CN101042727A - 用于在无线通讯系统中增强通讯的系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种无线射频识别系统(RFID)，其包括一中介元件，此中介元件包括彼此连接并形成闭环的第一与第二天线线圈。此第一线圈可与一读取器进行最佳化通讯，而第二线圈则可与一标签进行最佳化通讯。因此，第一天线线圈的尺寸与第二天线线圈的尺寸可彼此独立互不相关。中介元件的配置可改变从读取器或标签所传送的信号方向，进而在当读取器与标签并非位于一直线时改善其通讯状况。

Description

用于在无线通讯系统中增强通讯的系统与方法

【技术领域】

本发明的实施例关于无线射频通讯系统，尤其关于用于在无线射频通讯系统中扩大其通讯范围的系统与方法。

【现有技术】

无线射频识别系统(RFID)为一种无线射频通讯系统。由于其可用于追踪并识别移动对象，RFID系统日益受到重视。在一RFID系统中，欲进行追踪与识别的远程对象装配有一小RFID标签(tag)。此RFID标签包括一询答器(transponder)以及一具有独特电子识别信息的数字记忆芯片。一读取器(interrogator or reader)可配置为发送一可启动此RFID标签的信号。当一RFID标签进入此读取器的范围之中时，此RFID标签可侦测到读取器的信号，并提供标签本身的识别信息。此读取器可配置为可译码此识别信息，并且在特定应用中则写入数据至RFID标签中。

由读取器所产生的信号为一无线射频(RF)信号。RFID系统的配置一般可在四个主要频带内操作。这些频带的特征由读取器操作时所产生的RF信号所界定。这些频带包括一低频带(125KHz或134.2KHz)、一高频带(13.56MHz)、一超高频带(UHF，868-956MHz或463MHz)、以及一微波频带(2.4GHz或5.8GHz)。

一RFID读取器一般包括一无线收发器(transceiver)，其配置可传送并接收RF信号。此无线收发器耦接至一个以上的天线，此天线则可允许收发器传送并接收RF信号。此收发器亦接口至一编码器/译码器，其配置为可针对所接收的信号进行译码，并对即将经由收发器所发送的信息进行编码。

RFID标签一般可分类为被动式或主动式标签。一被动式标签不带有内建的电源，而是由读取器所传送的RF信号内含的能量所驱动。从读取器所发送的RF信号在标签天线内诱发一电流，其足以驱动此标签并使其发送一应答信号。大部分被动式标签是藉由将读取器所产生的RF载体信号反射而传送信号至读取器。亦即，此标签天线的设计可由进入信号收集电源，并亦可传送往外的反射信号。需注意的是，由标签所产生的响应信号可包括识别数据以外的信息。

另一方面，主动式标签则包括其本身的内部电源，用以提供电能至此标签而产生一往外的信号。与被动式标签相较之下，主动式标签可具有较大的操作范围以及较大的内存，而可以允许此标签储存从读取器所传送的额外信息。然而，由于被动式标签并不需要一内建电源，因此尺寸可做得比主动式标签小，成本也较低廉。此外，由于设计上的简单性，被动式标签可以使用公知天线的印刷工艺来制造。

虽然被动式标签具有许多优点而在新RFID应用中日益受到瞩目，然而其缺点之一是，与主动式标签相较之下显得有限的操作范围。用以克服受限范围问题的方法之一是，在特定应用中使用一范围扩大器。范围扩大器可定义为一天线或共振电路，其可置于读取器与标签之间，并配置以接收从读取器传出的RF信号、强化、并再次传播至标签。因此，此共振电路可用以将一般在读取器与标签之间可传达的距离加大。

公知的范围扩大器通常包括一单一天线，其配置仅可耦接至读取器或标签中二者之一。因此，所扩大的范围，会因为范围扩大器并未针对与其它读取器或标签间的数据传输进行最佳化的影响，而受到限制。此外，公知的范围扩大器通常仅适用于直线通讯，亦即读取器、范围扩大器以及标签位于一中心正交轴上。若读取器与标签并未如此排列，则公知的范围扩大器可能无法提供任何优点。

【发明内容】

一种RFID系统其包括一中介元件，此中介元件包括彼此连接并为闭环形式之一第一与第二天线线圈。此第一线圈可针对与一读取器之间的通讯进行最佳化，而第二线圈则可针对与一标签之间的通讯进行最佳化。

