一种偶极子天线及使用该天线的RFID标签制造技术

本实用新型专利技术提出了一种偶极子天线及使用这种天线的RFID标签。该天线包括弯折偶极子（11）和感应线圈（12），两者通过感应耦合方式间接连接或直接电连接方式连接，所述弯折偶极子（11）包括两部分，该感应线圈（12）设置在弯折偶极子（11）两部分中间，感应线圈12上设置有馈电点（111）和（112），用于连接芯片。该标签包括所述天线、基板和芯片。本实用新型专利技术结构简单，便于制造，具有较大的增益和带宽，能够方便的调节阻抗和谐振频率，并能够适应多种应用环境的小型化偶极子天线。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及天线领域，特别涉及在超高频RFID系统中使用的偶极子天线以 及使用该天线的标签。
技术介绍
无线射频识别技术(RFID)作为一种近距离的无线通讯，是物联网的重要支 撑技术之一。通常的RFID系统主要由标签、读写器和服务器组成，通过标签和读写器 进行信息采集，而服务器完成数据处理。RFID系统有多个通信频段可用，分别为低频 LF(125kHz-134kHz)、高频 HF(13. 56MHz)、超高频 UHF(860MHz_960MHz)和微波(2. 45GHz、 5. 8GHz)。其中低频和高频通过电感耦合的方式实现数据通信，读写距离一般不超过lm。而 超高频和微波使用电磁波反向散射的原理，其读写距离可达10m，有源标签能实现更远的读 写距离。影响超高频标签的读写距离主要因素有读写器发射功率、标签芯片的灵敏度和标 签天线的设计。其中读写器的发射功率考虑到其对环境的影响以及对其他无线通信系统的 干扰，在各个国家都有明文规定，我国信息产业部在2007年发布的《800-900MHZ频段射频 识别(RFID)技术应用规定(试行)》中规定的读写器有效发射功率(ERP)为2W。标签芯片 的灵敏度随着IC技术的进步而不断提高，目前成熟的商用芯片读取灵敏度可达-19. 9dBm, 写入灵敏度达-17. 4dBm。在读写器发射功率受限，标签芯片灵敏度不可改变的情况下，标签 天线的设计对提高系统性能就起到了决定性的作用。在无源UHF RFID系统中，标签通过天线接收读写器发射的电磁波，接收的能量为 芯片提供能量。芯片对接收到的数据进行处理后，再通过天线发射出去。读写器接收到有 效的数据反馈，便完成一次数据通信。在这个过程中，为了使系统性能达到最佳，要求天线 有较大的增益。为了使天线传输给芯片的能量达到最大，要求天线与芯片之间实现阻抗匹 配。由于天线制造的工艺和成本限制，阻抗匹配不能通过外接集总元件实现，而只能通过调 整天线结构实现。因此，天线设计的目的在于获得较大的增益并实现阻抗匹配，从而使标签 读写距离达到最佳。标签的读写距离受到环境、标签附着物的材料、标签与读写器天线的方位等环境 因素的影响。在不考虑环境因素的理想情况下，标签的最大读写距离d可用自由空间的 Friis 公^算，其中，c为电磁波的传播速度，f为谐振频率，已为读写器发射的功率，&为读写器 天线的增益，Gt为标签天线的增益，ρ为极化损失，Pth为标签芯片的门限功率，τ为功率传 输系数。功率传输系数τ表征从天线到芯片的能量传输能力。标签天线既是接收天线，也3收时^fk是发射天线。以接τ 二(Za+Zc)(2)其中，、=Ra+jXa，Zc = R。+jX。分别为天线和芯片的阻抗，Ra、Xa为天线阻抗的实 部和虚部，R。、X。为芯片阻抗的实部和虚部。当丨=1时，τ取得最大值1。当标签增益Gt和功率传输系数τ达到最大值时，标签的读写距离达到最大值。半 波偶极子天线的方向性为1.64，若不计损耗，则增益可达2. 15dB。由半波偶极子天线的定 义，天线的总长度应为其波长的1/2，对于915MHz的天线，约为164mm。在实际RFID标签应用中，考虑基板材料对电磁波波长λ的影响，(3)其中，c为光速，f为电磁波频率，、为基板材料的介电常数。因而，实际制作的 半波偶极子天线长度小于164mm。 超高频RFID应用越来越广泛，在很多应用中要求标签尺寸较小。为了达到缩减天 线尺寸的目的，一般采用弯折偶极子天线的方法。弯折偶极子天线的弯折线部分，由于其电 流方向相反，产生的辐射互相抵消，因而弯折偶极子天线的增益相比普通偶极子天线有所 减小，且其实际总长度要大于(3)式的计算结果。弯折偶极子天线是以增益减小的代价换 得了尺寸的减小。但是通过调整弯折偶极子天线的结构，能够获得较大的增益。天线尺寸 减小的另一个代价是天线带宽减小，通过适当的天线结构设计，也能够使天线带宽满足使 用要求。通过合理的结构设计，在使天线尺寸缩减到要求的较小尺寸，并获得较好的增益、 带宽以及阻抗匹配，是偶极子天线的设计目标。