CN101013771A - 折叠偶极天线和使用该折叠偶极天线的标签 - Google Patents
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Abstract
在折叠偶极天线中，具有馈电部分的第一偶极部分的两个末端连接到第二偶极部分的两个末端，从而形成狭槽部分，并且当将RFID芯片安装在馈电部分上时，第一偶极部分和第二偶极部分具有用于产生狭槽模式(纵向方向)直线偏振波的宽度。芯片的端子实际连接到折叠偶极天线的馈电部分的天线端子以实现标签。
Description
技术领域
本发明涉及一种折叠偶极天线和使用该折叠偶极天线的标签，并且具体地，涉及一种用于向/从RFID读写器发送/接收信号的非接触折叠偶极天线，以及使用该非接触折叠偶极天线的RFID标签。
背景技术
已知一种RFID系统，其中读写器经由UHF带宽(860-960MHz)的无线电线路发送大约1W的信号，标签接收该信号并且向该读写器返回响应信号；从而标签内的信息可被该读写器读取。规定通信频率为953MHz，从而通信距离大约为3m，同时，该通信距离也取决于标签上提供的天线的增益和芯片的操作电压及周围环境。标签由大约0.1mm厚的天线和连接到天线馈电部分(feeding portion)的LSI芯片(大约1mm2、0.2mm厚)组成。
如图8所示，LSI芯片21可以等同地由内阻Rc(例如1200Ω)和电容Cc(例如0.7pF)的并联电路来表示。芯片21的导纳Yc(＝1/Rc+jwCc)在图9的导纳圆图上的位置A21处示出。另一方面，天线22可等同地由辐射电阻Ra(例如500Ω)和电感La(例如40nH)的并联电路来表示。
通过将芯片21并联到天线22，电容Cc和电感La相互谐振，并且在期望的谐振频率fo(上述提及的953MHz)上阻抗匹配，从而可将天线22处的最大接收功率提供给芯片21，如下列等式所示。
作为用于RFID标签的基本天线，可提及图10A所示大约145mm(λ/2)长的偶极天线31。在此情况下的阻抗绘出图9中的轨迹(1)。在fo＝953MHz处，Ra假定为72Ω并且虚部假定为0，其在轨迹(1)的位置A31处示出。
由于RFID标签的天线所需的辐射电阻Ra非常高，大约为500-2000Ω，所以需要将辐射电阻Ra从72Ω升高。
已知一种如图10B所示的大约145mm长的折叠偶极天线32，取决于线宽，辐射电阻Ra从偶极天线的72Ω升高到大约300Ω-500Ω(参见非专利文献1)。
图9示出了折叠偶极天线32的阻抗绘出的轨迹(2)，并且在fo＝953MHz处，Ra假定为500Ω且虚部假定为0，其在轨迹(2)上的位置A32处示出。
此外，如图10C中所示，通过将电感部分33并联到图10B所示的折叠偶极天线32，图9的导纳圆图上的轨迹(2)逆时针旋转，从而在轨迹(3)上的位置A33处可示出如下阻抗，其虚部(Ba＝-1/ωLa)的绝对值与芯片21的导纳的虚部(Bc＝ωCc)相同。在此情况下，电感部分33的长度越短，电感La的数值越小，从而导致大的虚部和大旋转量。
由于芯片21的虚部Bc具有与天线22的虚部Ba相同的大小，所以它们可相互抵消并且在频率fo处发生谐振。虚部的抵消是在设计RFID标签时最重要的要素。虽然芯片21的内阻Rc与天线22的辐射电阻Ra之间匹配是最优选的，但不必严格地要求它们相互匹配。
另一方面，例如参见专利文献1，有一种无线电标签，通过在折叠偶极天线(其由电介质片上的导电图案形成，在900MHz频带谐振)上布置半波长无馈电元件(由夹着该电介质片的该折叠偶极天线的相对侧上的导电图案形成，在2.4GHz频带谐振)，并匹配两个频带的阻抗而可在两个频带上工作。
[非专利文献1]天线工程手册(Antenna engineering handbook)：第112页(由Ohmsha于1999年3月5日公布)
[专利文献1]日本专利申请特开第2005-236468号
