具有高功率传输系数的超高频RFID双面抗金属标签天线

摘要

本发明提出一种具有高功率传输系数的超高频RFID双面抗金属标签天线，基于PIFA基础结构，位于上侧和下侧介质板材7外表面的是结构和尺寸完全相同的金属面1和金属面2，短接面3与芯片接入面4分别位于右侧和左侧的介质板材7的外表面，将该标签天线放置在金属环境中，接触背景金属的面可看做为PIFA天线的接地面，另一面可看做为PIFA天线的辐射面，通过该设计可实现标签天线的双面抗金属性能，并保证双面性能实现良好的一致性。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技技术领域，尤其涉及一种具有高功率传输系数的超高频RFID双面抗金属标签天线。

背景技术

射频识别技术(Radio Frequency Identification, RFID) 是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，可以通过射频信号及其空间耦合、传输特性识别具体目标并读写相关数据信息，在门禁控制，库存跟踪，生产控制，资产管理等方面具有广泛应用。一个基本的RFID系统主要由读写器，电子标签和控制终端三个部分组成。读写器能够与计算机和电子标签通信，并给电子标签提供能量。电子标签附着在物体上以标识目标对象，它能存储目标物体的相关信息，并通过读写器对标签内储存的信息进行非接触式的读操作和写操作。控制终端一般指由数据库和客户端组成的计算机控制系统，主要负责对收集到的数据进行进一步处理。

但当常规标签天线放置于金属表面时，天线的辐射方向图、输入阻抗等性能会受到金属的影响而急剧恶化，直接影响RFID系统的工作性能，目前，已提出很多方法用来解决标签天线的抗金属问题。

当前抗金属标签天线的研究和设计主要以平面倒 F 天线(planar inverted-Fantenna，PIFA)、微带天线或贴片天线为原型设计抗金属标签天线，或采用垫高的方式(将标签天线与金属表面的距离调至四分之一波长)实现其抗金属特性，电磁带隙(Electromagnetic Bandgap ，EBG)结构或人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor，AMC)结构也被发现可以实现标签天线的抗金属性。以上所述结构虽然能够保证标签天线正常工作于金属环境，但只能做到单面抗金属。

发明内容

针对现有技术的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种具有高功率传输系数的超高频RFID双面抗金属标签天线的设计方案，尤其是一种整体结构上下对称且具有高功率传输系数的小型化超高频RFID双面抗金属标签天线。

双面抗金属性能能够增加标签天线的使用性和灵活度。该天线基于PIFA 基础结构，位于上侧和下侧介质板材7外表面的是结构和尺寸完全相同的金属面1和金属面2，短接面3与芯片接入面4分别位于右侧和左侧的介质板材7的外表面，将该标签天线放置在金属环境中，接触背景金属的面可看做为PIFA天线的接地面，另一面可看做为PIFA天线的辐射面，通过该设计可实现标签天线的双面抗金属性能，并保证双面性能实现良好的一致性。在所述标签天线的金属面1，金属面2，短接面3和芯片接入面4上开槽可有效调谐天线的谐振频率。所述金属环5由两个相同的金属环组成，对称加载于上侧和下侧介质板材7的内表面，通过调整金属环5的外框尺寸和框宽可以优化天线的阻抗匹配和提升功率传输系数，起到良好的匹配调节作用。天线两面分别放置于金属背景时的频点偏移不超过应用频段，使用频段被中国，欧洲，美国超高频RFID标签天线的应用频段覆盖，尺寸紧凑，结构简单，易于加工，适合应用在复杂的工业物联网相关测量领域中。

