一种磁耦合地下射频识别标签的结构论文和设计-卢小冬

全文摘要

本实用新型公开的一种磁耦合地下射频识别标签的结构，包括具有标签密封的结构体和密封在所述结构体内的无源标签模块、标签天线线圈和磁芯，所述标签天线线圈绕在所述磁芯上，其特征在于，还包括一调谐模块并且所述标签天线线圈分为第一标签天线线圈和第二标签天线线圈，所述第一标签天线线圈与所述无源标签模块连接，所述第二标签天线线圈与所述调谐模块连接。本实用新型有以下有益效果及优点：在适当增加射频识别标签结构复杂程度和成本的前提下，不改变阅读器天线和标签天线的尺寸，能够有效提升无线通信的访问距离，从而为地标定位、地下管网信号测量和传输等物联网应用提供性能更佳的射频识别标签和系统。

主设计要求

1.一种磁耦合地下射频识别标签的结构，包括具有标签密封的结构体和密封在所述结构体内的无源标签模块、标签天线线圈和磁芯，所述标签天线线圈绕在所述磁芯上，其特征在于，还包括一调谐模块并且所述标签天线线圈分为第一标签天线线圈和第二标签天线线圈，所述第一标签天线线圈与所述无源标签模块连接，所述第二标签天线线圈与所述调谐模块连接。

设计方案

2.如权利要求1所述的一种磁耦合地下射频识别标签的结构，其特征在于，所述磁芯分为第一磁芯和第二磁芯，所述第一标签天线线圈绕在第一磁芯上，所述第二标签天线线圈绕在所述第二磁芯上。

3.如权利要求2所述的一种磁耦合地下射频识别标签的结构，其特征在于，所述第一磁芯位于所述第二磁芯的上方；所述第一标签天线线圈位于所述第二标签天线线圈的上方。

4.如权利要求3所述的一种磁耦合地下射频识别标签的结构，其特征在于，所述第二标签天线线圈的直径不小于所述第一标签天线线圈的直径并且至少为所述第二标签天线线圈与所述第一标签天线线圈之间距离的1.4倍。

5.如权利要求4所述的一种磁耦合地下射频识别标签的结构，其特征在于，所述无源标签模块包括无源标签芯片，所述无源标签芯片具有第一天线管脚和第二天线管脚；在第一天线管脚和第二天线管脚之间并联连接有第一保护器件和第二保护器件、第一通信带宽Q值调解器件和第二通信带宽Q值调解器件、第一调谐谐振频率电容和第二调谐谐振频率电容、第一标签天线线圈；其中第一保护器件的正极与第二保护器件的负极连接，第一保护器件的负极与第一天线管脚连接，第二保护器件的正极与第二天线管脚连接，第一调谐谐振频率电容与第二调谐谐振频率电容串联起来。

6.如权利要求5所述的一种磁耦合地下射频识别标签的结构，其特征在于，所述第一保护器件和第二保护器件均为齐纳二极管或者TVS二极管。

7.如权利要求5所述的一种磁耦合地下射频识别标签的结构，其特征在于，所述第一通信带宽Q值调解器件为固定电阻，第二通信带宽Q值调解器件为可调电阻。

8.如权利要求5所述的一种磁耦合地下射频识别标签的结构，其特征在于，所述第一调谐谐振频率电容为固定电容，所述第二调谐谐振频率电容为可调电容。

9.如权利要求5所述的一种磁耦合地下射频识别标签的结构，其特征在于，所述调谐模块由一固定电容和一可调电容并联而成，所述第二标签天线线圈也与固定电容和可调电容并联。

10.如权利要求1所述的一种磁耦合地下射频识别标签的结构，其特征在于，所述具有标签密封的结构体由玻璃或者环氧树脂制成。

设计说明书

技术领域：

本实用新型涉及射频识别通信领域,具体涉及一种磁耦合地下射频识别标签的结构。

背景技术：

目前基于自动识别技术的物联网经济已经有了长足的发展,磁耦合的射频识别已经用于港口等地面集装箱运输车辆的自律导航和地下管网信号的测量和数据采集等,但是受制于当前的技术条件和实现手段,通信距离还不尽人意,限制了相关技术的普及。

当前的技术，地下射频识别标签的阅读器不能使用双天线的模式，而是增加通信距离主要靠提高阅读器的功率、增大阅读器和射频识别标签的天线。阅读器的功率受法规的限制，而且一味增大功率会导致近距离通信标签发热、损毁。增大阅读器和标签天线尺寸受到技术指标-比如定位精度的限制，标签天线尺寸的增加还会带来施工难度和成本的增加。在我国，港口地面集装箱运输车辆的自律导航和地下管网信号的测量和数据采集也已经有了初步的应用,提高磁耦合地下射频标签的通信距离将有助于此类技术的规模应用。

实用新型内容

为了解决上述背景技术中提出的问题，本实用新型提供了一种磁耦合地下射频识别标签的结构。其能够有效提升无线通信的访问距离，从而为地标定位、地下管网信号测量和传输等物联网应用提供性能更佳的射频识别标签和系统。

