讀寫器、電子標籤和射頻識別系統的製作方法
2023-08-06 02:30:26 1
專利名稱：讀寫器、電子標籤和射頻識別系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於通信領域，具體地，涉及讀寫器、電子標籤和射頻識別系統。
背景技術：
射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)是一種非接觸的自動識別技術，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，實現對被識別物體的自動識別。RFID系統至少包含電子標籤和閱讀器兩部分，其中電子標籤附在物體上面並包含有唯一的ID號和物品的信息；讀寫器用於讀取電子標籤上的信息，從而實現物體的自動識另Ij15RFID系統工作時，由讀寫器通過讀寫器天線發出射頻信號，電子標籤通過標籤天線接收到讀寫器發出的讀寫指令後，返回射頻信號進行響應，把ID號和物品信息傳遞給讀寫器， 從而實現物品自動識別。隨著半導體工藝的高度發展，對當今的電子系統集成度提出了越來越高的要求，器件的小型化成為了整個產業非常關注的技術問題。然而，作為電子系統的另外重要組成——射頻模塊，卻面臨著器件小型化的高難度技術挑戰。其中，天線作為最終射頻信號的輻射單元和接收器件，其工作特性將直接影響整個電子系統的工作性能。而天線的尺寸、帶寬、增益、輻射效率等重要指標卻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)。這些指標極限的基本原理使得天線的小型化技術難度遠遠超過了其它器件，而由於射頻器件的電磁場分析的複雜性，逼近這些極限值都成為了巨大的技術挑戰。因此，小型化的新型天線技術成為了當代電子集成系統的一個重要技術瓶頸。對於讀寫器和電子標籤而言，其對應的天線的小型化也是亟待解決的問題。天線在不同的產品中工作的環境及電磁特性存在較大的差異性，將會導致天線性能在設計和使用中存在較大的差異，所以要求設計出的天線必須具有較強的適應性及通用性。綜上所述，原有的技術在使用中將就會遇到通用性及性能差異性的問題。
發明內容
本發明要解決的一個技術問題是，針對天線在不同產品中工作環境及電磁特性存在較大的差異性，導致天線性能在設計和使用中存在較大的差異，提供具有較強的適應性及通用性的讀寫器、電子標籤和射頻識別系統。本發明解決上述技術問題所採用的技術方案是一種讀寫器，與電子標籤進行通信，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基板、饋線、附著在介質基板一表面的金屬片，所述饋線通過耦合方式饋入所述金屬片，所述金屬片上鏤空有微槽結構以在金屬片上形成金屬走線，所述天線預設有供電子元件嵌入的空間。在本發明所述的讀寫器中，所述空間設置在饋線、饋線與金屬片之間及金屬片這三個位置的至少一個上。在本發明所述的讀寫器中，所述電子元件為感性電子元件、容性電子元件或者電阻。在本發明所述的讀寫器中，所述空間為形成在所述天線上的焊盤。本發明還提供一種電子標籤，與讀寫器進行通信，包括射頻識別標籤天線，所述射頻識別標籤天線包括介質基板、饋線、附著在介質基板一表面的金屬片，所述饋線通過耦合方式饋入所述金屬片，所述金屬片上鏤空有微槽結構以在金屬片上形成金屬走線，所述天線預設有供電子元件嵌入的空間。在本發明所述的電子標籤中，所述空間設置在饋線、饋線與金屬片之間及金屬片這三個位置的至少一個上。在本發明所述的電子標籤中，所述電子元件為感性電子元件、容性電子元件或者電阻。在本發明所述的電子標籤中，所述空間為形成在所述天線上的焊盤。
