CN101043222B - 用于在无线通信系统中增强磁耦合的系统与方法 - Google Patents

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Abstract

一种无线射频识别系统(RFID)其包括中间设备，其包括彼此连接且为封闭线圈形式的第一与第二天线线圈。所述线圈形成在可挠衬底上并且可环绕磁通量阻隔物而折迭，使得其中一个线圈朝向阻隔物，另一个线圈背向阻隔物。此中间设备可改善在阻隔物侧的读取器与背向阻隔物侧的标签之间的通信状况。位于阻隔物上读取器测的线圈，可接受从读取器所产生的无线射频信号，并将其转换成可以传输至阻隔物上标签侧的线圈的电气信号。此第二线圈可接着产生可传输至此标签的无线射频信号。

Description

用于在无线通信系统中增强磁耦合的系统与方法
技术领域
本发明的各实施例用于说明无线射频通信系统，并尤其涉及用于延伸无线射频通信系统的传输范围的系统与方法。
背景技术
无线射频识别系统(RFID)为一种无线射频通信系统。RFID系统由于其可追踪并识别移动物件而受到瞩目。在RFID系统中，要被追踪并识别的远端物件装设有小型RFID标签。此RFID标签包括反应器、以及含有独特电子识别数据的数字存储芯片。数据询问器(或读取器)配置为发射信号来启动此RFID标签。当RFID标签经过此读取器的有效范围时，此RFID标签可侦测到读取器的信号，并提供其识别数据。此读取器可配置为解码此识别信息，同时在某些应用中则会写入数据至此RFID标签内。
由读取器所产生的信号是无线射频(RF)信号。RFID系统一般配置为在四种主要的频带中操作。这些频带的特征由读取器所产生的RF信号的操作频带所定义。这些频带包括低频(亦即125KHz或134.2KHz)、高频(HF，亦即13.56MHz)、超高频(UHF，亦即868-956MHz或463MHz)、以及微波频带(亦即2.4GHz或5.8GHz)。
RFID读取器一般包括无线收发器，其配置为传输并接收RF信号。此无线收发器耦接至一个以上的天线，这些天线使得此收发器可以传送并接收无线信号。此收发器还连接至编码器/解码器，其配置为对收发器所接收到的信号进行解码，并对所发出的信号进行编码。
RFID标签一般分为无源或有源标签。无源标签并不包括内部电源，而是由从读取器所传送的RF信号进行供电。由读取器所传送的信号会在天线内引发电流，而提供足够电源以允许标签启动并传送回应信号。大部分无源标签通过将读取器所产生的RF载体信号反射而传送信号至读取器。亦即，此标签天线设计为可从所进入信号中获得电能，也可以传送往外的反射信号。需注意的是，由标签所产生的回应信号可包括识别数据以外的信息。
另一方面，有源标签则包括其本身的内部电源，用于提供电能至此标签而产生往外的信号。与无源标签相比，有源标签可具有较大的操作范围以及较大的存储器，而可以允许此标签储存从读取器所传送的额外信息。然而，由于无源标签并不需要内建电源，因此尺寸可做得比有源标签小，成本也较低廉。此外，由于设计上的简单性，无源标签可以使用已知天线的印刷工艺来制造。
虽然无源标签具有许多优点而在新RFID应用中日益受到瞩目，然而其缺点之一在于，与有源标签相比之下显得有限的操作范围。用于克服受限范围问题的方法之一是，在特定应用中使用范围扩大器。范围扩大器可定义为天线或共振电路，其可置于读取器与标签之间，并配置为接收从读取器传出的RF信号、强化、并再次传播至标签。因此，此共振电路可用于将一般在读取器与标签之间可传达的距离加大。
当受限范围是因为对读取器所产生的RF信号所产生阻碍时，已知的范围扩大器并不必然有帮助。RF信号为电磁波信号，因此读取器与标签间的传输能力，将会视读取器所产生的RF信号、与由磁耦接至标签天线的读取天线所传送的RF信号二者的强度而定。此就表示，由标签所读取的RF信号的磁场强度或磁通量是一个重要参数。
许多材料可用做磁通量阻隔物，亦即用于阻隔从读取器所产生的电磁波RF信号。当有限的传输距离是因于磁通量阻隔物时，则使用范围扩大器不一定有助于克服此问题，因为磁通量阻隔物会以与其阻隔读取器所产生的信号的方式相同的方式来阻隔由范围扩大器所产生并发送的信号。
