本發(fā)明涉及標(biāo)簽天線(xiàn)領(lǐng)域，特別是一種雙層結(jié)構(gòu)寬頻帶UHFRFID抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)。
背景技術(shù)：
：射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentification)技術(shù)起源于第二次世界大戰(zhàn)期間的敵我識(shí)別系統(tǒng)，是一種基于射頻通信原理和雷達(dá)原理實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。UHF頻段的RFID技術(shù)(860～960MHz)有工作性能穩(wěn)定、識(shí)別距離遠(yuǎn)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛的應(yīng)用于物流供應(yīng)、倉(cāng)儲(chǔ)管理、商品零售和生產(chǎn)自動(dòng)化管理等領(lǐng)域。無(wú)源RFID標(biāo)簽由標(biāo)簽天線(xiàn)和芯片組成，常見(jiàn)的UHF頻段RFID標(biāo)簽芯片阻抗典型值為實(shí)部數(shù)十歐姆，虛部數(shù)百歐姆,為了使標(biāo)簽天線(xiàn)工作在良好的性能狀態(tài)下，應(yīng)使標(biāo)簽天線(xiàn)輸入阻抗與標(biāo)簽芯片的阻抗達(dá)到共扼匹配。為了降低成本和生產(chǎn)難度，一般標(biāo)簽天線(xiàn)通常采用的都是偶極子結(jié)構(gòu)天線(xiàn)及其變形,然而，但當(dāng)標(biāo)簽被置于金屬物體表面時(shí)，標(biāo)簽的輸入阻抗、方向圖和增益都會(huì)產(chǎn)生迅速的衰減，導(dǎo)致天線(xiàn)失效。為了解決金屬環(huán)境對(duì)標(biāo)簽天線(xiàn)工作性能影響的問(wèn)題，人們做過(guò)很多研究，例如在標(biāo)簽天線(xiàn)下方附著EBG(ElectronicBandGap)介質(zhì)材料或人工磁導(dǎo)體AMC(ArtificialMagneticConductor)材料，改變反射波相位從而提高標(biāo)簽天線(xiàn)的性能，但這種方法往往成本高、加工難度大；還有根據(jù)PIFA天線(xiàn)需要作為金屬地板的特性，將金屬表面作為地板的PIFA型標(biāo)簽天線(xiàn)，但此種結(jié)構(gòu)一般需要短路銷(xiāo)釘或貼片將天線(xiàn)與地板相連，提高了加工難度。傳統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)都會(huì)通過(guò)短路銷(xiāo)釘、短路通孔或短路貼片將標(biāo)簽天線(xiàn)與地面相連接，來(lái)消除金屬表面對(duì)標(biāo)簽天線(xiàn)性能的影響，但這樣會(huì)增加標(biāo)簽天線(xiàn)的體積、生產(chǎn)難度和成本，而且金屬表面的尺寸大小會(huì)對(duì)抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)的性能產(chǎn)生一定影響。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提出一種省去了短路銷(xiāo)釘或短路通孔、降低了加工難度，縮小了天線(xiàn)的尺寸，提高了天線(xiàn)的增益的雙層結(jié)構(gòu)寬頻帶UHFRFID抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種雙層結(jié)構(gòu)寬頻帶UHFRFID抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)，包括上層介質(zhì)板、下層介質(zhì)板和標(biāo)簽芯片；該上層介質(zhì)板上表面印制有類(lèi)偶極子天線(xiàn)；該下層介質(zhì)板的上表面、下表面和兩側(cè)包裹有金屬貼片，且上表面的金屬貼片開(kāi)設(shè)有矩形的耦合縫隙；該標(biāo)簽芯片位于上層介質(zhì)板的上表面相對(duì)耦合縫隙處且與類(lèi)偶極子天線(xiàn)相連；該類(lèi)偶極子天線(xiàn)設(shè)有中心槽和偶數(shù)個(gè)方形槽；該中心槽縱向貫通該類(lèi)偶極子天線(xiàn)中部以容納該標(biāo)簽芯片；該方形槽為縱向布置且位于該中心槽的兩側(cè)。優(yōu)選的，所述方形槽包括有沿所述類(lèi)偶極子天線(xiàn)上端向下延伸的第一方形槽，所述中心槽兩側(cè)均設(shè)有至少一該第一方形槽。