折叠型超高频RFID双面抗金属标签天线

折叠型超高频rfid双面抗金属标签天线
技术领域
1.本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种折叠型超高频rfid双面抗金属标签天线。


背景技术：

2.射频识别技术(radio frequency identification, rfid) 是一种无线通信技术，可以通过无线电信号识别具体目标并读写相关数据信息，在医疗器械，库存跟踪，生产管理等方面应用广泛。rfid系统的工作流程为：读写器通过天线发送一定频率的射频信号，电子标签被激发出感应电流并在获得足够能量的情况下开始工作，激活后的标签将自身信息通过内置天线发送出去，读写器天线接收信号并对该信号进行解调和解码，并送至后台主系统进行相应处理。
3.然而，当标签靠近金属物体时，金属表面会感应出180
°
反相的镜像电流，这会显着降低天线性能，同时由于金属边界条件制约，金属表面的磁力线分布总是趋于平缓，当标签被贴附 (或靠近)金属表面时，标签天线无法通过“切割”磁力线获得足够的电磁能量，导致标签的辐射电阻减小，辐射效率降低。因此，抗金属标签天线的设计一直是一项挑战。
4.高介电基板可以满足标签对不同金属物体灵活工作的要求。插入电磁带隙(electromagnetic bandgap ，ebg)结构或人工磁导体(arti
fi
cial magnetic conductor，amc)结构也可以减轻金属对标签造成的影响。由于自带的金属地结构可以隔离辐射贴片与背衬金属，微带天线被广泛应用于各类金属环境。平面倒 f 天线(planar inverted-f antenna，pifa)和平面倒 l 天线(planar inverted-l antenna，pila)将辐射面的一侧短接到地，进一步缩减了抗金属标签天线的尺寸。一些特殊的结构也被用于设计各种金属标签天线，例如互补开口环谐振器、双环结构和半波长缝隙谐振器。折叠贴片天线因自带金属地结构也成为了抗金属标签天线的一个良好的候选，天线性能可以通过简单地调整结构来优化，例如辐射贴片、短路短截线、短路墙和地。虽然现已研究出多种抗金属标签天线，但大部分天线只能实现单面抗金属性能。


技术实现要素：

5.考虑如果现有的单面抗金属标签天线被错误地放置在金属物体上，它们的性能会骤降，因此，在实际应用中，非常希望rfid标签具有双面抗金属性能。为了弥补现有技术的空白和不足，本发明旨在提供一种折叠型超高频rfid双面抗金属标签天线，确保标签天线的任一侧放置在金属物体时，标签都可以实现最佳工作状态。
6.该标签天线具有三层导体结构，各个导体层之间用泡沫隔开。将该标签放置在金属环境中，接触背景金属的导体层可看做是该折叠贴片天线的接地层，另一侧导体层和由三个变形环构成的中间层可看做是该天线的辐射层，该三层结构有利于实现标签天线良好的双面抗金属性。通过调节中间层的三个变形环，使标签两侧的谐振频点基本实现良好的一致性，且两侧均能实现良好的阻抗匹配。该标签天线结构简单、尺寸紧凑，无需金属过孔
或短路柱，任意一面接触背景金属时，可用频段皆可以被主要国家超高频rfid标签天线的应用频段覆盖，适合应用在复杂的工业物联网相关测量领域中。
7.在一具体使用例中，尺寸为35mm
×
22mm
×
2.15mm。顶面贴近背景金属时的-10db的频带为881mhz-972mhz，最大功率传输系数为99.9%，915mhz时的读取距离为6.01m；底面贴近背景金属时的-10db的频带为877mhz-977mhz，最大功率传输系数为99.9%，915mhz时的读取距离为6.23m，并且都具备良好的定向辐射性能。
