CN100464349C - 超高频射频识别标签 - Google Patents
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Abstract
用于射频识别(“RFID”)标签的天线设计。更具体地说,本发明涉及设计特别是在超高频(“UHF”)操作频带中操作的RFID标签。该天线包括:i)第一天线元件(10),其中第一天线元件包括第一导体(24)和第二导体(26),以及选择第一天线元件(20)来提供天线的所需操作频率范围,以及ii)第二天线元件(22),其中,将第一部分连在第一导体上,以及第二部分连在第二导体上,以及其中,选择第二天线元件(22)来提供天线的所需阻抗值。
Description
技术领域
本发明涉及用于射频识别(“RFID”)标签的天线设计。更具体地说,本发明涉及用于特别是在超高频(“UHF”)操作频带中操作的RFID标签的设计。
背景技术
已经建议将射频识别(“RFID”)用在许多应用中,其中,将RFID标签贴在物品上,随后询问或读取以便获得有关那个物品的信息。例如,U.S.专利No.6,232,870和6,486,780以及PCT公开号WO00/10122描述了用于RFID系统的各种功能和应用,以及示例将RFID标签用在图书馆中。U.S.专利No.5,963,134还描述了RFID系统在图书馆中和用于其他应用的一些用法。
典型的RFID标签的设计在半导体和印刷电路板工厂反映其起源。不管功能如何,设计具有各种特色,增加成品的价格以及特别是在超高频(“UHF”)的效率。在谐振RFID标签中,与电容器并行连接天线的电感,以便使由此形成的谐振频率调整到预定值。在更先进的形式中,RFID标签的电路可以包括电子和机械地焊接到衬底上的天线的集成电路,其中,由阅读器信号,在天线中/上感应的电压提供操作集成电路的功率。
已经开发了各种方法来设计RFID标签,诸如在下述文献:U.S.专利No.6,501,435;U.S.专利No.6,100,804和PCT公开号WO00/26993中所公开的。
发明内容
本发明的一个方面提供一种超高频(“UHF”)射频识别(“RFID”)标签。UHF RFID标记包括:a)介电衬底;b)连在介电衬底上的天线,其中,天线包括:i)第一天线元件,其中,第一天线元件包括第一导体和第二导体,其中,每个导体具有第一端和与第一端相对的第二端,其中,选择第一天线元件以便提供天线的所需操作频率范围;以及ii)第二天线元件,其中,第二天线元件包括第一部分和第二部分,其中,第一部分连在第一导体的第二端,以及第二部分连在第二导体的第二端,以及其中,选择第二天线元件以便提供天线的所需阻抗值;以及c)集成电路,连在第一导体的第一端和第二导体的第一端上。
在上述UHF RFID标签的一个优选实施例中,集成电路具有第一阻抗值,以及天线具有第二阻抗值,以及第二阻抗值的实分量的大小基本上与第一阻抗值的实分量的大小类似,以及第二阻抗值的虚(imaginary)分量的大小基本上与第一阻抗值的虚分量的大小类似,以及第一阻抗值的虚分量的相位和第二阻抗值的虚分量的相位相反。在该实施例的另一方面中,第一阻抗值具有第一实分量值和第一虚分量值,第二阻抗值具有第二实分量值和第二虚分量值,第一实分量值基本上类似于第二实分量值,以及第一虚分量值基本类似于第二虚分量值,其中第二阻抗值的虚分量的大小基本类似于第一阻抗值的虚分量的大小,以及第一阻抗值的虚分量的相位和第二阻抗值的虚分量的相位相反。在该实施例的另一方面中,第一阻抗值具有第一实分量值和第一虚分量值,第二阻抗值具有第二实分量值和第二虚分量值,其中第一实分量值等于第二实分量值以及第一虚分量值等于第二虚分量值,以及第二阻抗值的虚分量的大小等于第一阻抗值的虚分量的大小,以及第一阻抗值的虚分量的相位和第二阻抗值的虚分量的相位相反。
在上述UHF RFID标签的另一优选实施例中,天线的第一部分具有第一实分量值和第一虚分量值,以及天线的第二部分具有第二实分量值和第二虚分量值,以及选择天线的第二部分以便提供有助于平衡第一实分量值和第一虚分量值的第二实分量值和第二虚分量值,以便提供与集成电路的第一阻抗值基本上类似的天线的第二阻抗值。在该实施例的另一方面中,天线的第一部分具有第一实分量值和第一虚分量值,以及天线的第二部分具有第二实分量值和第二虚分量值,以及选择天线的第二部分以便提供有助于平衡第一实分量值和第一虚分量值的第二实分量值和第二虚分量值,以便提供等于集成电路的第一阻抗值的天线的第二阻抗值。