在本发明之一目的中，此中介元件的配置可使其改变从读取器或标签所发送的信号方向，因此在当读取器与标签并非位于一直线时增进信息传输的效果。

在本发明的另一目的中，此第一天线线圈的尺寸以及第二天线线圈的尺寸可彼此独立互不相关。

以下详细说明本发明的结构与方法。本发明内容说明章节目的并非在于定义本发明。本发明由权利要求所定义。举凡本发明的实施例、特征、目的及优点等将可透过下列说明权利要求及附图获得充分了解。

【附图说明】

图1表示一例示无线传输系统，其包括一根据本发明一实施例的中介天线；

图2表示一例示无线通讯系统；

图3A-3D表示在例示实施例中，根据本发明不同实施例的中介天线配置；

图4表示一包括有一中介天线的无线通讯系统的细节；

图5A表示一无线通讯系统，其包括根据本发明另一实施例的一中介天线；

图5B表示此中介天线的一部份的等效示意图；以及

图6表示一无线通讯系统，其包括一中介天线其配置根据本发明一实施例而改变信号传输的方向。

【主要元件符号说明】

100，200                   RFID系统

102，202                   读取器

104，112，116，204，210    天线

106，118，206，212         RF信号

108                        中继器

114，208                   询答器

301，319                   基板

302                        中介天线

304，322                   第一线圈

306，324                   第二线圈

308                        连接线

310                        导电线

312                        薄区域

320，322，324              天线

323，325，326，328         导电连接线

327                        介层窗

329                        可挠区域

330                        天线

331                        基板

332，334                   线圈

336，338                   连接线

340                        天线

341                        基板

342，344                   线圈

343，347            介层窗

345，346，348       连接线

400                 RFID系统

402                 读取器

404，424            天线

406                 中心正交轴

410                 第一线圈

412                 第二线圈

418                 标签

420，422            RF信号

502                 并联电容

504                 并联电阻

602，604            轴

【具体实施方式】

以下所述的实施例一般关于RFID系统与元件；然而，可以了解的是，本文所述的系统与方法可以应用至其它类型的RF通讯系统。因此，本文所述的实施例应仅被视为例示实施例，而不应被视为将本发明的系统与方法限制于任何特定类型的通讯系统。

已知的是，任何尺寸、大小、范围、测试结果、数据资料等，实质上接近于真实，而非用做为准确的数据。这些所牵涉近似真实的数据将视数据本身的本质、内文的本质、以及特定实施例或实施方式的本质而定。

图1表示一RFID系统100的配置，其可允许在一RFID读取器102以及一RFID询答器(或标签)114之间的通讯。如图所示，RFID读取器包括一天线104，以线圈方式表示。可以了解的是，此天线经常以一如图1所示的线圈形式的电感元件的方式表示。相似地，RFID询答器114亦包括一天线116。RFID询答器116的尺寸通常远小于读取102。因此，天线116的尺寸通常小于天线104。

实际操作时，RFID读取器102产生一无线射频(RF)信号106，并经由一天线104而发送。信号106会在自由空间中传播，并由RFID询答器114所接收；然而，在正常操作情况下，由RFID询答器114所接收的信号，在接收时会受被减弱并且劣质化。

此现象可经由图2而更加明显，图2表示一公知RFID系统200。在系统200中，RFID读取器202经由天线204而发送一信号206，且RFID询答器208经由天线210而接收信号212。所接收的信号212由于天线204与天线210之间尺寸不匹配而衰减。信号212可进一步被在系统200范围内的其它无线通讯系统、或在RFID读取器202与RFID询答器208之间被物体所反射的信号等所削弱或干扰。

在系统100中，信号106由中继器(repeater)或范围扩大器108所接收，并再次传送至RFID询答器114。如图所示，中继器108包括一配置为接收信号106的天线100、以及一配置为发送信号118的发送天线112。藉由使用中继器108，可增强信号106而使得经由RFID读取器102所传送的信号106的复制信号较接近原本的信号。

如下所详述，天线110的设计方式，使得其可最佳化耦合至天线104，以最佳化地接收信号106。相同地，天线112的配置用以最佳化地耦合至天线116，以确保RFID询答器114可接收到最佳化的信号118。借着使用中继器108，信号118的功率，可以高出如系统200的公知RFID系统达数倍之多。此改良后的功率可改善误差率，及/或增加在读取器102与RFID询答器114之间的通讯距离。