随着RFID应用技术的发展，RFID标签被包括或植入于设备中，此设备进一步被装设或内含于可能是磁通量阻隔物的材料中。因此，在这些应用中传输距离可能因而受限。不幸的是，已知的范围扩大器并不一定能克服在这些新应用中的有限传输范围问题。
发明内容
一种RFID系统包括中间设备，此中间设备包括彼此连接且为封闭回路形式的第一与第二天线线圈。所述线圈形成于可挠衬底上，所述衬底可沿着磁通量阻隔物的周围折迭，从而使得一个回路位于阻隔物的一侧、另一个回路则位于阻隔物的另一侧。此中间设备可以改善在阻隔物一侧的读取器与另一侧的标签之间的数据传输情形。在阻隔物的读取器侧的线圈可接收从读取器所产生的信号，并将这些信号转换成电气信号并传送至阻隔物的标签侧的线圈。此第二线圈可接着产生RF信号而传送至标签。
在本发明的一个目的中，此中间设备可沿着行动电话的电池周围进行折迭，以使得位于SIM卡上、位于行动电话之后的标签可以与行动电话外部的读取器通信。
在另一个目的中，所述第一天线线圈以及第二天线线圈的尺寸可以不同。
以下详细说明本发明的结构与方法。本发明的说明书中的内容并非用于定义本发明。本发明是由权利要求的范围所定义的。本发明的实施例、特征、目的及优点等都可以通过以下对于本发明的详细说明和附图中获得充分了解。
附图说明
图1A-1D示出了根据不同实施例的中间天线的不同配置；
图2示出了第1A至1D图的天线中的一种；
图3示出了图2的天线沿着磁通量阻隔物而形成的示意图；
图4示出了根据一个实施例，包括有图2的中间天线的RFID系统；以及
图5示出了根据一个实施例包括有中间天线的移动通信设备。
【主要设备符号说明】
101        衬底
102        天线
104        第一线圈
106        第二线圈
108        导电层
110        导线
112        薄区域
119        衬底
120        天线
121        通孔
122        第一线圈
123，125，126，128    导线
124        第二线圈
127        通孔
129        可挠区域
130        天线
131        衬底
132，134   线圈
135        可挠部分
136，138   连接导线
140        天线
141        衬底
142，144   线圈
146，148   连接导线
147        通孔
302        磁通量阻隔物
400        RFID系统
401        读取器
402        收发器线路
404        天线
406        标签
408        中心正交轴
410，412   RF信号
502        移动通信设备
504        SIM卡
506        询答器
510        电池
512        天线
514，516   线圈
518，520   导线
具体实施方式
下列实施例通常有关RFID系统以及装置；然而，要理解的是，在本发明中所述的系统与方法可以应用到其他类型的无线射频传输系统。因此，本发明中的实施例应仅应该看作是实例而不应该认为是将本发明的系统与方法限制于任何特定形式的通信系统。
要了解的是，任何尺寸、大小、范围、测试结果、数据数据等，都基本上相近于真实，而非用做为准确的数据。这些所牵涉到的近似真实的数据将视数据本身的性质、上下文的性质、以及特定实施例或实施方式的性质而定。
图1示出了天线102，其包括第一线圈104以及第二线圈106。线圈104与106可形成于衬底101之上。举例而言，线圈104与106可利用导电材料沉积于或形成于衬底101之上。这种构成线圈104与106的导电材料，可以利用已知的印刷电路板工艺技术形成于衬底101之上。举例而言，在线圈104与106由金属形成于衬底101上的实施例中，可使用已知的印刷电路板工艺技术。在其他实施例中，形成线圈104与106的导电材料可利用已知的印刷技术形成于衬底101之上，例如丝网法(silk screening)等。