在上述UHF RFID标签的另一优选实施例中,第二天线元件的第一部分和第二天线元件的第二部分均以闭环的形状。在上述UHF RFID标签的另一优选实施例中,第二天线元件的第一部分和第二天线元件的第二部分均以多边形的形状。在上述UHF RFID标签的又一优选实施例中,第二天线元件的第一部分在形状方面与第二天线元件的第二部分不同。
在上述UHF RFID标签的另一优选实施例中,第二天线元件的第一部分在形状方面与第二天线元件的第二部分类似。在上述UHF RFID标签的又一优选实施例中,第二天线元件的第一部分在大小方面不同于第二天线元件的第二部分。在上述UHF RFID标签的另一优选实施例中,第一导体和第二导体包括弯折处(meander)。在上述UHF RFID标签的另一优选实施例中,第一导体和第二导体均由导线、成形导电箔或印刷导电轨迹制成。在上述UHF RFID标签的另一优选实施例中,第一天线元件由不同于第二天线元件的导电材料制成。
在上述UHF RFID标签的又一优选实施例中,介电衬底包括在850MHz和960MHz间的介电常数ε≤10*ε0,ε0是自由空间的介电常数(ε0=8.85×10-12C2/N.m2)。在上述UHF RFID标签的另一优选实施例中,介电衬底包括第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面,天线连在第一侧面上,以及集成芯片连在第二侧面上。在上述UHF RFID标签的另一优选实施例中,第二天线元件的第一部分和第一导体间的距离不同于第二天线元件的第二部分和第二导体间的距离。在上述UHFRFID标签的另一优选实施例中,第一导体的长度不同于第二导体的长度。
本发明的另一方面提供一种制造超高频(“UHF”)射频识别(“RFID”)标签的方法。该方法包括步骤:a)提供介电衬底;b)选择由第一天线元件和第二天线元件组成的天线,其中,选择第一天线元件以便提供天线的所需操作频率范围,其中,选择第二天线元件以便提供所需阻抗值,其中,第一天线元件包括第一导体和第二导体,其中,每个导体具有第一端和与第一端相对的第二端,以及其中,第二天线元件包括第一部分和第二部分;以及c)将天线连在介电衬底上,以便使第二天线元件的第一部分连在第一导体的第二端,以及使第二天线元件的第二部分连在第二导体的第二端;以及d)使集成电路连在第一导体的第一端和第二导体的第一端。
在上述方法的一个优选实施例中,集成电路具有第一阻抗值,以及第二天线元件具有第二阻抗值,以及第二阻抗值的实分量的大小基本上与第一阻抗值的实分量的大小类似,以及第二阻抗值的虚分量的大小基本上与第一阻抗值的虚分量的大小类似,以及第一阻抗值的虚分量的相位和第二阻抗值的虚分量的相位相反。在该实施例的另一方面,第一阻抗值具有第一实分量值和第一虚分量值,第二阻抗值具有第二实分量值和第二虚分量值,第一实分量值基本类似于第二实分量值,并且第一虚分量值基本类似于第二虚分量值,第二阻抗值的虚分量的大小基本类似于第一阻抗值的虚分量的大小,以及第一阻抗值的虚分量的相位和第二阻抗值的虚分量的相位相反。在该实施例的另一方面,第一阻抗值具有第一实分量值和第一虚分量值,其中,第二阻抗值具有第二实分量值和第二虚分量值,第一实分量值等于第二实分量值以及第一虚分量值等于第二虚分量值,第二阻抗值的虚分量的大小等于第一阻抗值的虚分量的大小,以及,第一阻抗值的虚分量的相位和第二阻抗值的虚分量的相位相反。
在上述方法的另一优选实施例中,天线的第一部分具有第一实分量值和第一虚分量值,以及天线的第二部分具有第二实分量值和第二虚分量值,选择天线的第二部分以便提供有助于平衡第一实分量值和第一虚分量值的第二实分量值和第二虚分量值,以便提供与集成电路的第一阻抗值基本上类似的天线的第二阻抗值。在该实施例的另一方面中,天线的第一部分具有第一实分量值和第一虚分量值,以及天线的第二部分具有第二实分量值和第二虚分量值,选择天线的第二部分以便提供有助于平衡第一实分量值和第一虚分量值的第二实分量值和第二虚分量值,以便提供等于集成电路的第一阻抗值的天线的第二阻抗值。
