻射金屬片20上形成的微槽結(jié)構(gòu)201耦合饋電的需求。因此無需增長饋線10長度，且接地金屬片30面積調(diào)節(jié)簡單，針對不同的工作頻段只需調(diào)整接地金屬片30面積即可。且由于輻射金屬片20與接地金屬片30中間存在介質(zhì)基板，根據(jù)介質(zhì)材料電磁特性的不同將導(dǎo)致兩金屬片之間的電容值改變，使得天線的工作頻率也隨之改變。本發(fā)明還提供一種電子標(biāo)簽，該電子標(biāo)簽包括射頻識別標(biāo)簽天線，通過射頻識別標(biāo)簽天線與讀寫器進行通信。射頻識別標(biāo)簽天線的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計同上述的射頻識別讀寫器天線，即上文所述的內(nèi)容同樣適用于電子標(biāo)簽中的射頻識別標(biāo)簽天線，因此不再贅述。本發(fā)明還提供了一種射頻識別系統(tǒng)，如圖6所示，射頻識別系統(tǒng)600至少包括電子標(biāo)簽601和讀寫器602，讀寫器602包括如上所述的射頻識別讀寫器天線。射頻識別系統(tǒng)600工作時，由讀寫器602通過射頻識別讀寫器天線發(fā)出射頻信號，電子標(biāo)簽601通過標(biāo)簽天線接收到讀寫器602發(fā)出的讀寫指令后，返回射頻信號進行響應(yīng)，把ID號和物品信息傳遞給讀寫器602，從而實現(xiàn)物品自動識別。本發(fā)明還提供了另一種射頻識別系統(tǒng)，如圖7所示，射頻識別系統(tǒng)700至少包括電子標(biāo)簽701和讀寫器702，電子標(biāo)簽701包括與上述任一實施例所述的射頻識別讀寫器天線相同結(jié)構(gòu)的射頻識別標(biāo)簽天線。射頻識別系統(tǒng)700工作時，由讀寫器702通過讀寫器天線發(fā)出射頻信號，電子標(biāo)簽701通過射頻識別標(biāo)簽天線接收到讀寫器702發(fā)出的讀寫指令后，返回射頻信號進行響應(yīng)，把ID號和物品信息傳遞給讀寫器702，從而實現(xiàn)物品自動識別。RFID的應(yīng)用非常廣泛，目前典型應(yīng)用有動物晶片、汽車晶片防盜器、門禁管制、停車場管制、生產(chǎn)線自動化、物料管理等等。本發(fā)明利用超材料的特殊電磁響應(yīng)設(shè)計出輻射具有非常豐富的色散特性、可以形成多種輻射模式的新型電子標(biāo)簽或讀寫器天線。本發(fā)明可免去繁瑣的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，具有尺寸小、加工簡單、成本低廉的優(yōu)點。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種讀寫器，與電子標(biāo)簽進行通信，其特征在于，包括射頻識別讀寫器天線，所述射頻識別讀寫器天線包括介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板具有相對的第一表面及第二表面，所述介質(zhì)基板的第一表面設(shè)置有輻射金屬片以及圍繞輻射金屬片設(shè)置的饋線，所述輻射金屬片形成有微槽結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的讀寫器，其特征在于，所述介質(zhì)基板的第二表面設(shè)置有接地金屬片，所述接地金屬片與輻射金屬片電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的讀寫器，其特征在于，所述接地金屬片與輻射金屬片通過金屬化通孔電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的讀寫器，其特征在于，所述微槽結(jié)構(gòu)包括互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)、互補式螺旋線結(jié)構(gòu)、開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、雙開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、互補式彎折線結(jié)構(gòu)以及通過前面幾種結(jié)構(gòu)衍生、復(fù)合或組陣得到的微槽結(jié)構(gòu)。
5.一種電子標(biāo)簽，與讀寫器進行通信，其特征在于，包括射頻識別標(biāo)簽天線，所述射頻識別標(biāo)簽天線包括介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板具有相對的第一表面及第二表面，所述介質(zhì)基板的第一表面設(shè)置有輻射金屬片以及圍繞輻射金屬片設(shè)置的饋線，所述輻射金屬片形成有微槽結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子標(biāo)簽，其特征在于，所述介質(zhì)基板的第二表面設(shè)置有接地金屬片，所述接地金屬片與輻射金屬片電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子標(biāo)簽，其特征在于，所述接地金屬片與輻射金屬片通過金屬化通孔電連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子標(biāo)簽，其特征在于，所述微槽結(jié)構(gòu)包括互補式開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)、互補式螺旋線結(jié)構(gòu)、開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、雙開口螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)、互補式彎折線結(jié)構(gòu)以及通過前面幾種結(jié)構(gòu)衍生、復(fù)合或組陣得到的微槽結(jié)構(gòu)。
9.一種射頻識別系統(tǒng)，其特征在于，至少包括電子標(biāo)簽和如權(quán)利要求I 4任一項所述的讀寫器，所述讀寫器通過射頻識別讀寫器天線與所述電子標(biāo)簽通信。
10.一種射頻識別系統(tǒng)，其特征在于，至少包括讀寫器和如權(quán)利要求5 8任一項所述的電子標(biāo)簽，所述電子標(biāo)簽通過射頻識別標(biāo)簽天線與所述讀寫器通信。
全文摘要
本發(fā)明涉及讀寫器、電子標(biāo)簽和射頻識別系統(tǒng)。所述讀寫器與電子標(biāo)簽進行通信，包括射頻識別讀寫器天線，所述射頻識別讀寫器天線包括介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板具有相對的第一表面及第二表面，所述介質(zhì)基板的第一表面設(shè)置有輻射金屬片以及圍繞輻射金屬片設(shè)置的饋線，所述輻射金屬片形成有微槽結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及電子標(biāo)簽和射頻識別系統(tǒng)。本發(fā)明利用超材料的特殊電磁響應(yīng)設(shè)計出輻射具有非常豐富的色散特性、可以形成多種輻射模式的新型電子標(biāo)簽或讀寫器天線。本發(fā)明可免去繁瑣的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，具有尺寸小、加工簡單、成本低廉的優(yōu)點。
文檔編號G06K19/077GK102810168SQ201110172949
公開日2012年12月5日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者劉若鵬, 徐冠雄 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司