本实用新型所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：

一种磁耦合地下射频识别标签的结构，包括具有标签密封的结构体和密封在所述结构体内的无源标签模块、标签天线线圈和磁芯，所述标签天线线圈绕在所述磁芯上，其特征在于，还包括一调谐模块并且所述标签天线线圈分为第一标签天线线圈和第二标签天线线圈，所述第一标签天线线圈与所述无源标签模块连接，所述第二标签天线线圈与所述调谐模块连接。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述磁芯分为第一磁芯和第二磁芯，所述第一标签天线线圈绕在第一磁芯上，所述第二标签天线线圈绕在所述第二磁芯上。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述第一磁芯位于所述第二磁芯的上方；所述第一标签天线线圈位于所述第二标签天线线圈的上方。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述第二标签天线线圈的直径不小于所述第一标签天线线圈的直径并且至少为所述第二标签天线线圈与所述第一标签天线线圈之间距离的1.4倍。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述无源标签模块包括无源标签芯片，所述无源标签芯片具有第一天线管脚和第二天线管脚；在第一天线管脚和第二天线管脚之间并联连接有第一保护器件和第二保护器件、第一通信带宽Q值调解器件和第二通信带宽Q值调解器件、第一调谐谐振频率电容和第二调谐谐振频率电容、第一标签天线线圈；其中第一保护器件的正极与第二保护器件的负极连接，第一保护器件的负极与第一天线管脚连接，第二保护器件的正极与第二天线管脚连接，第一调谐谐振频率电容与第二调谐谐振频率电容串联起来。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述第一保护器件和第二保护器件均为齐纳二极管或者TVS二极管。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述第一通信带宽Q值调解器件为固定电阻，第二通信带宽Q值调解器件为可调电阻。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述第一调谐谐振频率电容为固定电容，所述第二调谐谐振频率电容为可调电容。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述调谐模块由一固定电容和一可调电容并联而成，所述第二标签天线线圈也与固定电容和可调电容并联。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述具有标签密封的结构体由玻璃或者环氧树脂制成。

由于采用了如上的技术方案，本实用新型的磁耦合地下射频识别标签的结构将无源标签模块、标签天线线圈、磁芯和调谐模块封装在玻璃或者环氧树脂等材料制成的具有标签密封的结构体中，通过预埋或者打孔的方式,固定在地下管网结构或者沥青、混凝土的道路上，通过车载或者手持的阅读器，发送电磁波为标签提供能量并实现数据传输，从而获得定位所需要的信息或者地下检测信号的信息。

本实用新型的标签天线线圈固定在磁芯上，从而获得更好地耦合效果。本实用新型可以使用电阻电容电感的网络分析设备，将第二标签线圈天线和调谐模块，调谐到无线通信的载波频率。

本实用新型进一步调整标签天线线圈，并通过调整可调电容，将标签天线线圈的谐振频率调整到无线通信的载波频率；调整可调电阻，使载波频率下的带宽满足数据通信带宽的要求。

本实用新型在预定的最远访问距离下，架设实际工作使用的阅读器，调整阅读器的天线调谐电路，使阅读器的天线谐振频率为无线通信载波频率；天线的带宽满足数据传输要求。

本实用新型有以下有益效果及优点：

在适当增加射频识别标签结构复杂程度和成本的前提下，不改变阅读器天线和标签天线的尺寸，能够有效提升无线通信的访问距离，从而为地标定位、地下管网信号测量和传输等物联网应用提供性能更佳的射频识别标签和系统。

附图说明

图1示出了本实用新型磁耦合地下射频识别标签的结构示意图。

图2示出了本实用新型典型应用的工作场景示意图。

图3示出了本实用新型无源标签模块的电原理示意图。

图4示出了本实用新型调谐模块的电原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

参见图1，图中所示的磁耦合地下射频识别标签的结构202，包括具有标签密封的结构体102和密封在结构体102内的无源标签模块103、标签天线线圈、磁芯、调谐模块105。

标签密封的结构体102可以由玻璃、环氧树脂、工程塑料等磁场可以穿透的材料制成。

标签天线线圈分为第一标签天线线圈104a和第二标签天线线圈104b，磁芯分为第一磁芯101a和第二磁芯101b，第一磁芯101a和第二磁芯101b两者具有相等或者不等的截面。

第一标签天线线圈104a绕在第一磁芯101a上，第二标签天线线圈104b绕在第二磁芯101b上。第一磁芯101a位于第二磁芯101b的上方；第一标签天线线圈104a位于第二标签天线线圈104b的上方。第二标签天线线圈104b的直径不小于第一标签天线线圈104a的直径并且至少为第二标签天线线圈104b与第一标签天线线圈104a之间距离的1.4倍。