在上述方法的另一优选实施例中,第二天线元件的第一部分和第二天线元件的第二部分均以闭环的形状。在上述方法的另一优选实施例中,第二天线元件的第一部分和第二天线元件的第二部分均以多边形的形状。在上述方法的另一优选实施例中,第二天线元件的第一部分在形状方面与第二天线元件的第二部分不同。在上述方法的另一优选实施例中,第二天线元件的第一部分在形状方面与第二天线元件的第二部分类似。在上述方法的另一优选实施例中,第二天线元件的第一部分在大小方面不同于第二天线元件的第二部分。
附图说明
将参考附图,进一步描述本发明,其中在几个图中,用相同的数字引用相同的结构,以及其中:
图1是本发明的RFID标签的一个实施例的俯视图;
图2是示例说明现有技术的折叠偶极天线的所计算阻抗的图;以及
图3是示例说明本发明的RFID标签的天线的所计算阻抗的图。
具体实施方式
本发明用于在通常从850MHz到960MHz的范围,最好是欧洲为868MHz、USA为915MHz以及日本为956MHz的超高频(“UHF”)频带中操作的射频识别(“RFID”)标签。
RFID标签可以是有源或无源。无源RFID标签,特别是在UHF频带中操作的那些,使用来自由RFID阅读器发出的入射电磁场的射频信号来供电该标签。射频阅读器可以提供数据管理系统和RFID标签间,或用户和RFID标签间的接口。当RFID标签从入射电磁场接收射频信号时,天线吸收由射频信号接收的射频能量,以及将该能量引导到RFID标签上的集成电路。该集成电路将一部分吸收的射频能量转换成电位能,以及将该能量存储在集成电路的内部电路部分中。电位能在集成电路的内部电源连接处,出现为电压。集成电路中的其他电路,包括微处理器、任选存储器以及用于通信的解码和编码电路均由该存储能供电。
来自RFID阅读器的入射电磁能可以包含编码成射频信号的数据或指令。指令可以包括命令RFID标签传送其序列号或集成电路中数据寄存器的内容。使用在集成电路上存储的能量,然后,集成电路能向RFID阅读器传送回在集成电路的板上存储器中存储的数据的详情。能“读取”RFID标签的距离,即参与与RFID阅读器的双向通信,由RFID阅读器的输出功率、周围环境和RFID标签与入射电磁场相互作用的效率而定。RFID标签能将新数据“写入”其存储器的范围通常小于“读取”范围,因为“写”操作要求通常较高电压。对特别是UHF RFID标签,RFID标签通过调制RFID天线上的负载,使一部分入射电磁能反向散射到RFID阅读器,与RFID阅读器通信。阅读器接收反向散射的电磁辐射以及解码该调制信号。
通过由政府规章限制的RFID阅读器功率发射,通过更有效的标签天线设计,更最唯一可能提高阅读范围。因此,需要增加的入射射频能的天线吸收效率以及将吸收能传送到集成电路。UHF RFID标签天线应当对吸收入射电磁辐射和将电磁辐射反向散射到RFID阅读器有效。此外,RFID标签天线和集成电路间的连接需要即使以操作距离的上限,即以分开RFID阅读器和RFID标签的大的距离,例如三米,也能向集成电路有效地提供足够的能量。
电磁场和RFID标签的交互作用的效率基于RFID标签天线设计和将电磁能从天线耦合到集成电路中的效率。该效率与天线的阻抗和集成电路的阻抗而定。适度高效UHF天线能由偶极子或两个导体,特别是约一半波长的级制成。在900MHz,自由空间波长为约300mm。天线和集成电路间的电磁能的有效耦合由天线的阻抗与集成电路的输入连接处的阻抗的基本上匹配或精确匹配而定。阻抗Z能由复数表示,其中,实分量(表示为Re Z)表示电阻负载,其中与电压同相的随时间变化的电流(Φ=0,其中,Φ定义为电压和电流波形间的相位角)导致耗散损耗函数。虚分量(表示为Im Z)表示时间变化电压,使受限负载中的时间变化电流超前(Φ=π/2,电感)或滞后(Φ=-π/2,电容)特性相位角Φ。天线的复阻抗和集成电路的复阻抗能由实分量和虚分量的和表示。可以使用用于复变量的惯例数字规则,生成阻抗、电压和电流的复数表示。
通过设计接近于、最好等于集成电路输入阻抗的实分量(Re ZIC)的天线阻抗的实分量(Re ZANT),可以实现天线和集成电路间的输入连接两端的电磁能量的有效耦合。匹配天线和集成电路输入阻抗的实分量将有助于最小化天线和集成电路间的边界处的电磁能量的反射,使得RFID标签更有效。该现象在The Art of Electronics,由PaulHorowitz和Winfield Hill(剑桥大学出版社,剑桥,英格兰)1980,pp565-568中教导过,在此引入以供参考。
