標籤天線及標籤的製作方法
2023-10-11 12:59:14
本實用新型涉及射頻技術領域，且特別涉及一種標籤天線以及標籤。
背景技術：
目前，無源UHF RFID技術被廣泛應用於各行業，例如人員管理、冷鏈運輸等行業。而在某些應用背景下如人員管理，其需要將RFID標籤貼敷於人體上，因此很多場合都需要針對人體體表應用而設計專門的標籤天線。
在自由空間條件下，RFID閱讀器和RFID標籤之間的識別距離由以下公式決定：
在Pth(RFID晶片的最小觸閾值功率)和EIRP(與讀卡器有關的增益參數)一定的條件下，識別距離R主要由標籤天線的增益Gtag和傳輸係數τ決定。目前針對應用於人體體表上的標籤天線存在以下兩個難點：一是人體對能量的吸收使得標籤天線的增益Gtag呈較大的衰減，而衰減量主要由標籤和人體之間的距離決定；二是人體這種介質會使標籤天線的阻抗發生很大的變化，影響標籤和RFID晶片之間的阻抗匹配，從而使得傳輸係數τ大幅度降低。綜上所述，應用於人體體表上的標籤通常因為低增益Gtag和低傳輸係數τ而導致識別距離大大縮短，從而無法應用於人體體表上。
目前市面上的超高頻RFID由於在人體體表和自由空間下的阻抗差別很大，且標籤在人體體表上的增益較自由空間下降12dB甚至更高，嚴重限制了RFID在多種行業下的應用。
技術實現要素：
本實用新型為了克服現有RFID標籤應用於人體體表識別距離短的問題，提供一種在人體體表和自由空間下均具有較大識別距離的標籤天線及標籤。
為了實現上述目的，本實用新型提供一種標籤天線，包括基板和形成在基板上的天線圖案。其中天線圖案包括第一子結構、第二子結構和第三子結構。第一子結構呈封閉的環狀。第二子結構和第三子結構，兩者結構相同且呈對稱結構設置在第一子結構內，第二子結構和第三子結構分別與第一子結構相連接。第一子結構、第二子結構和第三子結構組成封閉狀。
於本實用新型一實施例中，第二子結構和第三子結構均包括饋電部、第一連接部、兩個第二連接部和兩個第三連接部。第一連接部與饋電部相連接，第一連接部的軸線和饋電部的軸線相垂直。兩個第二連接部分別連接在第一連接部的兩端。兩個第三連接部分別連接在兩個第二連接部及相應的第一子結構之間。
於本實用新型一實施例中，饋電部、第一連接部、第二連接部以及第三連接部四者的寬度和長度與連接在第二子結構饋電部和第三子結構饋電部之間的RFID晶片的阻抗相匹配。
於本實用新型一實施例中，饋電部、第一連接部、第二連接部以及第三連接部四者中，第三連接部的寬度最大。
於本實用新型一實施例中，天線圖案上無過孔和側面的金屬連接。
於本實用新型一實施例中，基板的厚度小於或等於0.1毫米，基板由塑料、陶瓷、環氧玻璃纖維板或聚醯亞胺板中的任一種製成。
於本實用新型一實施例中，天線圖案印刷於基板上。
於本實用新型一實施例中，天線圖案由金、銀、銅、鋁中的任一種材料製成。
相對應的，本實用新型另一方面還提供一種標籤，該標籤包括上述任一項中的標籤天線以及連接在第二子結構饋電部和第三子結構饋電部之間的RFID晶片。
於本實用新型一實施例中，標籤還包括形成在基板底部的墊層，墊層的厚度小於或等於2毫米。
綜上所述，本實用新型提供的標籤天線以及標籤與現有技術相比，具有以下優點：
