一種雙層結構寬頻帶UHFRFID抗金屬標籤天線的製作方法

2023-04-25 14:35:56

本實用新型涉及標籤天線領域，特別是一種雙層結構寬頻帶UHFRFID抗金屬標籤天線。
背景技術：
：射頻識別(RadioFrequencyIdentification)技術起源於第二次世界大戰期間的敵我識別系統，是一種基於射頻通信原理和雷達原理實現的非接觸式自動識別技術。UHF頻段的RFID技術(860～960MHz)有工作性能穩定、識別距離遠、成本低廉等優點，故被廣泛的應用於物流供應、倉儲管理、商品零售和生產自動化管理等領域。無源RFID標籤由標籤天線和晶片組成，常見的UHF頻段RFID標籤晶片阻抗典型值為實部數十歐姆，虛部數百歐姆,為了使標籤天線工作在良好的性能狀態下，應使標籤天線輸入阻抗與標籤晶片的阻抗達到共扼匹配。為了降低成本和生產難度，一般標籤天線通常採用的都是偶極子結構天線及其變形,然而，但當標籤被置於金屬物體表面時，標籤的輸入阻抗、方向圖和增益都會產生迅速的衰減，導致天線失效。為了解決金屬環境對標籤天線工作性能影響的問題，人們做過很多研究，例如在標籤天線下方附著EBG(ElectronicBandGap)介質材料或人工磁導體AMC(ArtificialMagneticConductor)材料，改變反射波相位從而提高標籤天線的性能，但這種方法往往成本高、加工難度大；還有根據PIFA天線需要作為金屬地板的特性，將金屬表面作為地板的PIFA型標籤天線，但此種結構一般需要短路銷釘或貼片將天線與地板相連，提高了加工難度。傳統抗金屬標籤天線都會通過短路銷釘、短路通孔或短路貼片將標籤天線與地面相連接，來消除金屬表面對標籤天線性能的影響，但這樣會增加標籤天線的體積、生產難度和成本，而且金屬表面的尺寸大小會對抗金屬標籤天線的性能產生一定影響。技術實現要素：本實用新型的主要目的在於克服現有技術中的上述缺陷，提出一種省去了短路銷釘或短路通孔、降低了加工難度，縮小了天線的尺寸，提高了天線的增益的雙層結構寬頻帶UHFRFID抗金屬標籤天線。本實用新型採用如下技術方案：一種雙層結構寬頻帶UHFRFID抗金屬標籤天線，包括上層介質板、下層介質板和標籤晶片；該上層介質板上表面印製有類偶極子天線；該下層介質板的上表面、下表面和兩側包裹有金屬貼片，且上表面的金屬貼片開設有矩形的耦合縫隙；該標籤晶片位於上層介質板的上表面相對耦合縫隙處且與類偶極子天線相連；該類偶極子天線設有中心槽和偶數個方形槽；該中心槽縱向貫通該類偶極子天線中部以容納該標籤晶片；該方形槽為縱向布置且位於該中心槽的兩側。優選的，所述方形槽包括有沿所述類偶極子天線上端向下延伸的第一方形槽，所述中心槽兩側均設有至少一該第一方形槽。優選的，所述方形槽包括有沿所述類偶極子天線下端向上延伸的第二方形槽，所述中心槽兩側均設有至少一該第二方形槽。優選的，所述中心槽兩側的方形槽數量相同且互相平行。優選的，所述上層介質板採用介電常數為4.4，正切損耗角為0.02的環氧玻璃纖維板，厚度介於1mm-2mm。優選的，所述耦合縫隙的寬度介於2.5mm-4mm。優選的，所述下層介質板採用介電常數為3.55，正切損耗角為0.002的聚四氟乙烯板，厚度介於2mm-4mm。優選的，所述方形槽的寬度介於0.9mm-3.9mm。優選的，所述方形槽的長度介於8.2mm-11.2mm。優選的，所述上層介質板或下層介質板的長度介於65mm-85mm，寬度介於15mm-30mm。由上述對本實用新型的描述可知，與現有技術相比，本實用新型具有如下有益效果：1、本實用新型的標籤天線，省去了短路銷釘或短路通孔，降低了加工難度，有著穩定的工作狀態，並且能夠匹配多種不同阻抗的標籤晶片，具有尺寸小、寬帶寬和識別距離遠等優點。2、本實用新型的標籤天線，整體最優尺寸為75mm×20mm×3mm(長×寬×厚)，仿真最大增益3.3dBi，S11能在795MHz-992MHZ的寬頻帶內保持在-10dB以下，與標籤晶片達到良好共軛匹配，相對帶寬達到了197MHz。