在包括特别是UHF操作频带的各种操作频带中,天线的虚阻抗和集成电路的虚阻抗(分别为Im ZANT和Im ZIC)将影响到集成电路中的功率传送的效率。术语“功率因数”用来特征化由天线吸收的、由RFID阅读器发送的吸收射频电磁能量将转换成集成电路中的存储能的效率。(在The Art of Electronics,由Paul Horowitz和Winfield Hill(剑桥大学出版社,剑桥,英格兰)1980,pp29中进一步论述了功率因数的定义和说明,在此引入以供参考。)当电流和电压同相时,功率因数为最大,这能通过平衡集成电路输入的虚(电容)阻抗分量和天线的虚(电感)阻抗分量来实现。
本领域的技术人员很容易理解简单偶极天线的操作以及可以由Maxwell方程式来描述。简单偶极天线在Elements of Physics,由GeorgeShortley and Dudley Williams,Prentice-Hall,Inc.Englewood Cliffs,NJ(1971)中进一步论述过,在此引入以供参考。使用为弯曲部分或沿偶极天线的迂回电路路径的弯折处30,可以减小偶极天线的整个物理长度,以便增加偶极天线的有效电长度(信号路径),同时维持最佳物理长度。弯折处可以是均匀或不均匀的。
本领域也非常公知的偶极天线的另一变化是折叠偶极子,其中,使集成电路相对的两个自由远端延伸折叠回它们自身上并电连接。示例性的折叠偶极天线的阻抗,其中折叠偶极天线的直线段的长度为140mm,计算为:
当f=915MHz时,Z折叠偶极子(I0=140mm)=(24.58Ω,-j 13.93Ω)
其中,I0是折叠偶极天线的直线段的端对端长度。使用可从位于Riverton,UT的Nittany Scientific商业地获得的NEC(数值电磁编码)Win-Pro,执行计算。如果该示例折叠偶极子的长度有效地降低1%,计算显示阻抗转变成:
当f=915MHz时,Z折叠偶极子(I=0.99*I0)=(4.83Ω,-j 8.635Ω)
对折叠偶极物理特性长度的相对小的偏移,所计算的天线阻抗的大的偏移示例说明折叠偶极天线对其整个长度的小变化的敏感性。
本发明的RFID标签提供将由天线接收的射频功率有效地耦合到RFID集成电路,特别是在UHF操作频带中操作的那些RFID标签的天线设计。天线设计是小型的,使得它适合于RFID标签或期望最小化整个RFID标签大小的类似的应用。易于修改天线设计以帮助匹配和平衡被选操作频率的复数天线阻抗和集成电路的复数输入阻抗。
图1示例说明本发明的RFID标签10的一个实施例。RFID标签10特别用在UHF范围中,因此,可以是UHF RFID标签10。RFID标签10包括介电衬底12,该介电衬底12具有第一侧面14和与第一侧面16相对的第二侧面16。天线18连接到介电衬底12的第一侧面14。优选地,通过本领域已知的任何装置,例如,通过具有压敏的叠片、可固化的粘接薄或通过直接放置在衬底上,使天线18连在介电衬底12。RFID标签10还包括连在介电衬底12的第一侧面14上的集成电路。最好,集成电路36通过本领域公知的任何方式,例如,通过各向异性导电薄膜粘合剂、焊料、或热压力接合连在介电衬底12上。
天线18包括第一天线元件20和第二天线元件22。第一天线20最好是包括第一导体24和第二导体26的偶极天线。在一个优选实施例中,导体24,26包括弯折处30。弯折处30有助于减小偶极天线的整个物理长度和帮助增加电长度(信号路径)。每个导体24,26包括第一端27和与第一端27的相对第二端28。第二天线元件包括第一部分32和第二部分34。在一个优选实施例中,第一部分32和第二部分34均以闭环或多边形的形状。在一个实例中,如图1所示,第一部分32可以以圆形的形状,以及第二部分34可以以椭圆形的形状。然而,第二天线元件的部分32,34可以是任何形状。第二天线元件的部分32,34可以类似地成形,或相同。第二天线元件的部分32,34可以调整成大小类似,或大小不同。然而,可以由本领域的技术人员选择第二天线元件的部分32,34的形状和大小,以便帮助平衡天线18的阻抗和集成电路36的阻抗,如下所述。
导体24,26的第一端27电连接到集成电路36,最好通过单个焊盘(未示出)。在一个优选实施例中,第一导体24的第二端28连到或电连接到第二天线元件22的第一部分32,以及第二导体26的第二端28连到或电连接到第二天线元件22的第二部分34。在第一导体24的第二端28和第一导体24的曲线部分间测量的长度“c”(如图1所示)可以等于或不同于在第二导体26的第二端28和第二导体26的曲线部分3间测量的长度“d”。可以通过本领域的技术人员分别选择长度c和d以帮助平衡天线18的阻抗和集成电路36的阻抗,如下所述。