由于不同厂商生产的RFID芯片的阻抗值各不相同，偶极子天线都是针对某一种 芯片设计，以求达到较好的阻抗匹配效果。针对每一种不同的芯片都设计一种天线结构显 然比较费时费力。而相似的天线结构其增益和带宽都相近，因此设计一种天线结构，在满足 带宽和增益要求的同时，能够方便地调节阻抗使其与不同芯片匹配是较好的选择。在实际应用中，由于被标识物材料的性质不同，标签天线受到的影响也不同。总体 来说，当标签贴到被标识物上之后，其谐振频率和阻抗都会发生变化。因此使天线具有一个 较宽的阻抗带宽，使其能够适应较多的应用环境也是UHF RFID天线的设计目标之一。小型 化天线受到被标识物的影响尤其大，因此设计也更难。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种偶极子天线，其结构简单，便于制造，具有较大的增 益和带宽，能够方便的调节阻抗和谐振频率，并能够适应多种应用环境的小型化偶极子天 线。本技术的偶极子天线采用弯折偶极子，具体地，该天线由弯折偶极子和感应 线圈组成，偶极子和感应线圈可以通过感应耦合方式间接连接，也能够采用直接电连接方 式。弯折偶极子包括弯折部分和直线部分；感应线圈为矩形或圆环等形状的线圈，并具有一 个开口作为馈电点。其中，通过调整弯折偶极子和感应线圈的结构，能够方便的实现不同的输入阻抗，从而实现与不同芯片的阻抗匹配。本技术还提供了一种采用上述天线的RFID标签，包括天线、芯片和基板。天线通过蚀刻、丝网印刷或喷墨打印等方式制作在基板上。芯片采用倒装键合或 strap等方式封装到天线上，使用导电胶形成天线与芯片之间的机械和电气连接。其中，基板可以采用如下材料聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚 萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚氯乙烯(PVC)、乙酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、纸等柔性非导电 材料或环氧树脂板(FR-4)等材料。其中，天线采用铝、铜、银或银浆、导电油墨等材料，通过蚀刻、丝网印刷或喷墨打 印等方式制作在基板上。本技术的偶极子天线适用于860MHz-960MHz频段的无源标签，并具有结构简 单，制作方便，并且能够方便的调节谐振频率和阻抗值，能够适应多种应用环境和各种UHF 标签芯片等优点。附图说明图1是本技术实施例的偶极子天线平面图。图2是使用本技术实施例的偶极子天线的RFID标签平面图。具体实施方式以下结合附图说明和具体实施例对本技术进行说明，特定的实施例仅为说明 用，并非对本技术的限定。附图1为根据本技术实施例的偶极子天线10。该偶极子天线10由弯折偶极 子11和感应线圈12组成，该感应线圈12设置在弯折偶极子11中间。感应线圈12上设置 有馈电点111和112，用于连接芯片。所述弯折偶极子11包括第一部分和第二部分，两部分可对称布置也可以不对称 布置。第一部分包括上天线臂121、下天线臂151，以及矩形部分131和弯折线部分141。第 二部分包括上天线臂122、下天线臂152，以及矩形部分132和弯折线部分142。上天线臂121或122与下天线臂151或152通过矩形部分131或132连接，形成 凹形，弯折线部本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种偶极子天线，包括弯折偶极子（１１）和感应线圈（１２），两者通过感应耦合方式间接连接或直接电连接方式连接，所述弯折偶极子（１１）包括两部分，所述感应线圈（１２）设置在所述弯折偶极子（１１）两部分中间，该感应线圈（１２）上设置有馈电点（１１１，１１２），用于连接芯片。

【技术特征摘要】
1.一种偶极子天线，包括弯折偶极子(11)和感应线圈(12)，两者通过感应耦合方式间 接连接或直接电连接方式连接，所述弯折偶极子(11)包括两部分，所述感应线圈(12 )设置 在所述弯折偶极子(11)两部分中间，该感应线圈(12)上设置有馈电点(111，112)，用于连 接芯片。2.根据权利要求1所述的偶极子天线，其特征在于，所述折偶极子(11)每部分均包括 上天线臂(121，122)、下天线臂(151，152)，矩形部分(131，132)和弯折线部分(141，142)， 所述上天线臂(121，122)与下天线臂(151，152)通过所述矩形部分(131，132...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶波，尹周平，张亚平，陈显才，吴光华，孙虎，李春阳，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：实用新型
国别省市：83