通過設置第一子結構呈封閉的環狀且第一子結構、第二子結構和第三子結構三者組成封閉狀，該設置使得整個標籤天線呈封閉結構，即當天線接收到電信號後，天線內的電流分布呈環狀。這種環狀結構使得標籤貼於人體體表後天線上的電流分布變化不明顯，即阻抗較自由空間的阻抗變化不明顯，從而大大減小標籤在自由空間和人體體表下的阻抗差別，匹配提高，傳輸係數變大。同時該環狀結構減小了人體對增益的縮減效應，從而大幅度提高標籤應用在人體體表時的傳輸距離，從而使得標籤能同時應用在自由空間和人體體表。進一步的，第二子結構和第三子結構呈對稱狀設置在第一子結構內，對稱的結構可將高頻信號高度集中，從而大幅度提高標籤天線的增益。
此外，通過設置饋電部、第一連接部、第二連接部以及第三連接部四者的寬度和長度與連接在第二子結構饋電部和第三子結構饋電部之間的RFID晶片的阻抗相匹配來進一步使標籤天線獲得較高的增益。通過設置天線圖案印刷於基板上，天線圖案無過孔和側面的金屬連接，來使得標籤天線結構簡單且大大降低標籤天線的加工難度，特別適合於大批量生產。
為讓本實用新型的上述和其它目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合附圖，作詳細說明如下。
附圖說明
圖1所示為本實用新型一實施例提供的標籤天線的結構示意。
圖2所示為圖1中第二子結構的放大圖。
圖3所示為本實用新型一實施例提供的標籤的結構示意圖。
圖4所示為圖3所述標籤應用於人體體表時的結構示意圖。
圖5所示為本實用新型提供的標籤置於自由空間和人體體表時的輸入阻抗圖。
圖6所示為本實用新型提供的標籤置於自由空間下的增益方向圖。
圖7所示為本實用新型提供的標籤置於人體體表時的增益方向圖。
圖8所示為本實用新型提供的標籤置於自由空間和人體體表時的回波損耗圖。
具體實施方式
圖1所示為本實用新型一實施例提供的標籤天線的結構示意。圖2所示為圖1中的第二子結構的放大圖。圖3所示為本實用新型一實施例提供的標籤的結構示意圖。圖4所示為圖3所述標籤應用於人體體表時的結構示意圖。圖5所示為本實用新型提供的標籤置於自由空間和人體體表時的輸入阻抗圖。圖6所示為本實用新型提供的標籤置於自由空間下的增益方向圖。圖7所示為本實用新型提供的標籤置於人體體表時的增益方向圖。圖8所示為本實用新型提供的標籤置於自由空間和人體體表時的回波損耗圖。請一併參閱圖1至圖8。
如圖1所示，本實施例提供的標籤天線201包括基板10和形成在基板10上的天線圖案20。其中天線圖案20包括第一子結構1、第二子結構2和第三子結構3。第一子結構1呈封閉的環狀。第二子結構2和第三子結構3，兩者結構相同且呈對稱結構設置在第一子結構1內，第二子結構2和第三子結構3分別與第一子結構1相連接。第一子結構1、第二子結構2和第三子結構3組成封閉狀。
於本實施例中，第一子結構1為封閉的矩形環。矩形環的外部輪廓尺寸為130毫米*20毫米，矩形環的寬度為2毫米。然而，本實用新型對此不作任何限定。於其它實施例中，可以根據RFID晶片的阻抗來設計第一子結構1的具體形狀以及尺寸。
如圖2所示，第二子結構2和第三子結構3均包括饋電部21、第一連接部22、兩個第二連接部23和兩個第三連接部24。第一連接部22與饋電部21相連接，第一連接部22的軸線和饋電部21的軸線相垂直。兩個第二連接部23分別連接在第一連接部22的兩端。兩個第三連接部24分別連接在兩個第二連接部23及相應的第一子結構1之間。於本實施例中，饋電部21、第一連接部22、兩個第二連接部23以及兩個第三連接部24均為矩形結構，且設置饋電部21、第一連接部22、第二連接部23以及第三連接部24四者中，第三連接部24的寬度最大。