本發(fā)明涉及標簽天線領(lǐng)域，特別是一種雙層結(jié)構(gòu)寬頻帶UHFRFID抗金屬標簽天線。
背景技術(shù)：
：射頻識別(RadioFrequencyIdentification)技術(shù)起源于第二次世界大戰(zhàn)期間的敵我識別系統(tǒng)，是一種基于射頻通信原理和雷達原理實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)。UHF頻段的RFID技術(shù)(860～960MHz)有工作性能穩(wěn)定、識別距離遠、成本低廉等優(yōu)點，故被廣泛的應用于物流供應、倉儲管理、商品零售和生產(chǎn)自動化管理等領(lǐng)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(shù)十歐姆，虛部數(shù)百歐姆,為了使標簽天線工作在良好的性能狀態(tài)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(chǎn)難度，一般標簽天線通常采用的都是偶極子結(jié)構(gòu)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(chǎn)生迅速的衰減，導致天線失效。為了解決金屬環(huán)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(zhì)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(jù)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(jié)構(gòu)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(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)生一定影響。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)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(jié)構(gòu)寬頻帶UHFRFID抗金屬標簽天線。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種雙層結(jié)構(gòu)寬頻帶UHFRFID抗金屬標簽天線，包括上層介質(zhì)板、下層介質(zhì)板和標簽芯片；該上層介質(zhì)板上表面印制有類偶極子天線；該下層介質(zhì)板的上表面、下表面和兩側(cè)包裹有金屬貼片，且上表面的金屬貼片開設(shè)有矩形的耦合縫隙；該標簽芯片位于上層介質(zhì)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(shè)有中心槽和偶數(shù)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(cè)。優(yōu)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(cè)均設(shè)有至少一該第一方形槽。優(yōu)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(cè)均設(shè)有至少一該第二方形槽。優(yōu)選的，所述中心槽兩側(cè)的方形槽數(shù)量相同且互相平行。優(yōu)選的，所述上層介質(zhì)板采用介電常數(shù)為4.4，正切損耗角為0.02的環(huán)氧玻璃纖維板，厚度介于1mm-2mm。優(yōu)選的，所述耦合縫隙的寬度介于2.5mm-4mm。優(yōu)選的，所述下層介質(zhì)板采用介電常數(shù)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(yōu)選的，所述方形槽的寬度介于0.9mm-3.9mm。優(yōu)選的，所述方形槽的長度介于8.2mm-11.2mm。優(yōu)選的，所述上層介質(zhì)板或下層介質(zhì)板的長度介于65mm-85mm，寬度介于15mm-30mm。由上述對本發(fā)明的描述可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：1、本發(fā)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(wěn)定的工作狀態(tài)，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(yōu)點。2、本發(fā)明的標簽天線，整體最優(yōu)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(nèi)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(fā)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(wěn)定性要求較高的使用場景。附圖說明圖1為本發(fā)明的主視圖；圖2為本發(fā)明的側(cè)視圖；圖3為本發(fā)明的標注示意圖；圖4為本發(fā)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(shù)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(shù)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(shù)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(zhì)板，20、下層介質(zhì)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(fā)明作進一步的描述。參照圖1至圖3,一種雙層結(jié)構(gòu)寬頻帶UHFRFID抗金屬標簽天線，包括上層介質(zhì)板10、下層介質(zhì)板20和標簽芯片30。該上層介質(zhì)板10采用介電常數(shù)為4.4，正切損耗角為0.02的環(huán)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(zhì)板20采用介電常數(shù)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(zhì)板10和下層介質(zhì)板20的長度介于65mm-85mm，寬度介于15mm-30mm。該下層介質(zhì)板20的上表面、下表面和兩側(cè)均包裹有金屬貼片50，且上表面的金屬貼片50開設(shè)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(gòu)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(zhì)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(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(shè)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(shè)置于該中心槽41內(nèi)。這些方形槽為縱向布置且位于該中心槽41的兩側(cè)，兩側(cè)的方形槽數(shù)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)遠離中心槽41位置。且左側(cè)的第一方形槽42和第二方形槽43之間的距離與右側(cè)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(fā)明方形槽的數(shù)量不唯一，可以是六個、四個或其它偶數(shù)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(fā)明天線的最優(yōu)尺寸如下表：表1(單位mm)WLh1h2WfW1L1W2L2WkLkdk2075122.55.59.513251.910.28.6通過調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(fā)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(shè)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(yōu)化。將本發(fā)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(huán)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(chǎn)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(fā)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(shù)S11＝-31.6dB。此時所設(shè)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(xiàn)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(jù)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(fā)送功率，Pth為標簽芯片30的最小啟動功率(可從芯片產(chǎn)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(shù)，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(shù)。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(xiàn)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(shù)的雙端口矢量分析儀測量方法，使用矢量網(wǎng)絡分析儀測出標簽天線的S參數(shù)，然后根據(jù)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(shè)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(fā)共用天線，測試設(shè)備輸出功率設(shè)為26dBm，即輻射功率為33dBm(3.2WEIRP)。根據(jù)公式(1)可以計算出理想狀態(tài)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(shè)計不是基于50的匹配，因此會產(chǎn)生較大的損耗。還有由于加工精度和測試環(huán)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(jié)果，標簽天線的識別距離滿足日常使用需求，并好于傳統(tǒng)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(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的設(shè)計構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對本發(fā)明進行非實質(zhì)性的改動，均應屬于侵犯本發(fā)明保護范圍的行為。當前第1頁1 2 3