衬底101可包括可挠衬底，例如可挠塑胶或金属箔片。通过使用可挠衬底，天线102配置为使其可以沿着一个物体弯曲或弯折。举例而言，天线102可以配置为以沿着磁通量阻隔物的周围弯折，以在阻隔物存在的状况下仍能提供在读取器与标签之间的数据传输。
因此，衬底101可由可挠材料所构成，并且包括薄区域112，并且大线102配置为可以沿着AA’线而弯折。在其他实施例中，衬底101可以包括在线圈104与106之下的刚性衬底，并且在区域112中提供了用于连接二个所述刚性区域的可挠衬底。
衬底101同时可包括多个导电层。举例而言，衬底101的顶端显然为包括有线圈104，106以及这两个线圈之间连接部108的导电层。然而，线圈104，106也包括必须被连接的第二终端。这些终端不能直接连接至衬底101的顶端，因为这二者之间的导电连接会通过线圈104，106，造成短路并降低性能。因此，线圈104，106的第二终端可以经由位于衬底101背面的导线110而连接。在本实施例中，衬底101可包括分别在其表面与背面的二个导电层。
可以了解的是，为了经由衬底101背面的导线110而连接天线104，106的终端，必须形成贯穿衬底101并接触线圈104与106的导电孔洞(或称通孔，via)。在衬底101的背面，导线110亦可接触通孔，并因此电连接天线104与106。
在其他实施例中，衬底101可实际上包括多层衬底，且导线110可以从衬底101内部的导电层中形成。然而，可以了解的是，为了制造的成本以及方便性，优选地在衬底101上所包括的导电层位于衬底101的上与下表面。
线圈104与106配置为包括两个共振电路，其可在适当频率上接收并传送RF信号。因此，线圈104，106的缠绕次数以及尺寸等配置，必须使得每一线圈可以在适当的频率上接收并传送RF信号。
线圈104与106经由连接器108与110而彼此连接。因此，例如当RF信号遭遇到线圈104时，线圈104会产生可经由连接器108，110而耦接至线圈106的电气信号。若线圈106是正确构成的，则线圈106将会在适当频率上进行共振，并且将由线圈104所接收到的RF信号重制并放大。在这种方式之下，天线102可做为范围扩大器；然而由于衬底101的可挠特性，即使在磁通量阻隔物存在的情况下，天线102仍能做为范围扩大器。以下将详述此特征。
图1B示出了根据本发明系统与方法的另一实施例的例示天线120的配置。天线120包括形成于衬底119上的第一线圈122以及第二线圈124。如同衬底101，衬底119可为可挠衬底、或至少包括可挠区域129。在图1B的实施例中，天线122与124的终端分别经由在衬底119的顶端的导电连接线、以及位于衬底119底部的导电连接线而连接，其中在衬底顶端与底部的导电连接线之间由通孔所连接。
因此，天线122的第一终端可以经由位于衬底119的顶端的导电连接线126、以及位于衬底119底部的导电连接线123，而连接至天线124的第一终端。导线126以及导线123可经由通孔121而彼此连接。相似地，天线122的第二终端可以经由位于衬底119底部的导线128以及位于衬底119顶端的导线125，而连接至天线124的第二终端。导线128以及导线125之间可通过通孔127连接。
图1C示出了根据本发明系统与方法的另一实施例的包括有不同尺寸线圈的例示天线130。如图所示，线圈132的尺寸小于线圈134。需注意的是，每一线圈的数目以及尺寸仍足以在适当的频率上传送并接收RF信号。在图1C的范例中，线圈132的第一终端经由位于衬底131上方的导线136而连接至线圈134的第一终端。线圈132的第二终端则经由位于衬底131底部的导线138而连接至线圈134的第二终端。导线138可通过贯穿衬底131的通孔而连接至线圈132与134的终端。
