一種可工作于自由空間和金屬表面的有源rfid天線的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種可工作于自由空間和金屬表面的有源RFID天線，包括：基板，其上開(kāi)有用于饋電的通孔，通孔為非金屬過(guò)孔；刻在基板正面的微帶饋電電路，微帶饋電電路兩端開(kāi)路，饋電點(diǎn)位于中間；以及，刻在基板反面的刻槽貼片，刻槽貼片為金屬材質(zhì)，其上刻有相互垂直的短路槽和開(kāi)路槽，短路槽開(kāi)在刻槽貼片的中部，開(kāi)路槽開(kāi)在刻槽貼片的邊緣；當(dāng)應(yīng)用于自由空間時(shí)，微帶饋電電路激勵(lì)開(kāi)路槽，獲得偶極子工作模式；當(dāng)應(yīng)用于金屬表面時(shí)，微帶饋電電路激勵(lì)短路槽，獲得貼片工作模式，本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)不帶地板，可以應(yīng)用于自由空間和金屬表面兩種環(huán)境中，并且在兩種環(huán)境中都有很好的輻射特性，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊，制作成本低廉，便于大規(guī)模使用，適合用作有源RFID天線。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種可工作于自由空間和金屬表面的有源RFID天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天線【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及RFID天線，特別涉及一種可工作于自由空間和金屬表面的有源RFID天線。

【背景技術(shù)】
[0002]RFID技術(shù)誕生于20世紀(jì)40年代，最初單純用于軍事領(lǐng)域。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，逐漸推廣到企業(yè)中使用。近年來(lái)，RFID技術(shù)在識(shí)別、跟蹤和自動(dòng)數(shù)據(jù)獲取等方面的應(yīng)用使其在許多服務(wù)領(lǐng)域，諸如貨物分配、商業(yè)貿(mào)易、生產(chǎn)制造和物流等領(lǐng)域中，得到了快速的普及和推廣。一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)由系統(tǒng)高層、閱讀器和電子標(biāo)簽三部分構(gòu)成，電子標(biāo)簽一般由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片組成，標(biāo)簽天線根據(jù)標(biāo)簽獲取能量方法的不同有不同的工作方式，芯片中存儲(chǔ)著目標(biāo)物體的屬性、狀態(tài)和編號(hào)等信息；讀寫(xiě)器由讀寫(xiě)器主機(jī)和讀寫(xiě)器天線組成，讀寫(xiě)器主機(jī)主要實(shí)現(xiàn)讀取信號(hào)的控制和射頻信號(hào)的產(chǎn)生，讀寫(xiě)器天線用來(lái)發(fā)射和接受信號(hào)；系統(tǒng)高層主要負(fù)責(zé)對(duì)讀寫(xiě)器的控制、設(shè)置，以及對(duì)讀取到的標(biāo)簽的信息進(jìn)行管理，并結(jié)合具體應(yīng)用給出適當(dāng)?shù)呐袛嗪惋@示。讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的通信是通過(guò)無(wú)線連接實(shí)現(xiàn)的，采用哪種通信方式和通信頻率有關(guān):在低頻段和高頻段，采用磁場(chǎng)耦合的方式；在超高頻段和微波頻段，采用電磁波捕獲的方式。