图11示出上述RFID系统的构成。通过缆线12连接到读写器(R/W)11的R/w端天线13是具有圆偏振波特性的片状天线(patch antenna)等。由于来自读写器11的电场方向“A”总是如图11所示旋转的，所以无论标签15面向何方，带有通常具有直线偏振波特性的天线的标签15都可通过无线电波传播路径14向/从读写器11发送/接收信号。
当将图10B所示的折叠偶极天线用于标签15时，折叠偶极天线也具有直线偏振波特性。因此，如果能够在与折叠偶极天线固有的直线偏振波表面垂直的表面内产生适当电场，则可接收在某一时刻来自读写器11的与该电场方向垂直的偏振波，并且可扩大标签15的通信距离。
虽然已知一种十字偶极(如图12所示)，但它使标签对于实际应用来说太大。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种即使读写器具有圆偏振波特性，也能够扩大通信距离的折叠偶极天线，和使用该折叠偶极天线的标签。
为了实现上述目的，根据本发明的折叠偶极天线包括：具有馈电部分的第一偶极部分；和第二偶极部分，其中形成有狭槽部分，并且第一偶极部分的两端连接到所述第二偶极部分；在芯片安装在所述馈电部分上的情况下，第一和第二偶极部分具有用于产生纵向的直线偏振波的宽度。
即，在本发明中，第一和第二偶极部分相互连接，以便形成狭槽部分。在此状态下，假设将芯片安装在第一偶极部分的馈电部分上，则第一和第二偶极部分通过该狭槽部分形成高频电路(天线端子之一—第二偶极部分—另一天线端子)。因此，通过第一偶极部分和第二偶极部分之间的狭槽部分产生或者提供了馈电部分，从而偶极部分和狭槽部分作为狭槽天线操作，并且产生垂直于由所述第一偶极部分产生的直线偏振波表面方向的纵向直线偏振波。
因此，由第一偶极部分产生的横向直线偏振波(偶极模式)和垂直于该横向直线偏振波的纵向直线偏振波(狭槽模式)同时操作，从而提供了适当的双模式偏振波(dual mode-polarized wave)特性(实质上为圆偏振波特性或者椭圆偏振波特性)，并且增加了与读写器的圆偏振波的匹配度。
另外，用于与芯片进行阻抗匹配的电感部分可与上述馈电部分并联地连接到第一偶极部分。
通过这样提供电感部分，与使用商业上可得到的芯片电感的情况相比，可减少成本和工时。
另外，通过将芯片的输入/输出端子连接到上述馈电部分的天线端子来实现标签。
即，虽然芯片没有安装在馈电部分上，但在上述情况下，折叠偶极天线假定芯片安装在馈电部分上。通过将芯片的输入/输出端子实际地连接到馈电部分的天线端子，来实现其上实际安装了芯片的标签。
因而，在第一偶极部分内产生偶极模式的直线偏振波，高频电路的形成使得等同于在狭槽部分上也实质安装了馈电部分。因此，在第一偶极部分和第二偶极部分之间产生狭槽模式的纵向直线偏振波，并且增加了与读写器的圆偏振波的匹配度。
在上述情况下，芯片的输入/输出端子仅连接到第一偶极部分的天线端子，而不连接到第二偶极部分的端子。然而，可为这种芯片提供诸如监视器端子的第二端子，其中通过还直接将第二端子连接到第二偶极部分，在第二端子与天线端子之一之间插入芯片本身的内部电容，导致在高频时的相同电势。这样，以与上述相同的方式，在第一偶极部分和第二偶极部分之间形成高频电路(天线端子之一—第二端子—第二偶极部分—另一天线端子)，从而通过狭槽部分产生狭槽模式的直线偏振波。
此外，可在上述狭槽部分内提供焊盘图案(land pattem)，并且将上述芯片的另一端子连接到该焊盘图案。
即，不通过将芯片的上述第二端子连接到第二偶极部分，而是通过将芯片的上述第二端子连接到在狭槽部分内提供的焊盘图案，将该焊盘图案和第一偶极部分的天线端子之一在高频时通过内部电容相耦合以取得相同电势。此外，在焊盘图案和第二偶极部分之间通过电容发生高频耦合，从而形成天线端子之一—焊盘图案-第二偶极部分—另一天线端子的高频电路，在第一偶极部分和第二偶极部分之间产生实质馈电部分，从而以与上述相同的方式，除偶极模式的直线偏振波之外，还能够产生狭槽模式的直线偏振波。
上述第一偶极部分和第二偶极部分可以包括由Cu、Ag、或者Al构成的导体，并且可以固定在由PET、薄膜或者纸张构成的薄片上。