为调谐RFID天线18的操作频带,可以修改组成第一天线元件20的第一导体24和第二导体26的长度。通过选择第一导体24和第二导体26的长度,可以选择第一天线元件20来确定RFID标签10的天线18的操作频率范围。导体24,26的长度可以相同或不同。导体24,26的最佳长度在85mm至170mm的范围中,以及导体24,26的更优选长度为约140mm。
第一天线元件20的设计也帮助匹配天线18的阻抗的实部和集成电路26的输入阻抗的实部。第一天线元件20的设计提供一种装置,通过该装置,如果需要,可以增加或减小天线18的阻抗的实部,以便基本上匹配或等于集成电路36输入阻抗的范围。
第二天线元件22的设计帮助修改第一天线元件20的第一和第二导体24,26的第二端28的电流分布。通过修改导体24,26的第二端28的电流分布,第二天线元件修改天线18的阻抗的虚分量以便平衡集成电路36的输入阻抗的虚分量。当天线18和集成电路36的实阻抗基本上匹配以及平衡天线18和集成电路36的虚阻抗分量时,能将由天线吸收的射频能量从天线18有效地传送到集成电路36中。
在每个导体24,26的第二端28,第二天线元件22电连接到导体24,26的第二端28。为帮助平衡集成电路36的容抗,选择第二天线元件22的第一部分32和第二部分34以便使主感应反作用引入到天线18阻抗和射频信号中的相关相移内。第二天线元件22也可以具有一小部分相关容抗,但第二天线元件22的净电感性阻抗帮助平衡集成电路的电容阻抗。第二天线元件22的部分32,34可以以具有从信号的波长的1/8一样小到射频信号的波长的1/2一样大的范围的周长的闭环的形式。通过沿天线18的第一部分20的长度以及在每个导体24,26的第二端28的电流的分布,确定第二天线元件22阻抗的影响的大小。与现有技术公知的偶极天线的电流分布相比,第二天线元件22的存在帮助修改用于电流的边界条件。与现有技术中已知的偶极天线的相移相比,改进的边界条件在天线的电流分布中引入另外的相移。与现有技术已知的偶极天线相比,由第二天线元件22引入的电流分布的相移对修改第一天线元件20的第二端28的射频能量的反射有影响。通过基于本说明书的教导,选择第二天线元件22,能将天线18阻抗的虚分量选择成电感,从而平衡集成电路36的(电容)虚分量。
天线18的设计有助于使天线阻抗的实部Re ZANT与集成电路输入阻抗的实分量Re ZIC匹配,以帮助将射频信号从天线18有效地耦合到集成电路36。天线18阻抗的虚部Im ZANT平衡集成电路36输入阻抗的虚部Im ZIC,但最好反相。在匹配和平衡阻抗分量的条件下,由天线18吸收的射频功率有效地耦合到集成电路。
RFID标签10的优选操作条件的一个实施例概述如下:
Re ZIC≈Re ZANT
以及
|Im ZIC≈|Im ZANT|,以及
Φ(ZIC)≈Φ(ZANT)
其中,Φ是复数阻抗的相位角。
即使以RFID操作频率,不可能使天线18复数阻抗与集成电路输入复数阻抗精确匹配,与不良匹配相比,在该操作频率的基本上或近似接近的阻抗匹配将导致天线18更有效地耦合到集成电路36。
图2是示例说明具有偶极长度(距离a为140mm以及终端长度(距离b)为10mm)的现有技术折叠偶极天线的计算阻抗的图。线50根据频率函数,绘制天线阻抗的实分量Re ZANT。线52根据频率的函数,绘制天线阻抗的虚分量Im ZANT。注意用于指定射频范围915Mz的ReZANT和Im ZANT,在915MHz,Z现有技术偶极 ANT=(24.6Ω,-j 13.6Ω)。
图2表示现有技术折叠环形偶极天线的复数阻抗的实和虚分量的所计算值。使用天线模拟程序,执行计算(NEC:数字电磁编码,可从Nittany Scientific,Inc.,作为NEC WINPro商业地获得)。注意915MHz时的复数阻抗接近(24.575Ω-j 13.93Ω)。接近感兴趣的射频(915MHz),现有技术折叠偶极天线表示小实阻抗(电阻)分量和具有负(即电容)相位的小虚阻抗分量。折叠偶极阻抗的实(24Ω电阻)的小的大小不与集成电路输入阻抗的大的实(65Ω电阻)分量匹配。折叠偶极阻抗的虚分量的小的大小(13.93Ω电容)不与集成电路输入阻抗的虚拟分量的较大大小(720Ω电容)匹配。折叠偶极阻抗的虚分量的相位(-j,电容)与集成电路输入阻抗的虚分量的相位(-j,电容)的相位相同。因此,折叠偶极天线的虚分量不与集成电路输入阻抗的虚分量匹配以便基本上彼此抵消(相消)。在天线和集成电路阻抗的不匹配实分量和不平衡虚分量的这些条件下,由天线吸收的电磁信号将低效率,即低功率传送耦合到集成电路。