[0003]RFID系統(tǒng)的電子標(biāo)簽可以分為兩類(lèi):無(wú)源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽。無(wú)源標(biāo)簽也稱(chēng)為被動(dòng)式標(biāo)簽，是通常意義上的RFID標(biāo)簽，它由讀寫(xiě)器詢(xún)問(wèn)信號(hào)提供能量，標(biāo)簽通過(guò)反射的方式進(jìn)行信號(hào)傳輸，無(wú)源標(biāo)簽無(wú)需外加電池，當(dāng)其處于讀寫(xiě)器的有效讀取范圍內(nèi)時(shí)，讀寫(xiě)器天線產(chǎn)生的問(wèn)詢(xún)電磁波在標(biāo)簽天線上產(chǎn)生的能量即可驅(qū)動(dòng)芯片完成解碼、解析、編碼和反向調(diào)制等功能。與有源標(biāo)簽相比，無(wú)源標(biāo)簽體積小，成本低，壽命長(zhǎng)，但是讀取距離比較短，低頻和聞?lì)l的標(biāo)簽讀取距尚只有幾十厘米，超聞?lì)l的標(biāo)簽最遠(yuǎn)也就十幾米的范圍。有源標(biāo)簽也稱(chēng)為主動(dòng)式標(biāo)簽，內(nèi)裝電池，使用專(zhuān)用射頻芯片并定時(shí)主動(dòng)發(fā)射信號(hào)，具有較遠(yuǎn)的讀取距離，可遠(yuǎn)至上百米，不足之處在于壽命有限，成本高，體積大，目前一般應(yīng)用于車(chē)輛、航運(yùn)和礦井等特殊場(chǎng)合的管理。無(wú)源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽有一個(gè)很大的區(qū)別:無(wú)源標(biāo)簽天線的輸入阻抗需要與芯片的阻抗共軛匹配以便于把接收到的最大能量用來(lái)激勵(lì)芯片，標(biāo)簽天線需要根據(jù)芯片的型號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)，此時(shí)天線的輸入阻抗都有一個(gè)較大的電抗或容抗；而有源標(biāo)簽天線的輸入阻抗根饋電端口電纜相關(guān)，一般是固定的50歐姆。
[0004]RFID標(biāo)簽的應(yīng)用環(huán)境多種多樣，標(biāo)簽附著的目標(biāo)表面的材料特性可能會(huì)對(duì)標(biāo)簽天線性能產(chǎn)生影響，例如很多時(shí)候需要對(duì)金屬物體進(jìn)行標(biāo)識(shí)，如汽車(chē)、鋼瓶、集裝箱、武器裝備等，普通的標(biāo)簽放置于金屬表面時(shí)，會(huì)引入寄生電容，該電容會(huì)改變天線的輸入阻抗，導(dǎo)致天線性能惡化，讀取距離變短甚至不能讀取。為了設(shè)計(jì)出可以探測(cè)金屬目標(biāo)的標(biāo)簽，有四種方法:(1)通過(guò)調(diào)整標(biāo)簽天線和金屬表面的距離來(lái)減小金屬邊界的影響，但是這種方法使得天線的厚度增加，在一些對(duì)低剖面要求場(chǎng)合難以實(shí)施；(2)通過(guò)在標(biāo)簽和金屬表面之間加一層吸波材料來(lái)減小金屬目標(biāo)對(duì)標(biāo)簽天線的影響，這種方法成本太高；(3)利用電磁帶隙結(jié)構(gòu)作為標(biāo)簽天線的介質(zhì)板，這種方法會(huì)導(dǎo)致天線結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜；(4)將標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)成微帶天線、倒F天線等本身自帶地結(jié)構(gòu)的天線。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種可工作于自由空間和金屬表面的有源RFID天線，采用兩種槽結(jié)構(gòu)，在不同的應(yīng)用環(huán)境中微帶饋電電路的不同部分激勵(lì)兩種槽可以分別得到兩種不同的工作模式，并且在兩種工作模式下都具有非常好的輻射特性，從而可以應(yīng)用于自由空間和金屬表面兩種環(huán)境中；采用基于標(biāo)準(zhǔn)的印刷電路板工藝制作，有效的降低了工藝需求和制造成本；該天線可以用于有源射頻識(shí)別系統(tǒng)中，使得閱讀器天線識(shí)別金屬目標(biāo)或者非金屬目標(biāo)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種可工作于自由空間和金屬表面的有源RFID天線，包括:
[0008]基板1，其上開(kāi)有用于饋電的通孔5，通孔5為非金屬過(guò)孔；