如上所述，根据本发明，从读写器不仅可在特定时刻发送/接收偶极模式的直线偏振波，而且可发送/接收与偶极模式的直线偏振波垂直的狭槽模式的直线偏振波。因而，能够提高与来自读写器的圆偏振波的匹配度，由此扩大通信距离。
附图说明
通过结合附图阅读下文的详细说明，本发明的上述和其它目的和优点将而变得明了，在附图中，参考标号通篇指示类似的部分，其中：
图1是示出了根据本发明的折叠偶极天线的实施例的平面图；
图2是放大示出了根据本发明标签的实施例[1]的芯片安装部分的周围的平面图；
图3是例示出根据本发明的标签的操作的图；
图4是示出了在本发明中使用的偶极部分的宽度与通信距离比之间的关系的曲线图；
图5是示出了在本发明中使用的电感部分的长度与电感之间的关系的曲线图；
图6是放大示出了根据本发明的标签的实施例[2]的芯片安装部分的周围的平面图；
图7是放大示出了根据本发明的标签的实施例[3]的芯片安装部分的周围的平面图；
图8是示出了RFID标签的一般等价电路的图；
图9是根据RFID标签，使用各种天线的导纳圆图(700MHz-1200MHz：fo＝953MHz)；
图10A-10C是示出了用于RFID标签的天线示例的图；
图11是一般已知RFID系统的图；以及
图12是示出一般已知十字偶极的图。
具体实施方式
折叠偶极天线的实施例：图1
图1示出了根据本发明的折叠偶极天线1。在本实施例中，第一偶极部分2_1的两端和第二偶极部分2_2利用连接4相互连接形成狭槽部分3。在第一偶极部分2_1的中间点处，提供有可安装RFID芯片的馈电部分5，并且电感部分6与该馈电部分5并联地连接到第一偶极部分2_1。
在此折叠偶极天线1中，第一偶极部分2_1的宽度W1假定为大约λ/75＝4mm；第二偶极部分(折叠部分)2_2的宽度W2假定大约为λ/30＝10mm；并且狭槽部分3的宽度W3假定大约2mm。此外，整个长度L1假定为λ/2＝144mm，并且将电感部分6的长度L2设定为如下长度：横向长度L2＝大约30mm，纵向长度W4＝大约4mm，通过该长度，在将安装在馈电部分5上的芯片电容Cc假定为0.7pF时，该电容Cc与电感La＝40nH发生谐振。
注意，稍后将详细描述折叠偶极天线1的上述尺度示例。
标签的实施例[1]
图2示出通过实际将芯片安装在图1所示的折叠偶极天线1中实现的标签10的实施例。此实施例的图放大示出了图1中的馈电部分5的周围(在该馈电部分5的位置上安装芯片，也将其称为芯片5)，并且该芯片的输入/输出端子(未示出)连接到第一偶极部分2_1的天线端子T1和T2。
如果芯片5实际安装在作为芯片安装部分的馈电部分5上，则如图3所示，在被直接馈电的第一偶极部分2_1中产生了由直接馈电产生的偶极模式DM的直线偏振波，即在图纸上的横向上的直线偏振波。
由于将第一偶极部分2_1和第二偶极部分2_2设置得比一般折叠偶极天线宽，所以第一偶极部分2_1和第二偶极部分2_2通过在图2中的虚线示出的狭槽部分3在高频(例如953MHz)时形成了由天线端子T2—第二偶极部分2_2—两个偶极部分之间的电容—天线端子T1构成的电路，从而在天线端子T2和第二偶极部分2_2之间产生馈电部分7。因此，馈电部分7是跨过狭槽部分3提供的，从而如图3所示，产生了狭槽模式SM的直线偏振波(图纸上的纵向方向)。
通过仿真，此时狭槽部分3的辐射电阻大约是1000-3000Ω，这与所安装的芯片5的一般阻抗(例如1200Ω)相匹配。
因此，以偶极模式DM的横向直线偏振波为主工作，以狭槽模式SM的纵向直线偏振波为辅工作，从而整体上由标签10提供适当的双模式偏振波特性。这使得不仅可以在特定时刻从读写器接收/发送偶极直线偏振波，而且可以接收/发送与该偶极偏振波垂直的狭槽模式直线偏振波，从而可增加通信距离。
现在，将描述采用如图1所示的折叠偶极天线1的尺寸的原因。
图4示出了利用第一偶极部分2_1的宽度W1作为参数，通过商业上可获得的电磁场仿真器获得的第二偶极部分2_2的宽度W2和通信距离比之间的关系的曲线图。从该曲线图可见，通信距离比与第二偶极部分2_2的宽度W2近似成正比地增加，并且通信距离比在第一偶极部分2_1的宽度W1是4mm的情况下比宽度W1是2mm的情况下增加得多。该曲线图表明，当第一偶极部分的宽度W1是4mm并且第二偶极部分的宽度W2是10mm时，可获得长大约为仅产生直线偏振波的一般折叠偶极天线的通信距离的1.4倍的通信距离。