图3A表示一中介天线302，其包括有一第一线圈304以及一第二线圈306。天线302可被用作为一中继器，例如中继器108。线圈304与306可被形成于一基板301之上。举例而言，可藉由将一导电材料沉积或形成于一基板301上，而形成线圈304与306。此构成线圈304与306的导电材料，可藉由公知的印刷电路板工艺技术而形成于基板301之上。举例而言，在线圈304与306由金属形成于基板301上的例子中，可使用公知的印刷电路板工艺技术。在其它实施例中，构成线圈304与306可利用公知印刷技术(如网印)而形成于基板301上。

基板301可包括可挠基板，例如可挠塑料或金属箔片。藉由使用一可挠基板，天线302的配置使其可弯曲或弯折。举例而言，天线302的配置可弯折，而可改变在一读取器与一标签之间的通讯「方向」。以下详述之。

因此，基板301可由一可挠材料所建构，并可包括一薄区域312，且天线302的配置可使其沿着AA’轴而弯折。在其它实施例中，一基板301可在线圈304与306之下包括一刚性基板，并且在连接此二刚性基板的区域312处包括一可挠基板。

基板301可同时包括多个导电层。举例而言，基板301之上显然为一包括有线圈304，306与此二线圈间的连接线308的导电层。然而，线圈304与306亦包括必须被连接的第二终端。这些终端不能直接在基板301之上进行连接，因为在此二终端间的导电连接会通过线圈304与306，使其短路并进而损害其性能。因此，线圈304与306的第二终端可经由一位于基板301背面的导电线310所连接。在本例中，基板301会在其上与背面包括二导电层。

可以了解的是，为了藉由位于基板301表面的导电线310而连接线圈304与306的终端，则必须形成有贯穿基板301并接触至线圈304与306的导电孔(或称介层窗，via)。在基板301的背面，导电线310亦可接触至这些介层窗并藉而电连接天线304与306。

在其它实施例中，基板301可实际上包括多层基板，且导电线310可由基板301内部的一导电层所构成；然而，可以理解的是，为了成本与制造方便性考虑，较佳地，在基板301内所包括的导电层仅位于基板301的顶面与底面。

线圈304与306的配置，可包括二可以在适当频率收发RF信号的共振电路。因此，线圈304与306的圈数以及尺寸等配置，必须使得每一线圈可在适当频率收发RF信号。

此外，线圈304与306的配置使得此二线圈之一者(例如线圈304)最佳化地与读取器耦合，而另一天线则最佳化地与标签耦合。因此，线圈304的尺寸可接近于在读取器中所包括的线圈或天线的尺寸，而线圈306的尺寸则可以接近于在标签中所包括的线圈或天线的尺寸。因此，在以下所述的某些特定实施例中，此二线圈的尺寸会不同。

线圈304与306可经由连接线308与310而形成电气连接。因此，例如当一RF信号被线圈304所接收时，线圈304会产生一电气信号，此电气信号则会经由连接线308与310而耦合至线圈306。若线圈306经适当设置，则线圈306会适当频率产生共振，并完全接过此由线圈304所接收的RF信号。在此方法中，天线302可用做为一范围扩大器。

图3B表示另一根据本发明系统与方法所组设的例示天线320。天线320在一基板319上包括一第一线圈322以及一第二线圈324。如同基板301，基板319可为一可挠基板，或可至少包括一可挠区域329。在图3B所示的实施例中，天线322与324的终端分别经由位于基板319之上与之下的连接线所连接，其中在基板之上与之下的导电连接线之间以介层窗所连接。

因此，天线322的第一终端可经由一位于基板319之上的导电连接线326、以及一位于基板319之下的导电连接线323，而连接至天线324的第一终端。相似地，导电连接线323的一第二终端可以经由位于基板319之下的一导电连接线328、以及位于基板319之上的一导电连接线325，而连接至天线324的第二终端。连接线328与325之间可藉由介层窗327而连接。

图3C表示一例示天线330，其根据本发明系统与方法的另一实施例而包括不同尺寸的线圈。如图所示，线圈332的尺寸小于线圈334。必须注意的是，每一线圈的圈数以及尺寸，必须足以在适当频率下传送与接收RF信号。此外，线圈332的尺寸配置，可以确保其与一标签(或询答器)之间的最佳化耦合，而线圈334的尺寸配置则可确保其与一读取器之间的最佳化耦合。因此，线圈332的尺寸可以接近于在标签中所包括的天线，而线圈334的尺寸则可以接近于在读取器中所包括的天线。