優(yōu)選的，所述方形槽包括有沿所述類(lèi)偶極子天線(xiàn)下端向上延伸的第二方形槽，所述中心槽兩側(cè)均設(shè)有至少一該第二方形槽。優(yōu)選的，所述中心槽兩側(cè)的方形槽數(shù)量相同且互相平行。優(yōu)選的，所述上層介質(zhì)板采用介電常數(shù)為4.4，正切損耗角為0.02的環(huán)氧玻璃纖維板，厚度介于1mm-2mm。優(yōu)選的，所述耦合縫隙的寬度介于2.5mm-4mm。優(yōu)選的，所述下層介質(zhì)板采用介電常數(shù)為3.55，正切損耗角為0.002的聚四氟乙烯板，厚度介于2mm-4mm。優(yōu)選的，所述方形槽的寬度介于0.9mm-3.9mm。優(yōu)選的，所述方形槽的長(zhǎng)度介于8.2mm-11.2mm。優(yōu)選的，所述上層介質(zhì)板或下層介質(zhì)板的長(zhǎng)度介于65mm-85mm，寬度介于15mm-30mm。由上述對(duì)本發(fā)明的描述可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：1、本發(fā)明的標(biāo)簽天線(xiàn)，省去了短路銷(xiāo)釘或短路通孔，降低了加工難度，有著穩(wěn)定的工作狀態(tài)，并且能夠匹配多種不同阻抗的標(biāo)簽芯片，具有尺寸小、寬帶寬和識(shí)別距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。2、本發(fā)明的標(biāo)簽天線(xiàn)，整體最優(yōu)尺寸為75mm×20mm×3mm(長(zhǎng)×寬×厚)，仿真最大增益3.3dBi，S11能在795MHz-992MHZ的寬頻帶內(nèi)保持在-10dB以下，與標(biāo)簽芯片達(dá)到良好共軛匹配，相對(duì)帶寬達(dá)到了197MHz。3、本發(fā)明的標(biāo)簽天線(xiàn)，在915MH時(shí)的實(shí)測(cè)識(shí)別距離達(dá)到了5.8米，足以滿(mǎn)足抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)的使用要求，且適用與對(duì)識(shí)別穩(wěn)定性要求較高的使用場(chǎng)景。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的主視圖；圖2為本發(fā)明的側(cè)視圖；圖3為本發(fā)明的標(biāo)注示意圖；圖4為本發(fā)明的等效電路圖；圖5為耦合縫隙寬度Wf對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗實(shí)部的影響；圖6為耦合縫隙寬度Wf對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗虛部的影響；圖7為耦合縫隙寬度Wf對(duì)天線(xiàn)反射系數(shù)S11的影響；圖8為方形槽長(zhǎng)度Lk對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗實(shí)部的影響；圖9為方形槽長(zhǎng)度Lk對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗虛部的影響；圖10為方形槽長(zhǎng)度Lk對(duì)天線(xiàn)反射系數(shù)S11的影響；圖11為方形槽長(zhǎng)度Wk對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗實(shí)部的影響；圖12為方形槽長(zhǎng)度Wk對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗虛部的影響；圖13為方形槽長(zhǎng)度Wk對(duì)天線(xiàn)反射系數(shù)S11的影響；圖14為標(biāo)簽天線(xiàn)2D方向圖；圖15為標(biāo)簽天線(xiàn)3D方向圖；圖16為標(biāo)簽天線(xiàn)實(shí)測(cè)的輸入阻抗實(shí)部；圖17為標(biāo)簽天線(xiàn)實(shí)測(cè)的輸入阻抗虛部；其中：10、上層介質(zhì)板，20、下層介質(zhì)板，21、耦合縫隙，30、標(biāo)簽芯片，40、類(lèi)偶極子天線(xiàn)，41、中心槽，42、第一方形槽，43、第二方形槽，50、金屬貼片。具體實(shí)施方式以下通過(guò)具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。參照?qǐng)D1至圖3,一種雙層結(jié)構(gòu)寬頻帶UHFRFID抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)，包括上層介質(zhì)板10、下層介質(zhì)板20和標(biāo)簽芯片30。