第一标签天线线圈104a与无源标签模块103连接，第二标签天线线圈104b与调谐模块105连接。

参见图3，图中所示的无源标签模块包括无源标签芯片301，无源标签芯片301具有两个天线管脚AC0、AC1；在两个天线管脚AC0、AC1之间并联连接有第一保护器件D1和第二保护器件D2、第一通信带宽Q值调解器件R1和第二通信带宽Q值调解器件R2、第一调谐谐振频率电容C1和第二调谐谐振频率电容C2、第一标签天线线圈104a；其中第一保护器件D1的正极与第二保护器件D2的负极连接，第一保护器件D1的负极与天线管脚AC0连接，第二保护器件D2的正极与天线管脚AC1连接，第一调谐谐振频率电容C1与第二调谐谐振频率电容C2串联起来。

第一保护器件D1和第二保护器件D2均为齐纳二极管或者TVS二极管。第一通信带宽Q值调解器件R1为固定电阻，第二通信带宽Q值调解器件R2为可调电阻。第一调谐谐振频率电容C1为固定电容，第二调谐谐振频率电容C2为可调电容。

参见图4，调谐模块105由一固定电容C41和一可调电容C42并联而成。第二标签天线线圈104b也与固定电容C41和可调电容C42并联。

参见图2，磁耦合地下射频识别标签的结构202埋在地下201，地下201的环境可能是土壤、可能是混凝土、可能沥青、可能使沙石混合物，具有磁场可穿透的特征。地面阅读器204和地面阅读器天线203相连，当地面阅读器天线203置于磁耦合地下射频识别标签的结构202的上方，在合适的距离内，可以为磁耦合地下射频识别标签的结构202提供电能并且实现数据通信；地面阅读器204和计算机205相连，计算机205接受指令，通过地面阅读器204和地面阅读器天线203访问磁耦合地下射频识别标签的结构202中的无源标签芯片，获得无源标签芯片的识别号，以及可能的标签传感器测量数据，从而完成定位、传感信号和采集的功能。

对于当前的磁耦合无源射频识别技术，地面阅读器天线203提供的有效访问距离为地面阅读器天线203尺寸的0.7，比如15厘米尺寸的天线，可以提供10cm的访问距离。

为了实现更远的访问距离，目前主要做法是使用双地面阅读器天线203配置，让磁耦合地下射频识别标签的结构202位于两个相向的地面阅读器天线203之间，从而将通信距离增大一倍。但是这个方法不能在地下识别的场景中实施，因此，有效提升通信距离就是磁耦合射频识别技术的一个难点。

增大地面阅读器天线203的尺寸，可以提高访问距离。但是对于确定载波频率的射频识别通信，地面阅读器天线203尺寸增大，地面阅读器天线203线圈电感也会相应增大，从而导致天线调谐调整困难；对于特殊的定位应用来讲，大的地面阅读器天线203意味着低的定位精度。

增大地面阅读器204的发射功率，可以提高访问距离。一方面，无线发射功率收到国家法规的限制，不能超过制定的发射功率。另一方面，增大地面阅读器204的无线发射功率，需要地面阅读器天线203及其调谐电路元器件具有更高的耐压。而且单方面增大阅读器的访问功率，会带来磁耦合地下射频识别标签的结构202中的无源标签芯片近距离访问的困难，甚至会烧毁磁耦合地下射频识别标签的结构202中的无源标签芯片。

增大磁耦合地下射频识别标签的结构202中的标签天线线圈，也可以提高通信距离。但是增大磁耦合地下射频识别标签的结构202中的标签天线线圈越大，需要的地下结构越复杂才能保证地面应具有的机械性能；增大磁耦合地下射频识别标签的结构202中的标签天线线圈越大，施工越困难，施工成本就越高。

本实用新型通过给磁耦合地下射频识别标签的结构202增加第二标签线圈天线结构104b，采用特定的调谐流程，从而实现适当增加磁耦合地下射频识别标签的结构202复杂程度和成本的前提下，不改变地面阅读器204尺寸和输出功率，不改变磁耦合地下射频识别标签的结构202的尺寸，提高射频识别访问距离。

本实用新型磁耦合地下射频识别标签的结构的性能调整流程如下；

首先将待调整的磁耦合地下射频识别标签的结构202置于实际应用等同或者类似的环境。在此基础上，使用电阻电容电感网络分析仪或者等效的仪器设备，先调节调谐模块105。调整可调电容C42，使第二标签天线线圈104b回路的谐振频率为射频识别通信的载波频率，回路的品质因素Q在30或以上。进一步调整无源标签模块中的调谐电容C2，使无源标签模块的调谐频率为无线通信的载波频率；调整可调电阻R2，将无源标签模块的天线回路的品质因素Q调整到合适的范围，比如小于载波频率\/通信的数据速率，也就是满足数据通信的带宽要求。

对于整个射频识别的应用系统来说，进一步还需要把地面阅读器204和地面阅读器天线203在上述应用场景下，以设计的访问最远距离为基点，调整地面阅读器天线203的调谐电路，将地面阅读器天线203的调谐频率调整到载波频率，并且地面阅读器天线203网络的品质因素Q满足通信速率的要求。至此，整个射频识别系统的调谐过程结束，可以获得良好的通信距离性能。

以上所述，虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型做任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出任何修改、等同替换等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

一种磁耦合地下射频识别标签的结构论文和设计

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