在图3C中所示的实施例中，线圈332的第一终端经由基板331之上的连接线336而连接至线圈334的第一终端。线圈332的第二终端则经由位于基板331的底下的连接线338，而连接至线圈334的第二终端。连接线338则可经由贯穿基板331的介层窗，而连接至线圈332与334的终端。

图3D表示一例示天线340，其根据本发明系统与方法的另一实施例而包括不同尺寸的线圈。在图3D所示的实施例中，线圈342小于线圈344，且线圈342经由位于基板之上的连接线346、介层窗347、以及位于基板341之下的连接线348，而连接至线圈344的终端。线圈342的另一终端，则经由位于基板341之下的连接线345、介层窗343、以及位于基板341之上的连接线345，而连接至线圈344的另一终端。

同样地，线圈342的尺寸大小，可经选择而确保其与一标签之间最佳化地耦合，而线圈334的尺寸大小，亦可经选择而确保其与一读取器之间最佳化地耦合。

在第3A-3D图中，表示了数个根据本发明系统与方法所形成的不同中介天线配置。然而可以了解的是，其它实施例亦是可能的。举例而言，根据本发明系统与方法的其它实施例所形成的天线配置，可包括不同尺寸与形状的线圈。同样的，这些形状与尺寸的选择，应确保这些天线可以与相关的读取器及标签最佳化地耦合。

图4表示一RFID系统400，其配置允许在一读取器402与一标签418之间的通讯。读取器402包括一耦接至一天线404的收发器电路。读取器402的配置，可以经由天线404而传送RF信号420。RF信号420的目的为标签418；然而RF信号420通常会衰减。一中介天线408与读取器402安排于同一直线。

中介天线408包括一配置为最佳化耦合至天线404的第一线圈410，以及一配置为最佳化耦合至标签418上的天线424的第二线圈412。因此，RF信号420会被线圈410所接收，进而在线圈410中产生一流动的电气信号，此电气信号会接着与线圈412耦合。此电流会致使线圈412共振，并产生可发送的RF信号422，并接着被天线424所接收。

在图4的实施例中，天线404、中介天线408、以及标签418三者，可称为对准至一中心正交轴406。可以了解的是，图4中所示的排列方式是较佳的，因为其可以在RF信号420与线圈410之间、以及RF信号422与位于标签418上的天线424之间，产生最佳化磁耦合效应。在其它实施例中，各天线并不必要如图4般排列，但可以理解的是，各天线的排列必须足以确保各RF信号中的磁能量，足以与各天线产生足够的耦合。此外，如图6中所将解释，在特定实施例中的中介天线408的配置，可以弯折，使其可以改变通讯的方向，并当读取器402与标签418并非如图4般对准至一中心正交轴排列时，提供增强的通讯能力。

在图4的实施例中，表示从读取器402至标签418的通讯，然而可以了解的是，从标签418至读取器402的通讯亦是以相似方式操作。

如上所述，线圈410与412的配置，必须可以在适当频率下做为共振器。可以了解的是，为了形成共振器，额外的元件可能需要耦接至天线410与412中的至少一者。举例而言，图5A表示系统400的一实施例，其中一并联电容502以及一并联电阻504，与线圈410耦接，以产生所需要的共振电路。图5B表示此共振电路的等效示意图，其中电容502与电阻504耦接至天线410。可以理解的是，电容502与电阻504的数值会视特定应用而定，且必须选择为可以制造一调谐且配置为可以在适当频率下共振的共振电路。

在其它实施例中，一并联电阻及/或电容亦可与线圈412耦接，以制造一调谐为在特定频率下共振的共振电路。在特定的其它实施例中，可从此耦接至线圈410及/或线圈412的调谐共振电路中，删除电阻504。

如图6所表示，在特定实施例中，读取器402以及询答器418并未对准至一正交轴。在此等实施例中，中介天线408的配置可弯折，使其可沿着一轴602而与读取器402通讯，并沿着一轴604而与标签408通讯。举例而言，中介天线408的配置可沿着一结构606的周围而弯折，此结构606的配置则使线圈410对准至天线404，并使线圈412对准至天线424。此可藉由上述实施例中的可挠基板而达成。

因此，天线408可改变通讯方向，因为其可沿着轴602接收来自天线404的信号，并沿着轴604而发送这些信号至天线424。

可以了解的是，在特定实施例中信号从天线404传递，代表信号从所有或许多方向传递着；然而，从天线404所传递的信号中，沿着轴602的部分将最佳化地被线圈410所接收。相似地，由天线424所传送并沿着轴604的信号部分，将最佳化地被天线412所接收。因此，如图6所示的天线408的配置，可藉由改变通讯方向而改善并最佳化读取器402与标签418之间的通讯。