該上層介質(zhì)板10采用介電常數(shù)為4.4，正切損耗角為0.02的環(huán)氧玻璃纖維板(FR4)，厚度h1介于1mm-2mm，其上表面印制有類(lèi)偶極子天線(xiàn)40。該下層介質(zhì)板20采用介電常數(shù)為3.55，正切損耗角為0.002的聚四氟乙烯板，厚度h2介于2mm-4mm。上層介質(zhì)板10和下層介質(zhì)板20的長(zhǎng)度介于65mm-85mm，寬度介于15mm-30mm。該下層介質(zhì)板20的上表面、下表面和兩側(cè)均包裹有金屬貼片50，且上表面的金屬貼片50開(kāi)設(shè)有矩形的耦合縫隙21，耦合縫隙21的寬度Wf介于2.5mm-4mm。該金屬貼片50、耦合縫隙21構(gòu)成耦合諧振腔，且金屬貼片為銅箔。該標(biāo)簽芯片30位于上層介質(zhì)板10的上表面相對(duì)耦合縫隙21處且與類(lèi)偶極子天線(xiàn)40相連，該類(lèi)偶極子天線(xiàn)40和耦合諧振腔通過(guò)耦合縫隙21產(chǎn)生諧振，從而激活標(biāo)簽芯片30。激活芯片，就是通過(guò)類(lèi)偶極子天線(xiàn)40接收到電磁波的能量，激活諧振電路，從而使標(biāo)簽芯片30有足夠的能量工作。本發(fā)明的標(biāo)簽芯片30采用市場(chǎng)上較為常見(jiàn)的美國(guó)英頻杰(Impinj)公司生產(chǎn)的M4QT芯片，該芯片具有－19.5dBm讀取靈敏度。該芯片在915MHz時(shí)的阻抗值為Zc＝11-j143Ω。該類(lèi)偶極子天線(xiàn)40設(shè)有中心槽41和四個(gè)方形槽。該中心槽41縱向貫通該類(lèi)偶極子天線(xiàn)40中部，標(biāo)簽芯片30設(shè)置于該中心槽41內(nèi)。這些方形槽為縱向布置且位于該中心槽41的兩側(cè)，兩側(cè)的方形槽數(shù)量相同且互相平行。具體的：該方形槽包括有兩沿類(lèi)偶極子天線(xiàn)40上端向下延伸的第一方形槽42，其中一第一方形槽42位于類(lèi)偶極子天線(xiàn)40左側(cè)遠(yuǎn)離中心槽41位置，另一第一方形槽42位于類(lèi)偶極子天線(xiàn)40右側(cè)靠近中心槽41位置。該方形槽還包括兩有沿類(lèi)偶極子天線(xiàn)40下端向上延伸的第二方形槽43，其中一第二方形槽43位于類(lèi)偶極子天線(xiàn)40左側(cè)靠近中心槽41位置，另一第一方形槽42位于類(lèi)偶極子天線(xiàn)40右側(cè)遠(yuǎn)離中心槽41位置。且左側(cè)的第一方形槽42和第二方形槽43之間的距離與右側(cè)的第一方形槽42和第二方形槽43之間的距離相同。另外，第一方形槽42和第二方形槽43大小相同，其寬度Wk介于0.9mm-3.9mm，長(zhǎng)度Lk介于8.2mm-11.2mm。本發(fā)明方形槽的數(shù)量不唯一，可以是六個(gè)、四個(gè)或其它偶數(shù)個(gè)，只需確保天線(xiàn)的輸入阻抗于標(biāo)簽芯片能達(dá)到很好的共軛匹配。本發(fā)明天線(xiàn)的最優(yōu)尺寸如下表：表1(單位mm)WLh1h2WfW1L1W2L2WkLkdk2075122.55.59.513251.910.28.6通過(guò)調(diào)節(jié)下層的耦合縫隙21的寬度Wf和上層類(lèi)偶極子天線(xiàn)40的方形槽長(zhǎng)度Lk和寬度Wk，可以有效的調(diào)節(jié)天線(xiàn)的諧振頻率和阻抗，從而使天線(xiàn)與標(biāo)簽芯片30達(dá)到很好的共軛匹配。本發(fā)明標(biāo)簽天線(xiàn)的等效電路圖如圖3所示。為了快捷準(zhǔn)確的驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，采用有限元仿真軟件AnsoftHFSS對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行模型建立和仿真優(yōu)化。將本發(fā)明的天線(xiàn)直接置于一個(gè)尺寸為200mm*200mm的有限金屬地板上，來(lái)模擬金屬環(huán)境對(duì)標(biāo)簽天線(xiàn)的影響。圖5、圖6和圖7分別給出了耦合縫隙21的寬度Wf對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗和S11的影響。由圖3可以看出，隨著耦合縫隙21寬度Wf的不斷增大，天線(xiàn)的輸入阻抗的實(shí)部和虛部會(huì)隨之減小，即天線(xiàn)的諧振頻率會(huì)隨Wf的增大而向高頻移動(dòng)。類(lèi)偶極子天線(xiàn)40的方形槽長(zhǎng)度Lk和寬度Wk對(duì)天線(xiàn)輸入阻抗和S11產(chǎn)生影響。