另外，图5示出了在如上所述芯片电容Cc＝0.7pF时，由商业上可获得的电磁场仿真器获得的电感部分6的横向长度L2与所产生的电感La[nH]之间的关系的曲线图。为了获得与电容谐振的电感La＝40nH，可以看到电感部分6的横向长度L2为如上所述的大约30mm。此时辐射电阻为1200Ω。
虽然能够使用商业上可获得的芯片电感来替代环状电感，但芯片电感要求更高的成本和工时。因此，通常使用这种环状图案形成该电感部分。另外，通过使用第一偶极部分的一部分作为电感，可缩小整个天线。
从而，这样确定了图1所示的折叠偶极天线1的尺寸。
标签的实施例[2]：图6
虽然在上述实施例[1]中芯片5是直接连接到第一偶极部分2_1的天线端子T1和T2的，但在实施例[2]中，如图6所示，芯片5还可以直接连接到第二偶极部分2_2。
即，在某些情况下，在芯片5中不仅提供用于连接到天线端子T1和T2的输入/输出端子，还提供诸如监控器端子T3的另一(又一)端子作为第三端子。在此情况下，监控器端子T3直接连接到第二偶极部分2_2。
由于天线端子T1和监控器端子T3通过芯片5内固有存在的电容C1，而在高频率时呈现相同电势，因而形成天线端子T1—电容C1—第二偶极部分2_2—天线端子T2的高频电路，从而，以与上述实施例[1]相同的方式，通过狭槽部分3在第一偶极部分2_1的端子T2和第二偶极部分2_2之间提供馈电部分7。即，在实施例[2]的情况下，通过使用内部电容C1，比实施例[1]的情况更容易地提供了高频电路(馈电部分)。
因此，在实施例[2]中，同样产生了如图3所示的偶极模式DM的直线偏振波和狭槽模式SM的直线偏振波，从而使得能够更有效地执行向/从读写器的信号发送/接收，并增加了通信距离。
标签的实施例[3]：图7
实施例[3]具有在上述实施例[1]和[2]之间的中间构成。
即，如图7所示，在狭槽部分3中提供焊盘图案8，并且将焊盘图案8和芯片5的监控器端子T3相互连接。因此，通过内部电容C1，在高频时，焊盘图案8的监控器端子T3和天线端子T1被提供了的相同电势。由于在高频时在焊盘图案8与第二偶极部分2_2之间存在的电容，因此形成由天线端子T1—内部电容C1—监控器端子T3—第二偶极部分2_2—天线端子T2组成的高频电路，从而在天线端子T2与第二偶极部分2_2之间提供如虚线所示的馈电部分7。
因此，在本实施例中，以与上述实施例[1]和[2]相同的方式同样产生了如图3所示的偶极模式DM的直线偏振波和狭槽模式SM的直线偏振波，从而使得可更有效地执行向/从读写器的信号发送/接收。
注意，本发明不限于上述实施例，并且显然，本领域的技术人员可基于权利要求的叙述进行各种修改。
Claims (7)
1、一种折叠偶极天线，包括：
具有馈电部分的第一偶极部分；和
第二偶极部分，其中形成有狭槽部分，并且第一偶极部分的两个末端连接到第二偶极部分；
在将芯片安装在所述馈电部分上的情况下，所述第一偶极部分和第二偶极部分具有用于产生纵向的直线偏振波的宽度。
2、如权利要求1所述的折叠偶极天线，其中，用于与芯片阻抗匹配的电感部分与所述馈电部分并联地连接到所述第一偶极部分。
3、如权利要求1所述的折叠偶极天线，其中，第一偶极部分和第二偶极部分包括由Cu、Ag、或者Al构成的导体，并且固定在由PET、薄膜或者纸张构成的薄片上。
4、使用如权利要求1所述的折叠偶极天线的标签，其中芯片的输入/输出端子与所述馈电部分的天线端子相连接。
5、根据权利要求4所述的标签，其中，芯片的另一端子与所述第二偶极部分相连接。
6、如权利要求4所述的标签，其中，在所述狭槽部分中提供焊盘图案，并且所述芯片的另一端子与所述焊盘图案相连接。
7、如权利要求4所述的标签，其中，第一偶极部分和第二偶极部分包括由Cu、Ag、或者Al构成的导体，并且固定在由PET、薄膜或者纸张构成的薄片上。
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