图3是示例说明本发明的RFID标签的天线18的计算阻抗的图,其中,距离a等于140mm,以及距离b等于10mm。注意该图的放大比例不同于图2中的图的放大比例,以致能更清楚地显示本发明的天线设计的较大阻抗值特性。线54根据频率的函数,绘制天线18阻抗的实分量Re ZANT。线56根据频率的函数,绘制天线18阻抗的虚分量Im ZANT。注意对指定频率915MHz的Re ZANT和Im ZANT的值,Z本发明偶极 ANT=(67.0Ω+j 751.5Ω)。使用上述天线模拟程序(NEC:数字电磁编码),执行计算。在感兴趣的射频(915MHz)附近,天线18表示实(电阻)阻抗分量和具有正(即电感)相位的虚阻抗分量。该例子的本天线的阻抗的实分量的大小(67Ω电阻)与集成电路36输入阻抗的实分量的大小(65Ω电阻)近似匹配。该例子的本天线的阻抗的虚分量的大小(751Ω电感)与集成电路36输入阻抗的虚分量的大小(720Ω电容)近似匹配。该例子的本发明天线的阻抗的虚分量的相位(+j,电感)与集成电路36输入阻抗的虚分量的相位(-j,电容)相反。该例子的阻抗/本发明天线的虚分量与集成电路36输入阻抗近似平衡,以便基本上彼此抵消(相消)。在天线18和集成电路36阻抗的匹配实分量和平衡虚分量的优选模式中,与图2有关的、上述的现有折叠偶极天线相比,由天线18吸引的电磁信号将天线高效率地耦合到集成电路36。
介电衬底12可以是现有技术中已知的任何介电材料。用于衬底12的适当的介电材料的例子包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(通称为聚酯或PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(通称为PEN)、PET和PEN的共聚物、聚酰亚胺以及聚丙烯。最好,介电衬底的厚度在0.010mm至0.200mm的范围中,最好,在0.025mm至0.100mm的范围中。然而,介电衬底可以是任何厚度,以及甚至可以是不均匀厚度。
适当的集成电路36的例子可从设立在Eindhoven,荷兰的PhilipsSemiconductor商业地获得,在零件号SL3ICS30。
天线18可以由任何类型的半导体材料,诸如导线、导电金属图形(诸如由金属箔,诸如蚀刻的铝,蚀刻的铜、电镀的铜等等形成)、印刷导电图(诸如由导电墨水,或其他含金属材料,可选地,包括提高导电性的工艺步骤制成的那些)、模压铜粉(例如在公开的U.S.专利申请2003/0091789中所公开的,在此引入以供参考)、印刷或模压石墨或碳黑,或本领域技术人员公知的其他导电材料制成。
在图1中所示的天线18是具有第一导体24和第二导体26的偶极天线。然而,结合第二天线部件22,可以使用本领域公知的其他公知天线,例如折叠偶极子、螺线天线、“Z形”天线、环形天线或它们的补充,诸如隙缝天线。
将参考下述详细例子,进一步描述本发明的操作。提供这些例子以便进一步示例说明各个具体和优选的实施例和技术。然而,应理解到在仍然在本发明的范围内的同时,可以做出许多改变和改进。
例子
如图1所示,实现本发明的RFID标签10的一个优选实施例。在图1中示出了天线18的尺寸,以及该例子的天线包括140mm的“a”距离和10mm的“b”距离。也做出了现有技术折叠偶极天线的比较例子。
通过可从在商标名Kapton E薄膜下,设立在Wilmington,DE的Dupont Electronics商业地获得的0.25mm厚聚酰亚胺衬底12上电镀0.118mm厚度铜,实现天线18。可以将可从在商标名MacDermid SF320下,设计在Wilmington,DE的MacDermid,Inc商业地获得的光致抗蚀剂材料层压到电镀铜膜的表面上。将光致抗蚀剂材料应用于衬底,以所需最终天线18的形式。
蚀刻掉暴露的铜,留下所需最终天线18的图形中的铜。使用由光致抗蚀剂制造商建议的方法,使剩余的光致抗蚀剂材料剥离铜。在剥离光致抗蚀剂材料后,使以其最终形式的成型铜天线19留存聚酰亚胺衬底12上。合成0.018mm铜迹线(trace)具有与开始铜箔厚度相同的厚度。铜迹线为1.000mm宽,除连接到集成电路焊盘的两条短轨迹外,这两条迹线为0.100mm宽。集成电路连接到端27。