所设计的标签天线由金属面1、金属面2、短接面3、芯片接入面4、金属环5和芯片6构成。金属面1和金属面2结构、尺寸完全相同，分别位于上侧和下侧的介质板材7的外表面。短接面3位于天线右侧，上侧连接金属面1，下次连接金属面2，芯片接入面4位于天线左侧，上侧连接金属面1，下次连接金属面2。金属环5由两个相同的金属环组成，分别印制在位于上侧和下侧的介质板材7的内表面。芯片6焊接于芯片接入面4的中心。介质板材7由上下左右四块板材首尾相连构成，用作天线的支撑材料。该标签天线整体结构上下对称，结构简单、尺寸紧凑，任意一面接触背景金属时都能实现良好的抗金属性能。接触背景金属时，标签天线的两面可用频段皆可以被中国，欧洲，美国超高频RFID标签天线的应用频段覆盖，适合应用在复杂的工业物联网相关测量领域中。具体实施例尺寸为34×28mm×5mm。1面置于金属时的-10dB的频带为863MHz-953MHz，功率传输系数为99.6%，读取距离为8.1 m；2面置于金属时的-10dB的频带为863MHz-953MHz，功率传输系数为99.6%，读取距离为7.7 m，并且都具备良好的定向辐射性能。

本发明具体采用以下技术方案：

一种具有高功率传输系数的超高频RFID双面抗金属标签天线，其特征在于，整体结构上下对称，包括：第一金属面（1）、第二金属面（2）、短接面（3）、芯片接入面（4）、金属环（5）、芯片（6）、和介质板材（7）；

所述介质板材（7）由上下左右四块板材构成；所述第一金属面（1）和第二金属面（2）相对设置，分别位于上侧和下侧的介质板材（7）的外表面，结构和尺寸完全相同；所述短接面（3）和芯片接入面（4）分别加载于右侧和左侧的介质板材（7）的外表面；所述金属环（5）共有两个，分别加载于上侧和下侧的介质板材（7）的内表面；所述芯片（6）位于芯片接入面（4）的中心。

进一步地，所述第一金属面（1）、第二金属面（2）、短接面（3）、芯片接入面（4）和金属环（5）分别采用不同厚度的金属材质。

进一步地，所述介质板材（7）采用FR4板材或Rogers板材；上下两块介质板材厚度相同，左右两块介质板材厚度相同。

进一步地，所述第一金属面（1）、第二金属面（2）、短接面（3）和芯片接入面（4）的形状均为规则矩形；所述金属环（5）为长方形环或圆形环或多边形环。

进一步地，所述第一金属面（1）和第二金属面（2）上均设置有相同的槽缝结构。

进一步地，所述槽缝结构为一个嵌套开口圆环槽和一个T形槽组成的结构。

进一步地，印制于右侧的介质板材（7）外表面的短接面（3）呈H形结构，上部连接第一金属面（1），下部连接第二金属面（2）。

进一步地，印制于左侧介质板材（7）外表面的芯片接入面（4）由从芯片（6）的两端口引出的两臂组成，两臂分别连接第一金属面（1）和第二金属面（2）。

进一步地，所述芯片（6）位于芯片接入面（4）的中心，其两端口分别连接芯片接入面（4）的两臂，为 RFID芯片。

进一步地，所述介质板材（7）的四个部分首尾相连，共同构成一个封闭的立体环结构，用于对标签天线起到支撑作用，天线尺寸为34×28mm×5mm。

相比于现有技术，本发明及其优选方案具有以下优势：

该天线基于PIFA天线结构，通过把PIFA天线的辐射面和接地面设计成完全对称的结构，芯片放置于标签天线侧壁，实现标签天线的无差别双面抗金属性能。在上下介质板材内表面对称的加载金属环，金属环与金属面有效耦合，在金属面上激励起一个新的谐振，实现天线良好的阻抗匹配和功率传输。通过在标签天线的金属面1，金属面2，短接面3与芯片接入面4上开槽可以有效调谐天线的谐振频率。该标签天线整体结构上下对称，结构简单、尺寸紧凑，任意一面接触背景金属时都能实现良好的抗金属性能。接触背景金属时，标签天线的两面可用频段皆可以被中国，欧洲，美国超高频RFID标签天线的应用频段覆盖，适合应用在复杂的工业物联网相关测量领域中。具体实施例尺寸为34×28mm×5mm。1面置于金属时的-10dB的频带为863MHz-953MHz，功率传输系数为99.6%，读取距离为8.1 m；2面置于金属时的-10dB的频带为863MHz-953MHz，功率传输系数为99.6%，读取距离为7.7 m，并且都具备良好的定向辐射性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例构造的立体图；