本發明還提供一種射頻識別系統，至少包括電子標籤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籤通信。本發明還提供另一種射頻識別系統，至少包括讀寫器和如上所述的電子標籤，所述電子標籤通過射頻識別標籤天線與所述讀寫器通信。實施本發明的技術方案，具有以下有益效果根據本發明的技術方案，通過在讀寫器和電子標籤的天線上設置供電子元件嵌入的空間，並通過改變嵌入的電子元件的性能對天線的性能進行微調，設計出滿足適應性及通用性要求的天線，無需更換標籤天線即可滿足不同的應用場景。
圖I是本發明的射頻識別讀寫器天線結構示意圖；圖2是本發明的射頻識別讀寫器天線第一實施例的結構示意圖；圖3是本發明的射頻識別讀寫器天線第二實施例的結構示意圖；圖4是本發明的射頻識別讀寫器天線第三實施例的結構示意圖；圖5是本發明的射頻識別讀寫器天線第四實施例的結構示意圖；圖6是本發明的射頻識別讀寫器天線第五實施例的結構示意圖；圖7a為互補式開口諧振環結構的示意圖；圖7b所示為互補式螺旋線結構的示意圖；圖7c所示為開口螺旋環結構的示意圖；圖7d所示為雙開口螺旋環結構的示意圖；圖7e所示為互補式彎折線結構的示意圖；圖8a為圖7a所示的互補式開口諧振環結構其幾何形狀衍生示意圖；圖Sb為圖7a所示的互補式開口諧振環結構其擴展衍生示意圖；圖9a為三個圖7a所示的互補式開口諧振環結構的複合後的結構示意圖；圖9b為兩個圖7a所示的互補式開口諧振環結構與圖7b所示為互補式螺旋線結構的複合示意圖；圖10為四個圖7a所示的互補式開口諧振環結構組陣後的結構示意圖；圖11是本發明的射頻識別系統的結構示意圖12是本發明的另一射頻識別系統的結構示意圖。
具體實施例方式射頻識別系統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籤進行通信。為了更好的描述本發明的射頻識別讀寫器天線的結構，圖I採用透視圖畫法，如圖I所示。應當注意的是，本發明提供的天線既適用於射頻識別讀寫器天線，也適用於射頻識別標籤天線。下面以射頻識別讀寫器天線為例進行闡述。本發明的所述射頻識別讀寫器天線100應用於射頻識別系統中，與RFID系統中的讀寫器進行通信。本發明的射頻識別讀寫器天線100包括介質基板I、饋線2、附著在介質基板I 一表面的金屬片4，所述饋線2通過耦合方式饋入所述金屬片4，所述金屬片上鏤空有微槽結構41以在金屬片上形成金屬走線42，所述天線100預設有供電子元件嵌入的空間6。圖I至圖6中，金屬片4上的畫剖面線的部分為金屬走線42，金屬片4上的空白部分 (鏤空的部分)表示微槽結構41。另外，饋線2也用剖面線表示。饋線2圍繞金屬片4設置以實現信號耦合。另外金屬片4與饋線2可以接觸，也可以不接觸。當金屬片4與饋線2接觸時，饋線2與金屬片4之間感性耦合；當金屬片4與饋線2不接觸時，饋線2與金屬片4之間容性耦合。本發明中的所述微槽結構41可以是圖7a所示的互補式開口諧振環結構、圖7b所示的互補式螺旋線結構、圖7c所示的開口螺旋環結構、圖7d所示的雙開口螺旋環結構、圖7e所示的互補式彎折線結構中的一種或者是通過前面幾種結構衍生、複合或組陣得到的微槽結構。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、形狀不同的結構衍生，例如由方框類結構衍生到曲線類結構、三角形類結構及其它不同的多邊形類結構；此處的擴展衍生即在圖7a至圖7e的基礎上開設新的槽以形成新的微槽結構；以圖7a所示的互補式開口諧振環結構為例，圖8a為其幾何形狀衍生示意圖，圖8b為其幾何形狀衍生示意圖。此處的複合是指，圖7a至圖7e的微槽結構多個疊加形成一個新的微槽結構，如圖9a所示，為三個圖7a所示的互補式開口諧振環結構複合後的結構示意圖；如圖9b所示,為兩個圖7a所示的互補式開口諧振環結構與圖7b所示為互補式螺旋線結構共同複合後的結構示意圖。