[0009]刻在基板1正面的微帶饋電電路2，微帶饋電電路2兩端開(kāi)路，饋電點(diǎn)位于中間；
[0010]以及，刻在基板1反面的刻槽貼片3，刻槽貼片3為金屬材質(zhì)，其上刻有相互垂直的短路槽6和開(kāi)路槽7，短路槽6開(kāi)在刻槽貼片3的中部，開(kāi)路槽7開(kāi)在刻槽貼片3的邊緣；
[0011]當(dāng)應(yīng)用于自由空間時(shí)，微帶饋電電路2激勵(lì)開(kāi)路槽7，獲得偶極子工作模式；
[0012]當(dāng)應(yīng)用于金屬表面時(shí)，微帶饋電電路2激勵(lì)短路槽6，獲得貼片工作模式。
[0013]所述微帶饋電電路2由順次垂直連接的Y向微帶一 21、X向微帶一 22、Y向微帶二23和X向微帶二 24組成，其中X向微帶一 22Λ向微帶二 23和X向微帶二 24組成U形結(jié)構(gòu)，短路槽6為X向，開(kāi)路槽7為Υ向，Υ向微帶一 21向下投影與短路槽6相交，X向微帶二24向下投影與開(kāi)路槽7相交。
[0014]所述X向微帶二 24的長(zhǎng)度大于X向微帶一 22。
[0015]所述通孔5向上投影在X向微帶二 22上，向下投影在刻槽貼片3上，射頻信號(hào)通過(guò)同軸線饋入，同軸線的內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)通孔5與X向微帶二 22相連，同軸線的外導(dǎo)體與刻槽貼片3相連。
[0016]本發(fā)明還可包括設(shè)置在刻槽貼片3下方的用于隔離刻槽貼片3與金屬目標(biāo)的泡沫層4。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)不帶地板，金屬貼片上刻有短路槽和開(kāi)路槽，分別用來(lái)激勵(lì)貼片模式和偶極子模式。這種雙模特性使得該天線可以應(yīng)用于自由空間和金屬表面兩種環(huán)境中，并且在兩種環(huán)境中都有很好的輻射特性。該天線區(qū)別于可應(yīng)用于兩種環(huán)境的標(biāo)簽天線的最大特征是天線結(jié)構(gòu)本身不帶地板，使得該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊，再加上成本低廉的制作工藝，便于大規(guī)模生產(chǎn)使用，非常適合用作有源RFID天線。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中包括2(a)正面，2(b)側(cè)面和2(c)背面視角的具體尺寸。該具體實(shí)施例應(yīng)用于工作于2.4GHz的有源RFID天線。
[0020]圖3為兩種應(yīng)用環(huán)境示意圖，其中3(a)自由空間中，3 (b)金屬表面。
[0021]圖4為該具體實(shí)施例下該天線設(shè)計(jì)的4 (a)兩種工作模式下的反射系數(shù)、4 (b)偶極子工作模式在2.4GHz時(shí)三個(gè)平面內(nèi)的輻射方向圖以及4(c)貼片工作模式在2.4GHz時(shí)兩個(gè)主平面內(nèi)的輻射方向圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0023]本發(fā)明一種不帶地結(jié)構(gòu)的可工作于自由空間和金屬表面的有源RFID天線設(shè)計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低剖面和可以應(yīng)用于兩種工作環(huán)境的特點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)示意，給出了一個(gè)應(yīng)用于2.4GHz有源RFID金屬標(biāo)簽天線的具體實(shí)施例，下面結(jié)合附圖予以說(shuō)明:
[0024]參閱圖1，該金屬標(biāo)簽天線包括一塊基于雙面印刷電路板工藝的基板1，其正面上刻有微帶饋電電路2，反面為金屬材質(zhì)的刻槽貼片3，刻槽貼片3上刻有兩個(gè)垂直的短路槽6和開(kāi)路槽7。本實(shí)施例中，微帶饋電電路2由順次垂直連接的Y向微帶一 21、X向微帶一22、Y向微帶二 23和X向微帶二 24組成，X向微帶二 24的長(zhǎng)度大于X向微帶一 22。其中X向微帶一 22、Υ向微帶二 23和X向微帶二 24組成U形結(jié)構(gòu)，短路槽6為X向，開(kāi)路槽7為Υ向，Υ向微帶一 21向下投影與短路槽6相交，X向微帶二 24向下投影與開(kāi)路槽7相交。