图2为本发明实施例的正视图；

图3为本发明实施例的上侧和下侧介质板材的外表面图；

图4为本发明实施例的上侧和下侧介质板材的内表面图；

图5为本发明实施例的左视图；

图6为本发明实施例的右视图；

图7为本发明实施例的标签天线1面在金属环境下的反射系数仿真结果示意图；

图8为本发明实施例的标签天线2面在金属环境下的反射系数仿真结果示意图；

图9为本发明实施例的标签天线1面在金属环境下的功率传输系数示意图；

图10为本发明实施例的标签天线2面在金属环境下的功率传输系数示意图；

图11为本发明实施例的标签天线1面在金属环境下的读取距离示意图；

图12为本发明实施例的标签天线2面在金属环境下的读取距离示意图；

图13为本发明实施例的标签天线1面在金属环境下的辐射方向图；

图14为本发明实施例的标签天线2面在金属环境下的辐射方向图。

图中：1-第一金属面；2-第二金属面；3-短接面；4-芯片接入面；5-金属环，6-芯片；7-介质板材。

具体实施方式

下面将对通过实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅为本发明的一部分实施例，而不是全面的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普遍技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的的其他所有实施例，都属于本发明保护的范围：

如图1到图6所示，本实施例提供的具有高功率传输系数的超高频RFID双面抗金属标签天线，其整体结构上下对称，包括：第一金属面1、第二金属面2、短接面3、芯片接入面4、金属环5、芯片6、和介质板材7。

介质板材7由上下左右四块板材构成；第一金属面1和第二金属面2相对设置，为完全一致的结构，分别位于上侧和下侧的介质板材7的外表面，结构和尺寸完全相同；短接面3和芯片接入面4分别加载于右侧和左侧的介质板材7的外表面；金属环5共有两个，分别加载于上侧和下侧的介质板材7的内表面；芯片6位于芯片接入面4的中心。

具体地，第一金属面1、第二金属面2、短接面3和芯片接入面4的形状均为规则矩形；本实施例中金属环5为长方形环，但实际上也可以设计为圆形环或多边形环。

第一金属面1和第二金属面2上均设置有相同的槽缝结构。在本实施例中，槽缝结构具体为一个嵌套开口圆环槽和一个T形槽组成的结构。

在本实施例中，印制于右侧的介质板材7外表面的短接面3呈H形结构，上部连接第一金属面1，下部连接第二金属面2。

印制于左侧介质板材7外表面的芯片接入面4由从芯片6的两端口引出的两臂组成，两臂分别连接第一金属面1和第二金属面2。芯片6位于芯片接入面4的中心，其两端口分别连接芯片接入面4的两臂，为 RFID芯片，可选择多款适用于超高频 RFID范围的型号。

介质板材7的四个部分首尾相连，共同构成一个封闭的立体环结构，用于对标签天线起到支撑作用。

作为优选，第一金属面1、第二金属面2、短接面3、芯片接入面4和金属环5可以分别采用不同厚度的金属材质。优选为铜或铝。

介质板材7可以采用FR4板材或Rogers板材；上下两块介质板材厚度相同，左右两块介质板材厚度相同，以保证整体结构对称。

本实施例天线尺寸为34×28mm×5mm。

如图7到图14所示，经过仿真测试，可以看出本实施例提供的设计1面置于金属时的-10dB的频带为863MHz-953MHz，功率传输系数为99.6%，读取距离为8.1 m；2面置于金属时的-10dB的频带为863MHz-953MHz，功率传输系数为99.6%，读取距离为7.7 m，并且都具备良好的定向辐射性能。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的具有高功率传输系数的超高频RFID双面抗金属标签天线，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。