寬度越大，阻抗越小，該設置減小了第三連接部24和第一子結構1之間的連接阻抗。為提高天線的讀取距離，在天線優化設計中，設置饋電部21、第一連接部22、第二連接部23和第三連接部24四者的寬度和長度與連接在第二子結構饋電部和第三子結構饋電部之間的RFID晶片的阻抗相匹配。於本實施例中，晶片在工作頻率915MHz時具有25-j*150(天線的輸入阻抗是一個複數，j為虛單元)的輸入阻抗，因此在設計天線圖案20尺寸時，應儘可能的使天線圖案20的阻抗接近25+j*150。阻抗匹配可大大減小信號能量在傳輸過程中的損耗，大幅度提高信號的讀取距離。
於本實施例中，饋電部21的尺寸為8.5毫米*3毫米；第一連接部22的尺寸為7毫米*2毫米；第二連接部23的尺寸為13毫米*1.5毫米；第三連接部24的尺寸為4.5毫米*4.0毫米。該尺寸的天線圖案20在自由空間下工作頻率為915MHz時具有26+j*151的輸入阻抗，而在置於人體體表時具有25+j*151的輸入阻抗，兩者的輸入阻抗均與RFID晶片的阻抗相匹配。然而，本實用新型對天線圖案20的具體尺寸不作任何限定。於其它實施例中，只需簡單的調節饋電部21、第一連接部22、兩個第二連接部23和兩個第三連接部24四者的長度尺寸和寬度尺寸即可滿足其它RFID晶片的阻抗匹配。
如圖5所示，im-body為標籤置於人體體表時天線輸入阻抗的虛部在不同工作頻率下的曲線，im-vacuum為標籤置於自由空間時天線輸入阻抗的虛部在不同工作頻率下的曲線，re-body為標籤置於人體體表時天線輸入阻抗的實部在不同工作頻率下的曲線，re-vacuum為標籤置於自由空間時天線輸入阻抗的實部在不同工作頻率下的曲線。從圖中可以看出，本實施例提供的標籤天線在自由空間下工作頻率為915MHz時具有26+j*151的輸入阻抗，而置於人體體表時具有25+j*151的輸入阻抗，兩者差別非常小。該數據表明本實施例提供的標籤天線既適用於人體體表，也適用於自由空間，大大提升了標籤的使用範圍。該效果的實現是因為在本實用新型中設置第一子結構1呈封閉的環狀且第一子結構1、第二子結構2和第三子結構3三者組成封閉狀，該設置使得整個標籤天線呈封閉結構。當天線接收到電信號後，天線內的電流分布呈環狀。這種環狀結構使得標籤貼於人體體表後天線上的電流分布變化不明顯，即阻抗較自由空間變化不明顯，從而大大減小標籤在自由空間和人體體表下的阻抗差別，匹配提高，傳輸係數變大。同時該環狀結構減小了人體對增益的縮減效應，從而大幅度提高標籤應用在人體體表時的傳輸距離，使得標籤能同時應用在自由空間和人體體表上。
圖6和圖7分別給出了標籤置於自由空間下和人體體表時的增益方向圖，圖中虛線為PHi等於0度下的增益方向圖，實線為PHi等於90度下的增益方向圖。在自由空間內，本實用新型提供的標籤其天線增益可達2.3dBi，綁定915MHz處阻抗為25-j*150、-9dBm閾值功率的晶片，自由空間下，實測標籤的識別距離4.5米，穩定讀取有效溫度的距離可達3.5米。而在人體體表下，天線增益可達-5.6dBi，人體體表上實測標籤的識別距離1.5米，穩定讀取有效溫度的距離可達1米，遠遠超過現有標籤在人體體表下的識別距離。