[0025]基板1中采用印刷電路板的通孔工藝，預(yù)留了用于饋電的通孔5，該通孔為非金屬過(guò)孔，不與兩面的金屬相連，通孔5向上投影在X向微帶二 22上，向下投影在刻槽貼片3上，射頻信號(hào)通過(guò)同軸線饋入，同軸線的內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)通孔5與X向微帶二 22相連，同軸線的外導(dǎo)體與刻槽貼片3相連。饋電時(shí)，射頻信號(hào)通過(guò)50歐姆標(biāo)準(zhǔn)同軸線饋入微帶饋電電路2，并進(jìn)一步來(lái)分別激勵(lì)短路槽6和開(kāi)路槽7產(chǎn)生兩種工作模式。在刻槽貼片3的下面有一層泡沫層4，該泡沫層用來(lái)隔離金屬貼片3和金屬目標(biāo)表面，工作于貼片模式時(shí)，金屬地板用了一塊邊長(zhǎng)為120毫米的方形銅板，該金屬板放置于泡沫層的下方，這里省去了金屬地板。
[0026]在設(shè)計(jì)中，基板1的介電常數(shù)和刻槽貼片3的尺寸決定了貼片模式的諧振頻率；開(kāi)路槽7的尺寸決定了偶極子模式的諧振頻率；調(diào)節(jié)刻槽貼片3的尺寸，短路槽6和開(kāi)路槽7的長(zhǎng)寬和微帶線的長(zhǎng)寬以及饋電位置，使得兩種模式都諧振于2.4GHz并且有理想的工作帶寬。
[0027]圖2給出了工作于2.4GHz的金屬標(biāo)簽天線的具體實(shí)施例。其中圖2a給出了基板1正面微帶饋電電路2的詳細(xì)尺寸。其中，微帶線寬度為1.8毫米，Y向微帶一 21長(zhǎng)15.6毫米，微帶線一 21末端開(kāi)路端距離短路槽6中心11.6毫米，X向微帶線二 22長(zhǎng)9.9毫米，Y向微帶線三23長(zhǎng)14.65毫米，X向微帶線四24長(zhǎng)13毫米，微帶線四24末端開(kāi)路端距離開(kāi)路槽7中心4毫米；通孔5距離Y向微帶線一 21的距離為3.2毫米。圖2b給出了基板1和泡沫層4的厚度；基板1厚1毫米，泡沫層4厚5毫米。圖2c給出了刻槽貼片3以及短路槽6和開(kāi)路槽7的詳細(xì)尺寸；刻槽貼片3X向邊長(zhǎng)60暈米，Y向邊長(zhǎng)50.3暈米，通孔5的直徑為1暈米，短路槽6寬2暈米,長(zhǎng)25暈米,開(kāi)路槽7寬2暈米,長(zhǎng)15暈米?；?所采用的是基于FR-4的板材，介電常數(shù)4.4，損耗角0.02。
[0028]圖3 (a)表示應(yīng)用于自由空間中，此時(shí)，泡沫層4下方?jīng)]有金屬地板，微帶饋電電路2激勵(lì)起開(kāi)路槽7，在刻槽貼片3上獲得類(lèi)似于偶極子模式的電流分布，同時(shí)由于貼片模式被開(kāi)路，可以獲得偶極子工作模式，其輻射方向圖為雙向輻射波束，如圖4(b)所示。
[0029]圖3(b)表不應(yīng)用于金屬表面,此時(shí),泡沫層4下方有一塊邊長(zhǎng)為120毫米的金屬板。微帶饋電電路2通過(guò)激勵(lì)短路槽6從而激勵(lì)起標(biāo)準(zhǔn)的貼片模式電流分布，同時(shí)由于偶極子模式被開(kāi)路，可以獲得貼片工作模式，其輻射方向圖為單向輻射波束，如圖4(c)所示。
[0030]采用該參數(shù)設(shè)計(jì)的實(shí)施例的兩種工作模式下的反射系數(shù)由圖4(a)給出，可以看到，偶極子模式和貼片模式下的-10dB阻抗帶寬分別為:2.24-2.77GHz (530MHz)和
2.31-2.58GHz (270MHz)，可以看到兩種模式的工作頻帶都可以滿(mǎn)足工程應(yīng)用。圖4(b)給出了偶極子模式的輻射方向圖，可以看到，在中心頻率2.4GHz處，在包含最大方向的兩個(gè)面XZ和YZ面內(nèi)的最大增益分別為2.6dB和2.7dB,具有雙向輻射特性；圖4 (c)給出了貼片模式的輻射方向圖，2.4GHz時(shí)的最大增益為9.9dB，具有單向輻射特性?？梢?jiàn)在兩種模式下，該天線都具有很好的輻射特性和增益指標(biāo)，非常適用于有源RFID應(yīng)用。