此處的組陣是指由多個圖7a至圖7e所示的微槽結構在同一金屬片上陣列形成一個整體的微槽結構，如圖10所示，為多個如圖7a所示的互補式開口諧振環結構組陣後的結構示意圖。以下均以圖7c所示的開口螺旋環結構為例闡述本發明。下面分五個實施例來詳細介紹本發明。第一實施例如圖2所示，在本實施例中，在饋線2上預設有嵌入感性電子元件和/或電阻的空間51，預設的嵌入電子元件空間的位置可以是饋線2上的任意位置，並且可以有多個。可在空間51中嵌入感性電子元件，以改變饋線2上的電感值。運用公式f=l/ (2ttD，可知電感值的大小和工作頻率的平方成反比，所以當需要的工作頻率為較低工作頻率時，通過適當的嵌入電感或感性電子元件實現。本實施例中，加入的感性電子元件的電感值範圍在0-5uH之間，若太大交變信號將會被感性元件消耗從而影響到天線的輻射效率。本實施例的所述天線具有多個頻段的良好輻射特性，五個主要輻射頻率從900MHz —直分布到5. 5GHz,幾乎涵蓋了 GSM、CDMA、藍牙、W-Lan (IEEE802. 11協議)、GPS、TD-LTE等各個主要的通信頻率，具有非常高的集成度且可通過對饋線上的電感值進行調節達到改變天線工作頻率的目的。當然，也可以在空間51中嵌入電阻，以改善天線的輻射電阻。當然，饋線上的空間也可以是多個，其中分別嵌入電阻以及感性電子元件，既實現了工作頻率的調節，又能改善天線的輻射電阻。未加入電子元件的空間可用導線短接。實施例二如圖3所示，在本實施例中，在饋線2與金屬片4之間預設有嵌入容性電子元件的空間53，預設的嵌入電子元件空間的位置可以是饋線2與金屬片4之間的任意位置。圖3中空間53為本實施例中嵌入容性電子元件的空間，饋線2與金屬片4之間本身具有一定的電容，這裡通過嵌入容性電子元件調節饋線與金屬片4之間的信號耦合，運用公式f=l/ (2ttD，可知電容值的大小和工作頻率的平方成反比，所以當需要的工作頻率為較低工作頻率時，通過適當的嵌入電容或感性電子元件實現。本實施例中，加入的容性電子元件的電容值範圍通常在0-2pF之間，不過隨著天線工作頻率的變化嵌入的電容值也可能 超出0-2pF的範圍。當然，也可以在饋線2與金屬片4之間預設多個空間。同樣，在未連接有電子元件的空間中，採用導線短接。實施例三如圖4所示，在本實施例中，在金屬片的金屬走線42上預留有嵌入感性電子元件和/或電阻的空間，嵌入電子元件的空間不僅僅局限於圖中給出的空間55和空間56，其他位置只要滿足條件均可。此處嵌入感性電子元件的目的是增加金屬片內部諧振結構的電感值，從而對天線的諧振頻率及工作帶寬起到調節的作用；與實施例一相同，此處嵌入電阻的目的是改善天線的輻射電阻。至於是嵌入感性電子元件還是電阻，則根據需要而定。另外在未嵌入電子元件的空間中，採用導線短接。實施例四如圖5所示，在本實施例中，在微槽結構41上預留有嵌入容性電子元件的空間57，並且所述空間57連接微槽結構41兩側的金屬走線42。嵌入電子元件的空間不僅僅局限與圖5中給出的空間57，其他位置只要滿足條件均可。嵌入容性電子元件可以改變金屬片的諧振性能，最終改善天線的Q值及諧振工作點。作為公知常識，我們知道，通頻帶BW與諧振頻率《O和品質因數Q的關係為BW = wo/Q，此式表明，Q越大則通頻帶越窄，Q越小則通頻帶越寬。另有Q = wL/R= 1/wRC，其中，Q是品質因素；w是電路諧振時的電源頻率；L是電感；R是串的電阻；(是電容，由Q = wL/R = 1/wRC公式可知，Q和C呈反比，因此，可以通過加入容性電子元件來減小Q值，使通頻帶變寬。實施例五如圖6所示，在本實施例中，在饋線2、饋線2與金屬片4之間及金屬片4這三個位置上都設置供電子元件嵌入的空間。其中，金屬片4上的空間包括設置在金屬走線42上的空間以及設置在微槽結構41上且連接兩側的金屬走線42的空間。具體地，本實施例中的空間包括饋線2上的空間61，饋線2與金屬片4之間的空間63，金屬走線42上的空間65、66，微槽結構41上的空間67，當然，本實施例中給出的位置並不是唯一性的，本實施例中，在上述的空間中加入電子元件以調節天線的性能，其原理與實施例一至四的原理類似，本實施例不再描述。