8.本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种折叠型超高频rfid双面抗金属标签天线，其特征在于：包括：由顶部导体层（4）、底部导体层（5）和中间层构成的三层结构；所述中间层上设置有呈嵌套设置的第一变形环（1）、第二变形环（2）、第三变形环（3）和芯片（8）；所述第一变形环（1）呈u型，位于中间层的最外侧；所述第二变形环（2）呈u型，位于第一变形环（1）的内侧；所述第三变形环（3）呈方环结构，位于第二变形环（2）的内侧；所述芯片（8）设置在第三变形环（3）两个弯折臂之间的狭长缝隙处；所述顶部导体层（4）、底部导体层（5）和中间层之间由绝缘材料填充，三层结构的一侧由左侧短接线（6）连接顶部导体层（4）和底部导体层（5），另一侧由右侧五段短接线（7）连接三个变形环和底部导体层（5）。
9.进一步地，所述第一变形环（1）的宽度与标签天线的宽度相同，在靠近第一变形环（1）左侧终端的位置处开设有一条与第一变形环（1）等宽的窄槽，用于调节标签天线两侧的频点。
10.进一步地，所述第二变形环（2）在靠近左侧终端的位置处开设有四条尺寸相同的长方形窄槽，在第二变形环（2）的左端形成“田”字型结构，用于微调标签天线两侧的频点。
11.进一步地，所述第三变形环（3）的左侧金属部分蚀刻有一个“t”型金属结构以及形成一个“c”型金属结构，靠近芯片两端口的部分为弯折臂结构，所述弯折结构用于降低标签天线两侧的谐振频点。
12.进一步地，所述左侧短接线（6）为棱形结构；所述右侧五段短接线（7）由五段互不连接的长方形导体构成，其中的两段用于连接第一变形环（1）u型结构的两端、两段用于连接第二变形环（2）u型结构的两端、一段用于连接第三变形环（3）。
13.进一步地，所述绝缘材料包括泡沫（9）和软薄膜（10）。
14.进一步地，所述顶部导体层（4）和底部导体层（5）均为长方形结构，尺寸相同。
15.进一步地，所述第一变形环（1）、第二变形环（2）、第三变形环（3）、顶部导体层（4）、底部导体层（5）为金属材质；所述软薄膜（10）覆盖在顶部导体层（4）和底部导体层（5）的内表面，以及中间层的第一变形环（1）、第二变形环（2）和第三变形环（3）表面，并覆盖在泡沫（9）周围，两块相同的泡沫分别设置在顶部导体层（4）和中间层之间，以及中间层和底部导体层（5）之间。
16.进一步地，所述软薄膜（10）采用聚对苯二甲酸乙二酯薄膜或聚对苯二甲酸丁二酯薄膜或聚酰亚胺薄膜。
17.进一步地，通过折叠形成标签天线的过程为：设未折叠的标签天线的左侧为顶部导体层（4），右侧为第一变形环（1）、第二变形环（2）、第三变形环（3）共同构成的中间层；将
一块泡沫粘在底部导体层（5）的上方，然后将由第一变形环（1）、第二变形环（2）、和第三变形环（3）共同构成的中间层沿着该泡沫的右边缘向左缠绕，并在中间层的顶部粘贴第二块相同的泡沫，最后，通过将顶部导体层（4）沿第二块泡沫的左边缘向右折叠以完全覆盖下层全部结构；折叠后，左侧短接线（6）位于天线左侧面，右侧五段短接线（7）位于天线右侧面。
18.与现有技术相比，本发明及其优选方案提供的天线为折叠贴片天线，通过两次折叠一片单面附着金属层的软薄膜10制成，共有三层导体层，其中金属结构包括第一变形环1、第二变形环2、第三变形环3、顶部导体层4、底部导体层5、左侧短接线6和右侧五段短接线7。芯片8放置于第三变形环3的两弯折臂之间的狭长缝隙处，上下两侧的泡沫9可保护芯片8免受外力干扰。标签天线的三层结构为其双面抗金属性提供了结构基础，第一变形环1，第二变形环2和第三变形环3有利于调节标签天线两侧的谐振频点，保证两侧的谐振点实现良好的一致性，并实现标签两侧良好的阻抗匹配。当背景金属置于顶部导体层4一侧时，顶部导体层4可视为金属地，第一变形环1，第二变形环2，第三变形环3和底部导体层5可视为辐射层；同样的，当背景金属置于底部导体层5一侧时，底部导体层5可视为金属地，第一变形环1，第二变形环2，第三变形环3和顶部导体层4可视为辐射层。标签天线的两面可用频段皆可以被中国，美国超高频rfid标签天线的应用频段覆盖，适合应用在复杂的工业物联网相关测量领域中。具体实施例尺寸为35mm
×
22mm
×
2.15mm。顶面置于金属时的-10db的频带为881mhz-972mhz，最大功率传输系数为99.9%，915mhz时的读取距离为6.01m；底面置于金属时的-10db的频带为877mhz-977mhz，最大功率传输系数为99.9%，915mhz时的读取距离为6.23m，并且都具备良好的定向辐射性能。
附图说明
19.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：图1为本发明实施例构造的立体图；图2为本发明实施例的裸嵌体展开图；图3为本发明实施例的由第一变形环，第二变形环和第三变形环构成的中间层示意图；图4为本发明实施例的主视图；图5为本发明实施例的折叠流程示意图；图6为本发明实施例的标签天线4面接触背景金属时的反射系数仿真结果示意图；图7为本发明实施例的标签天线5面接触背景金属时的反射系数仿真结果示意图；图8为本发明实施例的标签天线4面接触背景金属时的功率传输系数示意图；图9为本发明实施例的标签天线5面接触背景金属时的功率传输系数示意图；图10为本发明实施例的标签天线4面接触背景金属时的读取距离示意图；图11为本发明实施例的标签天线5面接触背景金属时的读取距离示意图；图12为本发明实施例的标签天线4面接触背景金属时的实际增益辐射方向图；图13为本发明实施例的标签天线5面接触背景金属时的实际增益辐射方向图。
20.图中，1-第一变形环；2-第二变形环；3-第三变形环；4-顶部导体层；5-底部导体层，6-左侧短接线；7-右侧五段短接线；8-芯片；9-泡沫；10-软薄膜。
具体实施方式
21.为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
22.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
23.如图1-图5所示，本实施例提供的折叠型超高频rfid双面抗金属标签天线，其主要结构包括：第一变形环1、第二变形环2、第三变形环3、顶部导体层4、底部导体层5、左侧短接线6、右侧五段短接线7、芯片8、泡沫9、和软薄膜10。
24.第一变形环1、第二变形环2、第三变形环3、顶部导体层4、底部导体层5、左侧短接线6、和右侧五段短接线7为金属材质。
25.其中第一变形环1、第二变形环2和第三变形环3共同构成中间层，顶部导体层4构成顶层，底部导体层5构成底层；芯片8位于第三变形环3右下方两个弯折臂之间的狭长缝隙处，且位于两臂缝隙的中间偏下部分；泡沫9和软薄膜10为标签天线的支撑结构；上述的所有金属材质均附着在软薄膜10一侧，单侧附着金属的软薄膜10通过两次弯折形成三层导体结构，三层导体结构之间通过泡沫9隔开。
26.在本实施例中，标签天线的双面抗金属性能建立在三层导体层结构的基础上，当背衬金属放置在顶部导体层4一侧或底部导体层5一侧时，靠近金属的导体层可视为金属地，标签天线在这两种情况下均能正常使用。
27.在本实施例中，第一变形环1、第二变形环2、第三变形环3均位于标签天线中间层，三者呈嵌套结构，共同构成标签天线的主要辐射层。其中第一变形环1位于中间层的最外侧，整体呈“u”型，第二变形环2位于第一变形环1的内侧，整体也呈“u”型，第三变形环3位于第二变形环2的内侧，整体呈方环结构。
28.在本实施例中，第一变形环1位于标签天线中间层的最外侧，整体呈“u”型，开口方向为标签天线的右侧。第一变形环1的宽度与标签天线的宽度相同，在靠近第一变形环1左侧终端的位置处开了一条与第一变形环1等宽的窄槽，该窄槽有利于调节标签天线两侧的频点。
29.在本实施例中，第二变形环2位于第一变形环1和第三变形环3的中间缝隙处，整体呈“u”型，在靠近第二变形环2左侧终端的位置处开了四条尺寸相同的长方形窄槽，该四条窄槽将第二变形环2的左端修改为“田”字型结构，该四条窄槽有利于微调标签天线两侧的频点。
30.在本实施例中，第三变形环3位于中间层的最内侧，整体结构为一个变形的方形环。在第三变形环3的左侧金属部分蚀刻了一个“t”型金属结构并增添了一个相对较窄的“c”型金属结构，在第三变形环3的右下方且靠近芯片两端口的部分为弯折臂结构，该弯折结构有利于降低标签天线两侧的谐振频点。
31.在本实施例中，左侧短接线6位于标签天线的左侧，其上侧连接顶部导体层4，下侧
连接底部导体层5；右侧五段短接线7位于标签天线的右侧，上侧连接第一变形环1、第二变形环2、和第三变形环3，下侧连接底部导体层5。
32.在本实施例中，左侧短接线6在该标签天线中优选为棱形结构，也可以是长方形，五边形等结构。相较于其他结构，棱形结构能够在小尺寸的条件下尽可能地降低标签天线的谐振频点，且不影响标签天线与芯片之间的阻抗匹配。
33.在本实施例中，右侧五段短接线7由五段互不连接的长方形导体构成，最外侧的两个长方形导体（即从上往下数的第一个和第五个长方形导体）尺寸相同，分别与第一变形环1右侧的两脚相连，且长度与第一变形环1右侧两脚的宽度相同。从上往下数的第二个和第四个长方形导体尺寸相同，分别与第二变形环2右侧的两脚相连，且长度与第二变形环2右侧两脚的宽度相同。最中间的长方形导体与第三变形环3的右侧相连，且最中间的长方形导体的长度等于第三变形环3的宽度。
34.在本实施例中，顶部导体层4位于标签天线的顶部，底部导体层5位于标签天线的底部，两者均为规则的长方形结构，尺寸相同。
35.在本实施例中，标签天线需将单侧附着金属的软薄膜10两次弯折缠绕在泡沫9周围，泡沫9由两块相同的泡沫组成。
36.标签天线的折叠流程：首先保证未折叠的标签天线的左侧为顶部导体层4，右侧为第一变形环1、第二变形环2、第三变形环3共同构成的中间层。将一块泡沫9粘在底部导体层5的上方，然后将由第一变形环1、第二变形环2、和第三变形环3共同构成的中间层沿着该泡沫的右边缘向左缠绕，并在中间层的顶部粘贴第二块相同的泡沫9，最后，通过将顶部导体层4沿第二块泡沫9的左边缘向右折叠以完全覆盖下层全部结构。折叠后，左侧短接线6位于天线左侧面，右侧五段短接线7位于天线右侧面。
37.在本实施例中，标签天线通过两次特定的弯折形成三层导体层结构，左侧短接线6包裹泡沫9的两层泡沫，右侧五段短接线7仅包裹泡沫9的下层泡沫，左侧短接线6的高度为右侧五段短接线7高度的两倍，在泡沫9中，上层泡沫右侧呈裸露状态。
38.具体地，芯片8位于第三变形环3两弯折臂之间的缝隙处，芯片8的上侧和下侧皆为泡沫9，可保护芯片8免受外力损坏。作为优选，芯片8可选择多款适用于超高频rfid范围的型号。
39.具体地，第一变形环1、第二变形环2、第三变形环3、顶部导体层4、底部导体层5、左侧短接线6、和右侧五段短接线7可以采用不同的金属材质，作为优选，可选择铝或铜。
40.作为优选，软薄膜10可以采用聚对苯二甲酸乙二酯（pet）薄膜，聚对苯二甲酸丁二酯（pbt）薄膜，聚酰亚胺（pi）薄膜，或其他柔性薄膜材料。
41.本实施例天线尺寸为35mm
×
22mm
×
2.15mm。
42.4面置于背景金属时的-10db的频带为881mhz-972mhz，最大功率传输系数为99.9%，915mhz时的读取距离为6.01m；5面置于背景金属时的-10db的频带为877mhz-977mhz，最大功率传输系数为99.9%，915mhz时的读取距离为6.23m，并且都具备良好的定向辐射性能。如图6-图13所示，本实施例通过仿真实验验证了以上设计所具备的性能。
43.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所
作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
44.本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的折叠型超高频rfid双面抗金属标签天线，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。