3、本實用新型的標籤天線，在915MH時的實測識別距離達到了5.8米，足以滿足抗金屬標籤天線的使用要求，且適用與對識別穩定性要求較高的使用場景。附圖說明圖1為本實用新型的主視圖；圖2為本實用新型的側視圖；圖3為本實用新型的標註示意圖；圖4為本實用新型的等效電路圖；圖5為耦合縫隙寬度Wf對天線輸入阻抗實部的影響；圖6為耦合縫隙寬度Wf對天線輸入阻抗虛部的影響；圖7為耦合縫隙寬度Wf對天線反射係數S11的影響；圖8為方形槽長度Lk對天線輸入阻抗實部的影響；圖9為方形槽長度Lk對天線輸入阻抗虛部的影響；圖10為方形槽長度Lk對天線反射係數S11的影響；圖11為方形槽長度Wk對天線輸入阻抗實部的影響；圖12為方形槽長度Wk對天線輸入阻抗虛部的影響；圖13為方形槽長度Wk對天線反射係數S11的影響；圖14為標籤天線2D方向圖；圖15為標籤天線3D方向圖；圖16為標籤天線實測的輸入阻抗實部；圖17為標籤天線實測的輸入阻抗虛部；其中：10、上層介質板，20、下層介質板，21、耦合縫隙，30、標籤晶片，40、類偶極子天線，41、中心槽，42、第一方形槽，43、第二方形槽，50、金屬貼片。具體實施方式以下通過具體實施方式對本實用新型作進一步的描述。參照圖1至圖3,一種雙層結構寬頻帶UHFRFID抗金屬標籤天線，包括上層介質板10、下層介質板20和標籤晶片30。該上層介質板10採用介電常數為4.4，正切損耗角為0.02的環氧玻璃纖維板(FR4)，厚度h1介於1mm-2mm，其上表面印製有類偶極子天線40。該下層介質板20採用介電常數為3.55，正切損耗角為0.002的聚四氟乙烯板，厚度h2介於2mm-4mm。上層介質板10和下層介質板20的長度介於65mm-85mm，寬度介於15mm-30mm。該下層介質板20的上表面、下表面和兩側均包裹有金屬貼片50，且上表面的金屬貼片50開設有矩形的耦合縫隙21，耦合縫隙21的寬度Wf介於2.5mm-4mm。該金屬貼片50、耦合縫隙21構成耦合諧振腔，且金屬貼片為銅箔。該標籤晶片30位於上層介質板10的上表面相對耦合縫隙21處且與類偶極子天線40相連，該類偶極子天線40和耦合諧振腔通過耦合縫隙21產生諧振，從而激活標籤晶片30。激活晶片，就是通過類偶極子天線40接收到電磁波的能量，激活諧振電路，從而使標籤晶片30有足夠的能量工作。本實用新型的標籤晶片30採用市場上較為常見的美國英頻傑(Impinj)公司生產的M4QT晶片，該晶片具有－19.5dBm讀取靈敏度。該晶片在915MHz時的阻抗值為Zc＝11-j143Ω。該類偶極子天線40設有中心槽41和四個方形槽。該中心槽41縱向貫通該類偶極子天線40中部，標籤晶片30設置於該中心槽41內。這些方形槽為縱向布置且位於該中心槽41的兩側，兩側的方形槽數量相同且互相平行。具體的：該方形槽包括有兩沿類偶極子天線40上端向下延伸的第一方形槽42，其中一第一方形槽42位於類偶極子天線40左側遠離中心槽41位置，另一第一方形槽42位於類偶極子天線40右側靠近中心槽41位置。該方形槽還包括兩有沿類偶極子天線40下端向上延伸的第二方形槽43，其中一第二方形槽43位於類偶極子天線40左側靠近中心槽41位置，另一第一方形槽42位於類偶極子天線40右側遠離中心槽41位置。且左側的第一方形槽42和第二方形槽43之間的距離與右側的第一方形槽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介於0.9mm-3.9mm，長度Lk介於8.2mm-11.2mm。本實用新型方形槽的數量不唯一，可以是六個、四個或其它偶數個，只需確保天線的輸入阻抗於標籤晶片能達到很好的共軛匹配。