本發明的天線100上空間的預留位置並不限於上述五種形式，空間只要設置在天線上即可。例如，空間還可以設置在介質基板上。本發明的所述電子元件為感性電子元件、容性電子元件或者電阻。在天線的預留空間中加入此類電子元件後，可以改善天線的各種性能。並且通過加入不同參數的電子元件，可以實現天線性能參數的可調。因此，本發明的天線在不加入任何元件之前可以是一樣的結構，只是通過在不同位置加入不同的電子元件，以及電子元件的參數(電感值、電阻值、電容值)，來實現不同天線的性能參數。即實現了通用性。可以大幅降低生產成本。
本發明的所述空間可以是焊盤，也可以是一個空缺。焊盤的結構可以參見普通的電路板上的焊盤。當然，其尺寸的設計根據不同的需要會有所不同。另外，本發明中，介質基板由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料製成。優選地，由高分子材料製成，具體地可以是FR-4、F4B等高分子材料。本發明中，金屬片為銅片或銀片。優選為銅片，價格低廉，導電性能好。本發明中，饋線選用與金屬片同樣的材料製成。優選為銅。本發明中，關於天線的加工製造，只要滿足本發明的設計原理，可以採用各種製造方式。最普通的方法是使用各類印刷電路板(PCB)的製造方法，當然，金屬化的通孔，雙面覆銅的PCB製造也能滿足本發明的加工要求。除此加工方式，還可以根據實際的需要引入其它加工手段，比如RFID (RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別技術，俗稱電子標籤)中所使用的導電銀漿油墨加工方式、各類可形變器件的柔性PCB加工、鐵片天線的加工方式以及鐵片與PCB組合的加工方式。其中，鐵片與PCB組合加工方式是指利用PCB的精確加工來完成天線微槽結構的加工，用鐵片來完成其它輔助部分。另外，還可以通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法來加工。本發明還提供一種電子標籤，該電子標籤包括射頻識別標籤天線，通過射頻識別標籤天線與讀寫器進行通信。射頻識別標籤天線的具體結構設計同上述的射頻識別讀寫器天線，上文所述的內容同樣適用於電子標籤中的射頻識別標籤天線，因此不再贅述。本發明還提供了一種射頻識別系統，如圖11所示，射頻識別系統1100至少包括電子標籤1101和讀寫器1102，讀寫器1102包括如上任一實施例所述的射頻識別讀寫器天線100。射頻識別系統1100工作時，由讀寫器1102通過射頻識別讀寫器天線100發出射頻信號，電子標籤1101通過標籤天線接收到讀寫器1102發出的讀寫指令後，返回射頻信號進行響應，把ID號和物品信息傳遞給讀寫器1102，從而實現物品自動識別。本發明還提供了另一種射頻識別系統，如圖12所示，射頻識別系統1200至少包括電子標籤1201和讀寫器1202，電子標籤1201包括與上述任一實施例所述的射頻識別讀寫器天線100相同結構的射頻識別標籤天線。射頻識別系統1200工作時，由讀寫器1202通過讀寫器天線發出射頻信號，電子標籤1201通過射頻識別標籤天線接收到讀寫器1202發出的讀寫指令後，返回射頻信號進行響應，把ID號和物品信息傳遞給讀寫器1202，從而實現物品自動識別。