天线20具有140mm的“a”尺寸和10mm的“b”尺寸。第二天线元件的第一部分形成为具有5mm的半径的圆,并连在第一导体24的端28上,具有4mm的“c”尺寸。第二天线元件的第二部分形成为具有5mm半径的圆,连接到第二导体26的端28上,具有58mm的“d”尺寸。
可从在零件号SL3ICS30,设立在Eindhoven,荷兰的PhilipsSemiconductor商业地获得的集成电路36通过各向异性导电薄膜粘合剂,连在聚酰亚胺衬底12上。该集成电路36已知在915MHz时,ZIC=(65Ω-j720Ω)的输入阻抗特性。
使用相同的过程,以及与上述本发明天线相同的尺寸,形成比较例子天线,除比较天线不具有第二天线元件和所连接的端28外。
由于因为测量装置加载天线,从而影响测量值,测量实和虚天线阻抗的手段提供可疑结果,估计天线和IC的复阻抗间的平衡的优选手段是测量读取距离。读取距离越大,表示更平衡的阻抗。
通过在商标名SAMSYS,零件号MP9320下,从SAMSYSTechnologies,Richmond Hill,Ontario,加拿大商业地获得的,以及以1瓦特输出功率操作的915MHz RFID阅读器,测量本发明的UHF RFID标签10的读取距离。RFID阅读器连接到在商标名CUSHCRAFT、零件号S9028PC下,Cushcraft Corporation,Manchester,NH商业地获得的圆极化天线上。
具有相同型号Phjlips集成电路模型SL3ICS30的简单偶极天线的比较例子的读取距离小于0.3m。示例性本发明UHF RFID标签10的读取距离为1.5m。
表1:集成电路的阻抗的实和虚分量,比较例子和本发明的例子
上述测试和测试结果仅意图是示例性的,而不是预测,以及能期望测试过程中的变化来产生不同的结果。
现在已经参考几个实施例描述了本发明。仅为理解清楚,给出上述详细描述和例子。不应由此理解不必要的限制。在此所述的所有专利和专利申请在此引入以供参考。对本领域的技术人员来说,在不背离本发明的范围的情况下,可以在所述的实施例中做出许多改变。因此,本发明的范围不应当限制到在此所述的具体细节和结构,而是由权利要求的语言所述的结构以及这些结构的等效来限定。
Claims (25)
1.一种射频识别RFID标签,包括:
a)介电衬底;
b)连在所述介电衬底上的天线,所述天线包括:
i)第一天线元件,所述第一天线元件包括第一导体和第二导体,每个导体具有第一端和与所述第一端相对的第二端,选择所述第一天线元件使得提供天线的所需操作频率范围;以及
ii)第二天线元件,所述第二天线元件包括闭环形状的第一部分和第二部分,所述第一部分连在所述第一导体的第二端,所述第二部分连在所述第二导体的第二端,选择所述第二天线元件使得提供天线的所需阻抗值;以及
c)集成电路,电连接到所述第一导体的第一端和所述第二导体的第一端上。
2.如权利要求1所述的RFID标签,其中,所述集成电路具有第一阻抗值,所述天线具有第二阻抗值,所述第二阻抗值的实分量的大小与所述第一阻抗值的实分量的大小接近,所述第二阻抗值的虚分量的大小与所述第一阻抗值的虚分量的大小接近,所述第一阻抗值的虚分量的相位和所述第二阻抗值的虚分量的相位相反。
3.如权利要求2所述的RFID标签,其中,所述第一阻抗值具有第一实分量值和第一虚分量值,所述第二阻抗值具有第二实分量值和第二虚分量值,所述第一实分量值等于所述第二实分量值,所述第二阻抗值的虚分量的大小等于所述第一阻抗值的虚分量的大小,所述第一阻抗值的虚分量的相位和所述第二阻抗值的虚分量的相位相反。
4.如权利要求2所述的RFID标签,其中,所述第一天线元件的阻抗具有第一实分量值和第一虚分量值,所述第二天线元件的阻抗具有第二实分量值和第二虚分量值,选择所述第二天线元件的阻抗使得提供有助于平衡所述第一实分量值和所述第一虚分量值的第二实分量值和第二虚分量值,从而提供与所述集成电路的第一阻抗值接近的所述天线的第二阻抗值。
5.如权利要求4所述的RFID标签,其中,所述第一天线元件的阻抗具有第一实分量值和第一虚分量值,所述第二天线元件的阻抗具有第二实分量值和第二虚分量值,选择所述第二天线元件的阻抗使得提供有助于平衡所述第一实分量值和所述第一虚分量值的第二实分量值和第二虚分量值,以便提供等于所述集成电路的第一阻抗值的所述天线的第二阻抗值。