本實用新型天線的最優尺寸如下表：表1(單位mm)WLh1h2WfW1L1W2L2WkLkdk2075122.55.59.513251.910.28.6通過調節下層的耦合縫隙21的寬度Wf和上層類偶極子天線40的方形槽長度Lk和寬度Wk，可以有效的調節天線的諧振頻率和阻抗，從而使天線與標籤晶片30達到很好的共軛匹配。本實用新型標籤天線的等效電路圖如圖3所示。為了快捷準確的驗證設計的準確性和可靠性，採用有限元仿真軟體AnsoftHFSS對天線進行模型建立和仿真優化。將本實用新型的天線直接置於一個尺寸為200mm*200mm的有限金屬地板上，來模擬金屬環境對標籤天線的影響。圖5、圖6和圖7分別給出了耦合縫隙21的寬度Wf對天線輸入阻抗和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，天線的輸入阻抗的實部和虛部會隨之減小，即天線的諧振頻率會隨Wf的增大而向高頻移動。類偶極子天線40的方形槽長度Lk和寬度Wk對天線輸入阻抗和S11產生影響。由圖8-10和圖11-13可以看出，隨著類偶極子天線40的方形槽長度Lk和寬度Wk的不斷增加，天線的輸入阻抗的實部和虛部會隨之增大，即天線的諧振頻率會隨Lk和Wk的增大而向低頻移動。當耦合縫隙21寬度Wf＝2.5mm、類偶極子天線40的方形槽長度Lk＝10.2mm、寬度Wk＝1.9mm時，標籤天線的輸入阻抗為3.48+j143.59，本實用新型標籤天線與標籤晶片30達到良好的共軛匹配，此時反射係數S11＝-31.6dB。此時所設計的標籤天線的S11<-10dB帶寬達到了197MHz，能夠有效的全覆蓋UHF工作頻段，實現良好的工作性能。標籤天線的閱讀距離是最重要的性能指標，根據Friis公式可以得出計算標籤天線理論讀取距離的公式(1)。其中PEIRP為閱讀器天線的等效全向發送功率，Pth為標籤晶片30的最小啟動功率(可從晶片產品說明書中查到)，為標籤天線與閱讀器天線之間的極化匹配係數，Gtag為標籤天線的實際增益，可表示為Gtag＝Gt，其中Gt為標籤天線的讀取增益，為標籤天線與晶片之間的功率傳輸係數。若標籤晶片30的阻抗為Zc＝Rc+jXc，標籤天線的阻抗為Zt＝Rt+jXt，則可表示為由於識別效率的要求，一般會採用圓極化的閱讀器天線，這樣在標籤天線與閱讀器天線之間存在一個3dB的極化失配。表2標籤天線在各頻點的增益和理論識別距離表2展示了標籤天線在不同國家所使用的RFID頻段處的增益和理論識別距離。在中心頻率915MHz時，識別距離達到了6.24米，足夠滿足實際使用要求。圖14和圖15分別給出了標籤天線在915MH在時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，這意味著標籤天線能實現大角度的識別，有著很好的識別成功率和識別速率。採用基於S參數的雙埠矢量分析儀測量方法，使用矢量網絡分析儀測出標籤天線的S參數，然後根據公式(3)計算出標籤天線的輸入阻抗(Z0＝50)，標籤天線的實測阻抗如圖10所示。測試設備採用跳頻工作方式，使用增益為7dBi的圓極化天線作為收發共用天線，測試設備輸出功率設為26dBm，即輻射功率為33dBm(3.2WEIRP)。根據公式(1)可以計算出理想狀態下標籤天線的識別距離，標籤天線的實測識別距離如表3所示。測試時使用的自製測試工具是利用兩條半剛同軸饋線共地拼接而成，同軸饋線的阻值為50，而天線的設計不是基於50的匹配，因此會產生較大的損耗。還有由於加工精度和測試環境等不定因素，造成實際測試的讀取距離和理論最大讀取距離存在一定偏差。但目前測試結果，標籤天線的識別距離滿足日常使用需求，並好於傳統抗金屬標籤天線。表3為標籤天線實測識別距離。表3上述僅為本實用新型的具體實施方式，但本實用新型的設計構思並不局限於此，凡利用此構思對本實用新型進行非實質性的改動，均應屬於侵犯本實用新型保護範圍的行為。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp