專利名稱：超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線及利用該天線的電子標(biāo)簽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通訊技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種天線，尤其涉及一種超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天 線；與此同時，本發(fā)明還涉及利用該超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線制作的電子標(biāo)簽。
背景技術(shù)：
八木天線系上世紀(jì)由日本人八木和宇田發(fā)明，由反射器、有源振子和引向振子組成。有 源振子處于反射器與引向振子之間，有源振子指向引向振子的方向?yàn)樘炀€的輻射方向，而有 源振子指向反射器的方向與輻射方向相反。反射器長度比有源振子稍長，起向有源振子反射 來波的作用。引向器可以有數(shù)個，每根長度均略短于有源振子。引向器越多，輻射方向越尖 銳，增益越高，但隨之而來的是體積和自重的增加，以及成本加大等問題?，F(xiàn)有的八木天線中，振子間距大致為0. 25倍真空工作波長，振子長度一般為0. 5倍真空 工作波長。該天線廣泛應(yīng)用于無線通訊領(lǐng)域，但天線尺寸在現(xiàn)代無線通訊領(lǐng)域，尤其在射頻 識別(Radio Frequency Identity, RFID)領(lǐng)域已顯過大，無法滿足實(shí)際使用的需要。多年 來，人們始終致力于八木天線的小型化工作。本發(fā)明還涉及RFID技術(shù)；RFID技術(shù)是利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識 別目的并交換數(shù)據(jù)的自動識別技術(shù)。RFID應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，現(xiàn)已涉及到人們?nèi)粘Ｉ畹母?個方面，同時對信息的傳輸速率、識別距離、防碰撞性提出了更高的要求，推動著RFID往更 高的使用頻率上發(fā)展(900MHz， 2. 45GHz, 5. 8GHz)。RFID標(biāo)簽天線主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型(又稱"對稱振子型")三種。天線 的結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素對天線性能有很大影響。天線的結(jié)構(gòu)決定了天線方向圖，阻抗特性，駐波 比，天線增益，極化方向和工作頻段等特性。天線特性也受到所貼附物體形狀及物理特性的 影響。在RFID實(shí)際的應(yīng)用中，有相當(dāng)部分的場合都不可避免的要和金屬體打交道。傳統(tǒng)技術(shù) 中，金屬的密距耦合效應(yīng)將使天線性能參數(shù)改變，導(dǎo)致標(biāo)簽無法在具有金屬表面的物體上(例 如鋼質(zhì)貨架、集裝箱、汽車、鋼板等)正常工作，而只能使用于非金屬表面(例如塑料、木材 等)或增大天線與金屬物體的距離來保證天線的性能。但是，射頻識別應(yīng)用最為廣泛的物流行 業(yè)中，多涉及金屬物品，金屬敏感性這一缺點(diǎn)大大限制了RFID技術(shù)在物流行業(yè)的普及。當(dāng)前， 業(yè)界和學(xué)術(shù)界對此問題已展開大量研究，取得了一些成果。第一種解決方案是通過調(diào)整標(biāo)簽天線與金屬表面的距離實(shí)現(xiàn)。當(dāng)標(biāo)簽離金屬表面的距離為(X25人時，天線處及遠(yuǎn)場位置，金屬表面造成的反射波和工作用電磁波將同相疊加，天線的性能將得以保持甚至改善。但該方法不可避免的衍生問題是天線的厚度與體積大大增加，不 便于天線以標(biāo)簽形式固定在物體表面使用。第二種方法是在金屬物體和天線之間填充高介電常數(shù)物質(zhì)和特殊結(jié)構(gòu)(如電磁帶隙 (Electromagnetic Band-Gap, EBG)結(jié)構(gòu))。通過該結(jié)構(gòu)使金屬物體和天線之間的電磁波波長縮 短，以此使反射波變成有助于天線正常工作的電磁波。如公開號為CN201047949的中國專利利 用聚四氟乙烯作為基板，該基板進(jìn)一步粘貼于有機(jī)玻璃基板上來形成金屬體與天線之間的填 充物;公開號為CN1866610的中國專利結(jié)合了電磁帶隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)及高介微波材料的各自的優(yōu) 點(diǎn)，制造的天線抑制了因高介微波材料表面波引起的能量損耗，提高了天線的輻射效率與增 益；申請?zhí)枮镻CT/JP2007/001287的國際專利也是利用EBG結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)抗金屬RFID天線的案例 之一。然而，本方法利用的EBG結(jié)構(gòu)i雜，加工制造難度大，這勢必帶來造價昂貴等問題； 采用過高介電常數(shù)物質(zhì)做填充物，雖可有效縮短電磁波波長，但不同物質(zhì)交界面上過大的介 電常數(shù)差值，會在交界面上即刻引起電磁波的較大反射，致使引入填充物以縮短電磁波波長 的初衷無法達(dá)成；采用相對空氣較高的介電常數(shù)物質(zhì)做填充物，雖可克服上述不足，但由于 波長的縮短效應(yīng)由公式(1~2)決定，故僅僅憑此單一技術(shù)在極短的距離內(nèi)(如O.02真空波長) 來弱化反射波影響，其效果極其有限，更遑論對反射波加以利用。<formula>formula see original document page 4</formula> 上述公式中，^為真空中的工作波長，A為介質(zhì)填充物中的電磁波波長，^為介質(zhì)填充物的 相對介電常數(shù)，s《為等效的相對介電常數(shù)，/z為介質(zhì)填充物的厚度而w則為填充物所包裹的振子天線的寬度。電磁波吸波膠片的研制也為問題的解決提供了一種途徑。當(dāng)電磁波通過吸波材料時，與 材料中的吸波介質(zhì)發(fā)生磁環(huán)路諧振，產(chǎn)生環(huán)路渦流，由此將電磁能轉(zhuǎn)換成熱能予以損耗。當(dāng) 該材料存在于天線與金屬物體之間時，由天線到金屬體的入射波和金屬體由此而產(chǎn)生的反射 波均將被吸波材料削弱，最終使位于吸波材料前的天線和基于天線而構(gòu)造而成的電子標(biāo)簽因 沒有受到金屬表面的干擾而能正常工作。電磁吸波材料的種類較多，有高分子涂層材料中的 多晶鐵纖維隱身涂料、導(dǎo)電高聚物洗波涂料、手征吸波涂料、雷達(dá)洗波膠片、泡沫吸波材料、 鐵氧體吸波膠片等。它們多應(yīng)用于造價昂貴的屏蔽裝置或航天設(shè)備上，相對于廉價的電子標(biāo)簽而言，存在造價和熱耗等問題，如專利號為6486783的美國專利就是利用泡沫吸波材料解決問題的案例之一。由此可見，現(xiàn)有的天線不能有效適應(yīng)現(xiàn)代物流業(yè)中電子標(biāo)簽的需要，需要提供一種既廉 價、又可以解決金屬敏感性問題的天線及標(biāo)簽。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種既廉價、又可以解決金屬敏感性問題超短間距 準(zhǔn)八木抗金屬天線。另外，本發(fā)明還提供利用上述天線的電子標(biāo)簽。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明釆用如下技術(shù)方案本發(fā)明的目的在于對八木天線小型化、尤其是薄膜化，并使其具備良好的抗金屬性能， 滿足包括抗金屬標(biāo)簽在內(nèi)的現(xiàn)代無線通訊的需要。本發(fā)明中，以介電常數(shù)高于空氣介電常數(shù) 數(shù)倍、厚度小于0.0125倍真空工作波長的介質(zhì)板為基礎(chǔ)，通過介質(zhì)板的多層疊裝，在疊裝體 的層間和上外表面適當(dāng)位置處植入刻蝕有多折合振子圖形的金屬薄層，在下表面以完整金屬 薄層覆蓋來實(shí)現(xiàn)。該天線屬印刷式準(zhǔn)八木天線范疇，天線振子間距離由傳統(tǒng)的0.25倍真空工 作波長縮減為0.0125倍真空工作波長，振子長度較傳統(tǒng)長度亦有47%以上的縮減，使天線尺 寸滿足RFID的要求，且具備結(jié)構(gòu)簡單、制造方便的特點(diǎn)。該天線安裝于金屬表面或其附近時， 可維持天線正常性能不變，在ISO/正C 18000-4規(guī)定的頻帶范圍內(nèi)提供5dBi以上的天線增益， 并保持很高的阻抗與方向圖穩(wěn)定性。本發(fā)明的基本原理首先確定金屬底板為待設(shè)計天線的有機(jī)組成部分，該金屬板的功效 之一是將金屬物體對天線的干擾預(yù)先引入。鑒于定向天線，尤其是八木天線中含有金屬反射 器以提高天線輻射的定向性這一特點(diǎn)，這里將待設(shè)計天線的形式定為八木天線結(jié)構(gòu)，并以金 屬板替代傳統(tǒng)八木天線的反射器，由此將金屬物體對天線的干擾預(yù)先引入的同時，還可將干 擾轉(zhuǎn)化為提高天線增益的電磁能，增大RFID設(shè)備的讀卡距離。本發(fā)明提供一種超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線，包括依次疊合而成的引向振子、第一介質(zhì) 板、有源振子、第二介質(zhì)板、反射器；所述第一介質(zhì)板、第二介質(zhì)板的介電常數(shù)大于空氣介 電常數(shù)，小于等于20倍空氣介電常數(shù)；所述反射器為金屬薄層；所述引向振子、有源振子為 刻蝕有多折合振子圖形的金屬薄層。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述有源振子、引向振子以及反射器金屬薄層相互平行；所述有源振子及引向振子錯列分布，其法向中心軸線互不重合。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述引向振子和有源振子的折合振子數(shù)目不同。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述有源振子為雙折合振子，所述引向振子為四折合振子。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述第一介質(zhì)板、第二介質(zhì)板的厚度為0. 0125倍真空工作 波長以下。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述天線的總厚度為0.025倍真空工作波長以下；引向振子和有源振子的振子長度均小于0.3倍真空工作波長；所述第一介質(zhì)板、第二介質(zhì)板及反射器的長度及寬度分別大致為所述引向振子長度及寬度的兩倍。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述有源振子的饋電端口位于有源振子的邊條中間、或位于有源振子中央導(dǎo)條的中問。一種利用上述超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線制作的電子標(biāo)簽。本發(fā)明的有益效果在于首先，本發(fā)明沒有像吸波材料方案那樣將本已弱小而更顯寶貴的反射波電磁能損耗掉，而是將這視為干擾的能量轉(zhuǎn)化為可利用成分以增大RFID設(shè)備的讀寫 距離。其次，本發(fā)明不存在EBG那樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而是采用了由簡單的印刷電路方式即可實(shí) 現(xiàn)的平面折合結(jié)構(gòu)，制作方便；同時，采用的高頻介質(zhì)板也是國產(chǎn)化可大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品， 造價低廉。再則，本發(fā)明涉及的天線無論是增益、尺寸、還是方向圖和阻抗的穩(wěn)定性方面均 可同時滿足抗金屬條件下RFID以及其它無線通訊的要求。本發(fā)明與傳統(tǒng)八木天線相比，在保 持高增益的同時，具備天線幾何尺寸大幅縮小和抗金屬性能。本發(fā)明的天線可安裝于金屬表面或其附近并在ISO/IEC 18000-4規(guī)定的帶寬范圍內(nèi)維持 天線增益在5dBi以上，保持天線輸入阻抗與方向圖的穩(wěn)定，具備良好的抗金屬性。


圖1是本發(fā)明天線的上外表面引向器印刷電路俯視圖。圖2是本發(fā)明天線中間層有源振子印刷電路仰視圖(邊條饋電)。圖3是本發(fā)明天線中間層有源振子印刷電路仰視圖(中央饋電)。圖4是本發(fā)明天線的側(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。請參閱圖1至圖4，本發(fā)明揭示了一種超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線，由兩層作為介質(zhì)板的 高頻覆銅板(如聚四氟乙烯覆銅板)疊合而成。第一層為雙面覆銅板，該覆銅板的上下面分 別印刷出引向振子1和有源振子2;第二層為單面覆銅板，覆銅面為下底面并直接用作反射器 3。由此，本發(fā)明包括依次疊合而成的引向振子l、第一介質(zhì)板4、有源振子2、第二介質(zhì)板5、 反射器3。所述引向振子l、有源振子2為刻蝕有多折合振子圖形的金屬薄層；所述引向振子和有源 振子的折合振子數(shù)目不同；本實(shí)施例中，所述有源振子為雙折合振子，所述引向振子為四折 合振子。所述反射器3為金屬薄層。有源振子2、引向振子1以及反射器3金屬薄層相互平行; 有源振子2及引向振子1錯列分布，其法向中心軸線互不重合。本實(shí)施例對介質(zhì)板的材質(zhì)進(jìn)行了確定。第一介質(zhì)板4、第二介質(zhì)板5的介電常數(shù)大于空氣 介電常數(shù)，小于等于20倍空氣介電常數(shù)；如介電常數(shù)為3.5的聚四氟乙烯板。圖2及圖3介紹了有源振子的饋電端口的安裝方式。如圖2所示，疊裝體中間層有源振子(邊條饋電)印刷電路結(jié)構(gòu)包括有源振子2-雙折 合振子、焊盤6、焊盤7、第一介質(zhì)板4。兩個焊盤可用于與RFID標(biāo)簽芯片或其它收發(fā)射機(jī)的 連接，位于有源振子2邊緣導(dǎo)條的中間。如圖3所示，疊裝體中間層有源振子(中央饋電)印刷電路結(jié)構(gòu)包括有源振子2-雙折 合振子、焊盤6、焊盤7、第一介質(zhì)板4。兩個焊盤可用于與RFID標(biāo)簽芯片或其它收發(fā)射機(jī)的 連接，位于有源振子2中間導(dǎo)條的中間。通過上述工作，所述第一介質(zhì)板4、第二介質(zhì)板5的厚度可在0. 0125倍真空工作波長以 下。所述天線的總厚度為0.025倍真空工作波長以下；引向振子和有源振子的振子長度均小 于0. 3倍真空工作波長；所述第一介質(zhì)板、第二介質(zhì)板及反射器的長度及寬度分別大致為所 述引向振子長度及寬度的兩倍。以下是對天線小型化原因的具體分析在反射器為金屬薄板基礎(chǔ)上，將有源振子、引向振子用折合數(shù)大于1的多折合振子予以實(shí)現(xiàn)，使反射器與有源振子的間距、有源振子與引向振子的間距縮小到0.025;t。。在反射器、有源振子和引向振子之間插入介電常數(shù)高于空氣介電常數(shù)數(shù)倍的介質(zhì)板，根 據(jù)背景技術(shù)中的公式(1~2)可知，介質(zhì)板中電磁波的波長將小于真空中的電磁波波長。當(dāng) &=3.5時，&#=2.54，由此介質(zhì)板中的電磁波波長只有真空中的0.6275倍，而八木天線的結(jié)構(gòu)尺寸可進(jìn)一步縮減為振子間距"0.6275x0.025^ =0.01569^ (3)振子長度"0.6275 x 0.47^ = 0.282^ (4)上述尺寸仍不能滿足RFID在天線厚度方面追求薄膜化的要求。為此本發(fā)明引入錯列振子 技術(shù)，將反射振子(反射器)、有源振子和引向振子(引向器)由傳統(tǒng)的沿軸線對稱分布變異 為錯列分布，使天線振子間距進(jìn)一步縮減為0.012^。對2.45GHz的工作頻率而言，天線的振子間距縮減到1.5mm，而天線的總厚度則縮減到3min。為使本發(fā)明涉及的天線的阻抗?jié)M足常規(guī)50歐姆以及增益達(dá)到5dBi以上的要求，在維持 反射器為金屬板、有源振子為雙折合振子的同時，進(jìn)一步可將引向振子設(shè)計為更多折合數(shù)振 子，如四折合振子。至此完成了發(fā)明所涉及天線的整體設(shè)計?；谏鲜鲈?，引申出新型的超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線，該天線采用印刷電路的制作 方式，介質(zhì)板材釆用高頻單、雙面敷銅板，如介電常數(shù)為3.5的聚四氟乙烯板。本發(fā)明和其他抗金屬標(biāo)簽天線的實(shí)現(xiàn)方法相比，其特點(diǎn)顯著而突出。首先，本發(fā)明沒有 像吸波材料方案那樣，將本已弱小而更顯寶貴的反射波電磁能損耗掉，而是將這視為干擾的 能量轉(zhuǎn)化為可利用成分以增大RFID設(shè)備的讀寫距離。其次，本發(fā)明不存在EBG那樣的復(fù)雜 結(jié)構(gòu)，而是采用了由簡單的印刷電路方式即可實(shí)現(xiàn)的平面折合結(jié)構(gòu)，制作方便；同時，采用 的高頻介質(zhì)板也是國產(chǎn)化可大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，造價低廉。再則，本發(fā)明涉及的天線無論是 增益、尺寸、還是方向圖和阻抗的穩(wěn)定性方面均可同時滿足抗金屬條件下RFID以及其它無線 通訊的要求。本發(fā)明與傳統(tǒng)八木天線相比，在保持高增益的同時，具備天線幾何尺寸大幅縮 小和抗金屬性能。本發(fā)明的超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線可以用來制作物流用的電子標(biāo)簽，當(dāng)然不限于物流業(yè)。以上實(shí)施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。不脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修 改或局部替換，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、一種超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線，包括依次疊合而成的引向振子、第一介質(zhì)板、有源振子、第二介質(zhì)板、反射器；其特征在于所述第一介質(zhì)板、第二介質(zhì)板的介電常數(shù)大于空氣介電常數(shù)，小于等于20倍空氣介電常數(shù)；所述反射器為金屬薄層；所述引向振子、有源振子為刻蝕有多折合振子圖形的金屬薄層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線，其特征在于所述有源振子、引向振 子以及反射器金屬薄層相互平行；所述有源振子及引向振子錯列分布，其法向中心軸線互 不重合。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線，其特征在于所述引向振子和有源振 子的折合振子數(shù)目不同。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線，其特征在于所述有源振子為雙折合 振子，所述引向振子為四折合振子。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線，其特征在于所述第一介質(zhì)板、第二 介質(zhì)板的厚度為0.0125倍真空工作波長以下。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線，其特征在于所述天線的總厚度為 0.025倍真空工作波長以下；引向振子和有源振子的振子長度均小于0.3倍真空工作波長； 所述第一介質(zhì)板、第二介質(zhì)板及反射器的長度及寬度分別大致為所述引向振子長度及寬度 的兩倍。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線，其特征在于所述有源振子的饋電端 口位于有源振子的邊條中間、或位于有源振子中央導(dǎo)條的中間。
8、 一種利用權(quán)利要求1至7任意一項所述超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線制作的電子標(biāo)簽。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種超短間距準(zhǔn)八木抗金屬天線，包括依次疊合而成的引向振子、第一介質(zhì)板、有源振子、第二介質(zhì)板、反射器；引向振子、有源振子為刻蝕有多折合振子圖形的金屬薄層；反射器為金屬薄層。有源振子、引向振子以及反射器金屬薄層相互平行；有源振子及引向振子錯列分布，其法向中心軸線互不重合。本發(fā)明將金屬物體存在時導(dǎo)致的干擾能量轉(zhuǎn)化為可利用成分以增大RFID設(shè)備的讀寫距離；同時不存在EBG那樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而是采用了由簡單的印刷電路方式即可實(shí)現(xiàn)的平面折合結(jié)構(gòu)，制作方便；再則，采用的高頻介質(zhì)板也是國產(chǎn)化可大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，造價低廉。另外，本發(fā)明與傳統(tǒng)八木天線相比，在保持高增益的同時，具備天線幾何尺寸大幅縮小和抗金屬性能。
文檔編號H01Q1/38GK101330170SQ20081004125
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月31日
發(fā)明者斌 袁, 瑛 袁, 黃俊青 申請人:黃俊青;袁 瑛;袁 斌