由圖8-10和圖11-13可以看出，隨著類(lèi)偶極子天線(xiàn)40的方形槽長(zhǎng)度Lk和寬度Wk的不斷增加，天線(xiàn)的輸入阻抗的實(shí)部和虛部會(huì)隨之增大，即天線(xiàn)的諧振頻率會(huì)隨Lk和Wk的增大而向低頻移動(dòng)。當(dāng)耦合縫隙21寬度Wf＝2.5mm、類(lèi)偶極子天線(xiàn)40的方形槽長(zhǎng)度Lk＝10.2mm、寬度Wk＝1.9mm時(shí)，標(biāo)簽天線(xiàn)的輸入阻抗為3.48+j143.59，本發(fā)明標(biāo)簽天線(xiàn)與標(biāo)簽芯片30達(dá)到良好的共軛匹配，此時(shí)反射系數(shù)S11＝-31.6dB。此時(shí)所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽天線(xiàn)的S11<-10dB帶寬達(dá)到了197MHz，能夠有效的全覆蓋UHF工作頻段，實(shí)現(xiàn)良好的工作性能。標(biāo)簽天線(xiàn)的閱讀距離是最重要的性能指標(biāo)，根據(jù)Friis公式可以得出計(jì)算標(biāo)簽天線(xiàn)理論讀取距離的公式(1)。其中PEIRP為閱讀器天線(xiàn)的等效全向發(fā)送功率，Pth為標(biāo)簽芯片30的最小啟動(dòng)功率(可從芯片產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中查到)，為標(biāo)簽天線(xiàn)與閱讀器天線(xiàn)之間的極化匹配系數(shù)，Gtag為標(biāo)簽天線(xiàn)的實(shí)際增益，可表示為Gtag＝Gt，其中Gt為標(biāo)簽天線(xiàn)的讀取增益，為標(biāo)簽天線(xiàn)與芯片之間的功率傳輸系數(shù)。若標(biāo)簽芯片30的阻抗為Zc＝Rc+jXc，標(biāo)簽天線(xiàn)的阻抗為Zt＝Rt+jXt，則可表示為由于識(shí)別效率的要求，一般會(huì)采用圓極化的閱讀器天線(xiàn)，這樣在標(biāo)簽天線(xiàn)與閱讀器天線(xiàn)之間存在一個(gè)3dB的極化失配。表2標(biāo)簽天線(xiàn)在各頻點(diǎn)的增益和理論識(shí)別距離表2展示了標(biāo)簽天線(xiàn)在不同國(guó)家所使用的RFID頻段處的增益和理論識(shí)別距離。在中心頻率915MHz時(shí)，識(shí)別距離達(dá)到了6.24米，足夠滿(mǎn)足實(shí)際使用要求。圖14和圖15分別給出了標(biāo)簽天線(xiàn)在915MH在時(shí)2D方向圖和3D方向圖，從圖中可以看出，方向圖有很寬的波瓣寬度，這意味著標(biāo)簽天線(xiàn)能實(shí)現(xiàn)大角度的識(shí)別，有著很好的識(shí)別成功率和識(shí)別速率。采用基于S參數(shù)的雙端口矢量分析儀測(cè)量方法，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)出標(biāo)簽天線(xiàn)的S參數(shù)，然后根據(jù)公式(3)計(jì)算出標(biāo)簽天線(xiàn)的輸入阻抗(Z0＝50)，標(biāo)簽天線(xiàn)的實(shí)測(cè)阻抗如圖10所示。測(cè)試設(shè)備采用跳頻工作方式，使用增益為7dBi的圓極化天線(xiàn)作為收發(fā)共用天線(xiàn)，測(cè)試設(shè)備輸出功率設(shè)為26dBm，即輻射功率為33dBm(3.2WEIRP)。根據(jù)公式(1)可以計(jì)算出理想狀態(tài)下標(biāo)簽天線(xiàn)的識(shí)別距離，標(biāo)簽天線(xiàn)的實(shí)測(cè)識(shí)別距離如表3所示。測(cè)試時(shí)使用的自制測(cè)試工具是利用兩條半剛同軸饋線(xiàn)共地拼接而成，同軸饋線(xiàn)的阻值為50，而天線(xiàn)的設(shè)計(jì)不是基于50的匹配，因此會(huì)產(chǎn)生較大的損耗。還有由于加工精度和測(cè)試環(huán)境等不定因素，造成實(shí)際測(cè)試的讀取距離和理論最大讀取距離存在一定偏差。但目前測(cè)試結(jié)果，標(biāo)簽天線(xiàn)的識(shí)別距離滿(mǎn)足日常使用需求，并好于傳統(tǒng)抗金屬標(biāo)簽天線(xiàn)。表3為標(biāo)簽天線(xiàn)實(shí)測(cè)識(shí)別距離。表3上述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對(duì)本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明保護(hù)范圍的行為。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3