一種雙層結構寬頻帶UHFRFID抗金屬標簽天線的制作方法

本發明涉及標簽天線領域，特別是一種雙層結構寬頻帶UHFRFID抗金屬標簽天線。
背景技術：
：射頻識別(RadioFrequencyIdentification)技術起源于第二次世界大戰期間的敵我識別系統，是一種基于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，故被廣泛的應用于物流供應、倉儲管理、商品零售和生產自動化管理等領域。無源RFID標簽由標簽天線和芯片組成，常見的UHF頻段RFID標簽芯片阻抗典型值為實部數十歐姆，虛部數百歐姆,為了使標簽天線工作在良好的性能狀態下，應使標簽天線輸入阻抗與標簽芯片的阻抗達到共扼匹配。為了降低成本和生產難度，一般標簽天線通常采用的都是偶極子結構天線及其變形,然而，但當標簽被置于金屬物體表面時，標簽的輸入阻抗、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簽天線工作性能影響的問題，人們做過很多研究，例如在標簽天線下方附著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簽天線的性能，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型標簽天線，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。傳統抗金屬標簽天線都會通過短路銷釘、短路通孔或短路貼片將標簽天線與地面相連接，來消除金屬表面對標簽天線性能的影響，但這樣會增加標簽天線的體積、生產難度和成本，而且金屬表面的尺寸大小會對抗金屬標簽天線的性能產生一定影響。技術實現要素：本發明的主要目的在于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抗金屬標簽天線。本發明采用如下技術方案：一種雙層結構寬頻帶UHFRFID抗金屬標簽天線，包括上層介質板、下層介質板和標簽芯片；該上層介質板上表面印制有類偶極子天線；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；該標簽芯片位于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簽芯片；該方形槽為縱向布置且位于該中心槽的兩側。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，所述上層介質板采用介電常數為4.4，正切損耗角為0.02的環氧玻璃纖維板，厚度介于1mm-2mm。優選的，所述耦合縫隙的寬度介于2.5mm-4mm。優選的，所述下層介質板采用介電常數為3.55，正切損耗角為0.002的聚四氟乙烯板，厚度介于2mm-4mm。優選的，所述方形槽的寬度介于0.9mm-3.9mm。優選的，所述方形槽的長度介于8.2mm-11.2mm。優選的，所述上層介質板或下層介質板的長度介于65mm-85mm，寬度介于15mm-30mm。由上述對本發明的描述可知，與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：1、本發明的標簽天線，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，并且能夠匹配多種不同阻抗的標簽芯片，具有尺寸小、寬帶寬和識別距離遠等優點。2、本發明的標簽天線，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，與標簽芯片達到良好共軛匹配，相對帶寬達到了197MHz。3、本發明的標簽天線，在915MH時的實測識別距離達到了5.8米，足以滿足抗金屬標簽天線的使用要求，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為本發明的主視圖；圖2為本發明的側視圖；圖3為本發明的標注示意圖；圖4為本發明的等效電路圖；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對天線反射系數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對天線反射系數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對天線反射系數S11的影響；圖14為標簽天線2D方向圖；圖15為標簽天線3D方向圖；圖16為標簽天線實測的輸入阻抗實部；圖17為標簽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、標簽芯片，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發明作進一步的描述。參照圖1至圖3,一種雙層結構寬頻帶UHFRFID抗金屬標簽天線，包括上層介質板10、下層介質板20和標簽芯片30。該上層介質板10采用介電常數為4.4，正切損耗角為0.02的環氧玻璃纖維板(FR4)，厚度h1介于1mm-2mm，其上表面印制有類偶極子天線40。該下層介質板20采用介電常數為3.55，正切損耗角為0.002的聚四氟乙烯板，厚度h2介于2mm-4mm。上層介質板10和下層介質板20的長度介于65mm-85mm，寬度介于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介于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。該標簽芯片30位于上層介質板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，從而激活標簽芯片30。激活芯片，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，從而使標簽芯片30有足夠的能量工作。本發明的標簽芯片30采用市場上較為常見的美國英頻杰(Impinj)公司生產的M4QT芯片，該芯片具有－19.5dBm讀取靈敏度。該芯片在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，標簽芯片30設置于該中心槽41內。這些方形槽為縱向布置且位于該中心槽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位于類偶極子天線40左側遠離中心槽41位置，另一第一方形槽42位于類偶極子天線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位于類偶極子天線40左側靠近中心槽41位置，另一第一方形槽42位于類偶極子天線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介于0.9mm-3.9mm，長度Lk介于8.2mm-11.2mm。本發明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于標簽芯片能達到很好的共軛匹配。本發明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，從而使天線與標簽芯片30達到很好的共軛匹配。本發明標簽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，采用有限元仿真軟件AnsoftHFSS對天線進行模型建立和仿真優化。將本發明的天線直接置于一個尺寸為200mm*200mm的有限金屬地板上，來模擬金屬環境對標簽天線的影響。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，標簽天線的輸入阻抗為3.48+j143.59，本發明標簽天線與標簽芯片30達到良好的共軛匹配，此時反射系數S11＝-31.6dB。此時所設計的標簽天線的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。標簽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簽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為標簽芯片30的最小啟動功率(可從芯片產品說明書中查到)，為標簽天線與閱讀器天線之間的極化匹配系數，Gtag為標簽天線的實際增益，可表示為Gtag＝Gt，其中Gt為標簽天線的讀取增益，為標簽天線與芯片之間的功率傳輸系數。若標簽芯片30的阻抗為Zc＝Rc+jXc，標簽天線的阻抗為Zt＝Rt+jXt，則可表示為由于識別效率的要求，一般會采用圓極化的閱讀器天線，這樣在標簽天線與閱讀器天線之間存在一個3dB的極化失配。表2標簽天線在各頻點的增益和理論識別距離表2展示了標簽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分別給出了標簽天線在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，這意味著標簽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。采用基于S參數的雙端口矢量分析儀測量方法，使用矢量網絡分析儀測出標簽天線的S參數，然后根據公式(3)計算出標簽天線的輸入阻抗(Z0＝50)，標簽天線的實測阻抗如圖10所示。測試設備采用跳頻工作方式，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簽天線的識別距離，標簽天線的實測識別距離如表3所示。測試時使用的自制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于50的匹配，因此會產生較大的損耗。還有由于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，標簽天線的識別距離滿足日常使用需求，并好于傳統抗金屬標簽天線。表3為標簽天線實測識別距離。表3上述僅為本發明的具體實施方式，但本發明的設計構思并不局限于此，凡利用此構思對本發明進行非實質性的改動，均應屬于侵犯本發明保護范圍的行為。當前第1頁1 2 3