在其它实施例中，可使用波束成形(beam forming)或波束整形(beam shaping)天线，使得从天线404所传递的能量中的大部分(或者主要部分)，沿着轴602而传递。相似地，天线424的配置可使得从天线424所传递的能量中，全部(或一实质部分)沿着轴604前进。在此等实施例中，可进一步最佳化通讯条件。

虽然本发明已参照较佳实施例来加以描述，但本领域人员可了解的是，本发明创作并未受限于其详细描述内容。替换方式及修改样式已于先前描述中所建议，并且其它替换方式及修改样式将为本领域人员所预料。特别是，根据本发明的结构与方法，所有具有实质上相同于本发明的构件结合而达成与本发明实质上相同结果者皆不脱离本发明的精神范畴。因此，所有此等替换方式及修改样式意欲落在本发明于随附权利要求及其均等物所界定的范畴之中。任何在前文中提及的专利申请案以及印刷文本，均列为本案的参考。

Claims (21)

1、一种无线通讯系统，包括：

一第一通讯元件；

一第二通讯元件，其配置为经由无线通讯信号而与该第一通讯元件进行数据传输；以及

一中介天线，位于该第一与第二通讯元件之间，该中介天线包括一配置以最佳化耦合至该第一通讯元件的第一线圈、以及一配置以最佳化耦合至该第二通讯元件的第二线圈。

2、如权利要求1所述的无线通讯系统，其中该第一通讯元件为一读取器，且该第二通讯元件为一标签。

3、如权利要求1所述的无线通讯系统，其中该第一线圈的尺寸接近于包含于该第一通讯元件内的一天线的尺寸。

4、如权利要求1所述的无线通讯系统，其中该第二线圈的尺寸接近于包含于该第二通讯元件内的一天线的尺寸。

5、如权利要求1所述的无线通讯系统，其中该第一与第二线圈的形状大致相同。

6、如权利要求1所述的无线通讯系统，其中该第一线圈的形状不同于第二线圈的形状。

7、如权利要求1所述的无线通讯系统，其中该第一与第二线圈调谐至大约125千赫或134.2千赫的频率下操作。

8、如权利要求1所述的无线通讯系统，其中该第一与第二线圈调谐至约13.56百万赫兹的频率下操作。

9、如权利要求1所述的无线通讯系统，其中该第一与第二线圈调谐至一超高频(UHF)频带内操作。

10、如权利要求1所述的无线通讯系统，其中该第一与第二线圈调谐至一微波频带内操作。

11、如权利要求1所述的无线通讯系统，其中该第一与第二线圈配置以改变该第一通讯元件与该第二通讯元件之间的通讯方向。

12、如权利要求1所述的无线通讯系统，其中该中介元件配置以增加由该第二通讯元件所接收的一无线通讯信号的功率。

13、一种无线射频识别系统(RFID)，包括：

一读取器；

一标签，其配置以经由无线通讯信号而与该读取器进行数据传输；以及

一中介天线，其置于该读取器与该标签之间，该中介天线包括一配置以最佳化耦合至该读取器的第一线圈、以及一配置以最佳化耦合至该标签的第二线圈，其中该第一线圈的尺寸接近于包含于读取器内的一天线的尺寸，且其中该第二线圈的尺寸接近于包含于该标签内的一天线的尺寸。

14、如权利要求13所述的无线射频识别系统，其中该第一与第二线圈的形状大致相同。

15、如权利要求13所述的无线射频识别系统，其中该第一线圈的形状不同于第二线圈的形状。

16、如权利要求13所述的无线射频识别系统，其中该第一与第二线圈调谐至大约125千赫或134.2千赫的频率下操作。

17、如权利要求13所述的无线射频识别系统，其中该第一与第二线圈调谐至大约13.56百万赫兹的频率下操作。

18、如权利要求13所述的无线射频识别系统，其中该第一与第二线圈调谐至一超高频频带内操作。

19、如权利要求13所述的无线射频识别系统，其中该第一与第二线圈调谐至一微波频带内操作。

20、如权利要求13所述的无线射频识别系统，其中该第一与第二线圈配置以改变在该读取器与该标签之间的通讯方向。

21、如权利要求13所述的无线射频识别系统，其中该中介元件配置以增加由该标签所接收的一无线通讯信号的功率。

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