圖8所示為本實用新型提供的標籤置於自由空間和人體體表時的回波損耗圖，其中實線為標籤在人體體表時的回波損耗，虛線為標籤在自由空間下的回波損耗。從圖中可以看出，本實施例提供的標籤，通過優化天線圖案後其在自由空間和人體體表下的回波損耗相近，且標籤天線在人體體表的增益衰減較小，即實現了抗人體的目的。同時，-10dB回波損耗帶寬覆蓋全球超高頻RFID系統頻段，可在複雜環境下保持較穩定的性能。圖8中縱坐標S11_RFID為回波損耗。
由於本實施例提供的標籤要置於人體體表，因此要求標籤的尺寸不能太大，於本實施例中，基板10的平面尺寸為132毫米*22毫米，僅略大於天線圖案20的尺寸；基板10的厚度等於0.1毫米。然而，本實用新型對此不作任何限定。於其它實施例中，當天線圖案20尺寸發生變化時，基板10的平面尺寸隨其變化，但始終保持基板10的平面尺寸略大於天線圖案20的尺寸即可；同樣的，基板10的厚度也可小於0.1毫米。
於本實施例中，天線圖案20採用印刷的方式形成在基板10上，天線圖案20上無過孔和側面的金屬連接，該設置使得標籤天線結構簡單且大大降低標籤天線的加工難度，特別適合於大批量生產。
於本實施例中，天線圖案20由銅材料製成，基板10為聚醯亞胺板(PI板)。然而，本實用新型對此不作任何限定。於其它實施例中，天線圖案20可由金、銀、鋁或其它導電金屬材料製成；基板10可為塑料、陶瓷或環氧玻璃纖維板中的任一種。
相對應的，本實施例還提供一種標籤200，該標籤200包括本實施例提供的標籤天線201和連接在第二子結構饋電部和第三子結構饋電部之間的RFID晶片202。於本實施例中，RFID晶片202通過焊接的方式連接在第二子結構饋電部和第三子結構饋電部之間。然而，本實用新型對此不作任何限定。於其它實施例中，RFID晶片202可通過綁定的方式連接在第二子結構饋電部和第三子結構饋電部之間。
進一步的，為便於人體204使用，於本實施例中，標籤200還包括形成在基板10底部的墊層203，墊層203的厚度小於或等於2毫米。優選的，設置墊層203為醫用泡棉。然而，本實用新型對此不作任何限定。
綜上所述，本實用新型提供的標籤天線以及標籤與現有技術相比，具有以下優點：
通過設置第一子結構呈封閉的環狀且第一子結構、第二子結構和第三子結構三者組成封閉狀，該設置使得整個標籤天線呈封閉結構，即當天線接收到電信號後，天線內的電流分布呈環狀。這種環狀結構使得標籤貼於人體體表後天線上的電流分布變化不明顯，即阻抗較自由空間變化不明顯，從而大大減小標籤在自由空間和人體體表下的阻抗差別，匹配提高，傳輸係數變大，同時該環狀結構減小了人體對增益的縮減效應，從而大幅度提高標籤應用在人體體表時的傳輸距離，從而使得標籤能同時應用在自由空間和人體體表。進一步的，第二子結構和第三子結構呈對稱狀設置在第一子結構內，對稱的結構可將高頻信號高度集中，從而大幅度提高標籤天線的增益。
此外，通過設置饋電部、第一連接部、第二連接部以及第三連接部四者的寬度和長度與連接在第二子結構饋電部和第三子結構饋電部之間的RFID晶片的阻抗相匹配來進一步使標籤天線獲得較高的增益。通過設置天線圖案印刷於基板上，天線圖案無過孔和側面的金屬連接，來使得標籤天線結構簡單且大大降低標籤天線的加工難度，特別適合於大批量生產。
雖然本實用新型已由較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本實用新型，任何熟知此技藝者，在不脫離本實用新型的精神和範圍內，可作些許的更動與潤飾，因此本實用新型的保護範圍當視權利要求書所要求保護的範圍為準。