RFID的應用非常廣泛，目前典型應用有動物晶片、汽車晶片防盜器、門禁管制、停車場管制、生產線自動化、物料管理等等。本發明通過在饋線、饋線與金屬片之間及金屬片這三個位置的至少一個上設置供電子元件嵌入的空間，可以通過改變嵌入的電子元件的性能對標籤天線的性能進行微調，設計出滿足適應性及通用性的要求的標籤天線，無需更換標籤天線即可滿足不同的應用場景。上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於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，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多 形式，這些均屬於本發明的保護之內。
權利要求
1.一種讀寫器，與電子標籤進行通信，其特徵在於，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基板、饋線、附著在介質基板一表面的金屬片，所述饋線通過耦合方式饋入所述金屬片，所述金屬片上鏤空有微槽結構以在金屬片上形成金屬走線，所述天線預設有供電子元件嵌入的空間。
2.根據權利要求I所述的讀寫器，其特徵在於，所述空間設置在饋線、饋線與金屬片之間及金屬片這三個位置的至少一個上。
3.根據權利要求I或2所述的讀寫器，其特徵在於，所述電子元件為感性電子元件、容性電子元件或者電阻。
4.根據權利要求3所述的讀寫器，其特徵在於，所述空間為形成在所述天線上的焊盤。
5.一種電子標籤，與讀寫器進行通信，其特徵在於，包括射頻識別標籤天線，所述射頻識別標籤天線包括介質基板、饋線、附著在介質基板一表面的金屬片，所述饋線通過耦合方式饋入所述金屬片，所述金屬片上鏤空有微槽結構以在金屬片上形成金屬走線，所述天線預設有供電子元件嵌入的空間。
6.根據權利要求5所述的電子標籤，其特徵在於，所述空間設置在饋線、饋線與金屬片之間及金屬片這三個位置的至少一個上。
7.根據權利要求5或6所述的電子標籤，其特徵在於，所述電子元件為感性電子元件、容性電子元件或者電阻。
8.根據權利要求7所述的電子標籤，其特徵在於，所述空間為形成在所述天線上的焊盤。
9.一種射頻識別系統，其特徵在於，至少包括電子標籤和如權利要求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籤通信。
10.一種射頻識別系統，其特徵在於，至少包括讀寫器和如權利要求5 8任一項所述的電子標籤，所述電子標籤通過射頻識別標籤天線與所述讀寫器通信。
全文摘要
本發明涉及讀寫器、電子標籤和射頻識別系統。所述讀寫器與電子標籤進行通信，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基板、饋線、附著在介質基板一表面的金屬片，所述饋線通過耦合方式饋入所述金屬片，所述金屬片上鏤空有微槽結構以在金屬片上形成金屬走線，所述天線預設有供電子元件嵌入的空間。本發明還涉及電子標籤和射頻識別系統。根據本發明的技術方案，通過在讀寫器和電子標籤的天線上設置供電子元件嵌入的空間，並通過改變嵌入的電子元件的性能對天線的性能進行微調，設計出滿足適應性及通用性要求的天線，以用於各種射頻識別應用場合。
文檔編號G06K17/00GK102810167SQ201110172910
公開日2012年12月5日 申請日期2011年6月24日 優先權日2011年6月24日
發明者劉若鵬, 徐冠雄 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創新技術有限公司