[0031]綜上所述，本發(fā)明提供了一種可工作于自由空間和金屬表面的有源RFID天線設(shè)計(jì)。該標(biāo)簽天線由饋電微帶線、介質(zhì)基板、刻槽金屬貼片和泡沫層構(gòu)成，可以應(yīng)用于自由空間和金屬表面兩種環(huán)境中。當(dāng)應(yīng)用于自由空間中時(shí)，偶極子模式處于工作狀態(tài)而貼片模式處于開(kāi)路狀態(tài)從而工作于偶極子模式；而應(yīng)用于金屬表面時(shí)，貼片模式處于工作狀態(tài)偶極子模式處于開(kāi)路狀態(tài)從而工作于貼片模式，并且在兩種工作模式下都有很好的輻射特性，非常適合用作有源RFID天線。而在具體實(shí)施過(guò)程中，基板和金屬貼片、短路槽和開(kāi)路槽、微帶饋電電路的各項(xiàng)尺寸，包括整體尺寸，厚度，介電常數(shù)，槽寬和槽長(zhǎng)，微帶線寬和線長(zhǎng)，饋點(diǎn)位置都可進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié)，這些參數(shù)將用于天線在兩種工作模式下的阻抗匹配。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，該天線將呈現(xiàn)兩種工作環(huán)境下兩種工作模式的特點(diǎn)。
【權(quán)利要求】
1.一種可工作于自由空間和金屬表面的有源RFID天線，其特征在于，包括: 基板(I)，其上開(kāi)有用于饋電的通孔(5)，通孔(5)為非金屬過(guò)孔； 刻在基板(I)正面的微帶饋電電路(2)，微帶饋電電路(2)兩端開(kāi)路，饋電點(diǎn)位于中間； 以及，刻在基板⑴反面的刻槽貼片(3)，刻槽貼片(3)為金屬材質(zhì)，其上刻有相互垂直的短路槽(6)和開(kāi)路槽(7)，短路槽(6)開(kāi)在刻槽貼片(3)的中部，開(kāi)路槽(7)開(kāi)在刻槽貼片⑶的邊緣； 當(dāng)應(yīng)用于自由空間時(shí)，微帶饋電電路(2)激勵(lì)開(kāi)路槽(7)，獲得偶極子工作模式； 當(dāng)應(yīng)用于金屬表面時(shí)，微帶饋電電路(2)激勵(lì)短路槽(6)，獲得貼片工作模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述可工作于自由空間和金屬表面的有源RFID天線，其特征在于，所述微帶饋電電路⑵由順次垂直連接的Y向微帶一(21)、X向微帶一(22)、Y向微帶二(23)和X向微帶二(24)組成，其中X向微帶一(22)、Y向微帶二(23)和X向微帶二(24)組成U形結(jié)構(gòu)，短路槽(6)為X向，開(kāi)路槽(7)為Y向，Y向微帶一(21)向下投影與短路槽(6)相交，X向微帶二(24)向下投影與開(kāi)路槽(7)相交。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述可工作于自由空間和金屬表面的有源RFID天線，其特征在于，所述X向微帶二(24)的長(zhǎng)度大于X向微帶一(22)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述可工作于自由空間和金屬表面的有源RFID天線，其特征在于，所述通孔(5)向上投影在X向微帶二(22)上，向下投影在刻槽貼片(3)上，射頻信號(hào)通過(guò)同軸線饋入，同軸線的內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)通孔(5)與X向微帶二(22)相連，同軸線的外導(dǎo)體與刻槽貼片⑶相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一權(quán)利要求所述可工作于自由空間和金屬表面的有源RFID天線，其特征在于，還包括設(shè)置在刻槽貼片(3)下方的用于隔離刻槽貼片(3)與金屬目標(biāo)的泡沫層⑷。
【文檔編號(hào)】H01Q25/04GK104319472SQ201410560345
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】常樂(lè), 王涵, 張志軍, 李越, 馮正和 申請(qǐng)人:清華大學(xué)