6.如权利要求1所述的RFID标签,其中,所述第二天线元件的第一部分和所述第二天线元件的第二部分是多边形的形状。
7.如权利要求1所述的RFID标签,其中,所述第二天线元件的第一部分在形状方面与所述第二天线元件的第二部分不同。
8.如权利要求1所述的RFID标签,其中,所述第二天线元件的第一部分在形状方面与所述第二天线元件的第二部分类似。
9.如权利要求1所述的RFID标签,其中,所述第二天线元件的第一部分在大小方面不同于所述第二天线元件的第二部分。
10.如权利要求1所述的RFID标签,其中,所述第一导体和所述第二导体包括弯折处。
11.如权利要求1所述的RFID标签,其中,所述第一导体和所述第二导体均由导线、成形导电箔或印刷导电轨迹制成。
12.如权利要求1所述的RFID标签,其中,所述第一天线元件由不同于所述第二天线元件的导电材料制成。
13.如权利要求1所述的RFID标签,其中,所述介电衬底包括在850MHz和960MHz间的介电常数ε≤10*ε0,其中,ε0是自由空间的介电常数,ε0=8.85×10-12C2/N.m2。
14.如权利要求1所述的RFID标签,其中,所述介电衬底包括第一侧面和与所述第一侧面相对的第二侧面,所述天线连在所述第一侧面上,以及所述集成芯片连在所述第二侧面上。
15.如权利要求1所述的RFID标签,其中,所述第二天线元件的第一部分和所述第一导体的弯曲部分间的距离不同于所述第二天线元件的第二部分和所述第二导体的弯曲部分间的距离。
16.如权利要求1所述的RFID标签,其中,所述第一导体的长度不同于所述第二导体的长度。
17.一种制造射频识别(“RFID”)标签的方法,包括步骤:
a)提供介电衬底;
b)选择由第一天线元件和第二天线元件组成的天线,其中,选择所述第一天线元件以便提供所述天线的所需操作频率范围,选择所述第二天线元件以便提供所需阻抗值,所述第一天线元件包括第一导体和第二导体,每个导体具有第一端和与所述第一端相对的第二端,所述第二天线元件包括闭环形状的第一部分和第二部分;以及
c)将所述天线连在所述介电衬底上以便使所述第二天线元件的第一部分连在所述第一导体的第二端,以及使所述第二天线元件的第二部分连在所述第二导体的第二端;以及
d)使集成电路电连接到所述第一导体的第一端和所述第二导体的第一端。
18.如权利要求17所述的方法,其中,所述集成电路具有第一阻抗值,所述天线具有第二阻抗值,所述第二阻抗值的实分量的大小与所述第一阻抗值的实分量的大小接近,所述第二阻抗值的虚分量的大小与所述第一阻抗值的虚分量的大小接近,所述第一阻抗值的虚分量的相位和所述第二阻抗值的虚分量的相位相反。
19.如权利要求18所述的方法,其中,所述第一阻抗值具有第一实分量值和第一虚分量值,所述第二阻抗值具有第二实分量值和第二虚分量值,所述第一实分量值等于所述第二实分量值,所述第二阻抗值的虚分量的大小等于所述第一阻抗值的虚分量的大小,所述第一阻抗值的虚分量的相位和所述第二阻抗值的虚分量的相位相反。
20.如权利要求18所述的方法,其中,所述第一天线元件的阻抗具有第一实分量值和第一虚分量值,所述第二天线元件的阻抗具有第二实分量值和第二虚分量值,选择所述第二天线元件的阻抗使得提供有助于平衡所述第一实分量值和所述第一虚分量值的第二实分量值和第二虚分量值,从而提供与所述集成电路的第一阻抗值接近的所述天线的第二阻抗值。
21.如权利要求20所述的方法,其中,所述第一天线元件的阻抗具有第一实分量值和第一虚分量值,所述第二天线元件的阻抗具有第二实分量值和第二虚分量值,选择所述第二天线元件的阻抗使得提供有助于平衡所述第一实分量值和所述第一虚分量值的第二实分量值和第二虚分量值,从而提供等于所述集成电路的第一阻抗值的所述天线的第二阻抗值。
22.如权利要求17所述的方法,其中,所述第二天线元件的第一部分和所述第二天线元件的第二部分是多边形的形状。
23.如权利要求17所述的方法,其中,所述第二天线元件的第一部分在形状方面与所述第二天线元件的第二部分不同。
24.如权利要求17所述的方法,其中,所述第二天线元件的第一部分在形状方面与所述第二天线元件的第二部分类似。
25.如权利要求17所述的方法,其中,所述第二天线元件的第一部分在大小方面不同于所述第二天线元件的第二部分。
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