图1D示出了根据本发明系统与方法的另一实施例的包括有不同尺寸线圈的天线140。在图1D的范例中，小于线圈144的线圈142，经由位于衬底141表面的导线146、通孔147、以及位于衬底141底部的导线148，而连接至线圈144的终端。线圈142的另一终端通过位于衬底141底部的导线145、通孔143、以及位于衬底141顶端的导线145，而连接至线圈144的另一终端。
图1A至1D中所示的范例，示出了根据本发明系统与方法所配置的天线实施例。可以了解的是，其他实施亦是可能的。举例而言，在其他实施例中，根据本发明系统与方法所配置的天线可包括不同尺寸与外型的线圈。
图2示出了包括有可挠部分135的天线130，使得天线130可以沿着线AA’而弯曲或弯折。可利用可挠部分135来将天线130沿着磁通量阻隔物的周围弯折。举例而言，如图3所示，磁通量阻隔物302放置于读取器与标签之间的RF信号传递路线中。若无天线130，则阻隔物302会阻断或降低在读取器与标签之间的数据传输。为了克服阻隔物302的影响，天线130可沿着电池302弯折，使得线圈132位于阻隔物302的一侧，而线圈134位于物件的另一侧。
因此，由读取器所发出的信号可被线圈134所接收，进而在线圈134中产生电气信号。此电气信号将经由该连接线圈134与132的终端的导线136，138，而传送至线圈132。此电气信号会使得线圈132产生共振，并传送通过对线圈134所接收的RF信号进行再制而得到的RF信号。由线圈132所传送的信号可接着由标签所接收。相似地，从标签所传送的信号可被线圈132所接收，进而在线圈132中产生电气信号，此信号接着经由连接导线136与138而传送至线圈134。此电气信号会致使线圈134产生共振，并传送可被读取器所接收的RF信号。
因此，可以使用天线130来克服磁通量阻隔物302的影响。
上述特征可通过图4的辅助而更加明了，图4示出了RFID系统400，其配置为在允许磁通量阻隔物302存在的情况下在读取器401与标签406之间的数据传输。读取器401包括耦接至天线404的收发器线路402。读取器401能够配置为用于经由天线404来传送RF信号410。RF信号410用于被标签404所接收，然而位于天线404与标签406之间的磁通量阻隔物302将阻断或减低RF信号410，进而抑制了在读取器401与标签406之间的数据传输。因此，RF信号410会被线圈134所接收，进而在线圈134中产生流动电气信号，此电气信号则进一步耦合至位于磁通量阻隔物302背面的线圈132。此电流会使得线圈132产生共振，并产生并发射可被标签406所接收的RF信号412。
在图4的范例中，天线404、天线130、以及标签406是对准至中央正交轴408的。可以理解的是，如图4所示的排列方式是优选的，因为此种排列方式可RF信号与线圈134之间、以及RF信号412与标签406所包含的天线之间，获得最佳的磁耦合效应。在其他实施例中，不同的大线并不必要如图4所示排列，但可以理解的是，各天线的排列方式必须确保在各RF信号中含有足够的磁能量，而足以耦合至不同的天线。
在图4所示的实施例中，示出了从读取器401至标签406的数据传输，然而可了解的是，从标签406至读取器401的数据传输方式也是类似的。
需注意的是，面对磁通量阻隔物的数据传输，可以不需要修改标签或读取器。这就可以允许读取器与标签可以针对任何应用方式而制造，而避免定制化需求或者更动读取器与标签，从而避免读取器、标签、及/或整体系统的成本增加。
随着RF相关系统的应用日增，RF询答器被包含或固定于更多且更小的物品上。举例而言，可以预期的是，在无线通信装置中的SIM卡将会包括有RF询答器。此标签会被位于此行动通信装置外部的读取器所读取，但是如同目前的SIM卡设置方式，其是插设在移动通信设备的内部。因此，当移动通信设备的外壳的层数越多、再加上电池也会有磁通量阻隔物的效果，则会抑制在SIM卡上的RF询答器与外部读取器之间的数据传输。
如图1A至1D所示的天线，可被用于实现或加强在移动通信设备内的SIM卡上的RF询答器、以及外部读取器之间的数据传输。通过图5的辅助将会使得此特征更加明显，图5示出了RF读取器401，其配置为位于移动通信设备502内部的SIM卡504上的RF询答器506进行数据传输。
除了行动通信装置502的多层壳体之外，电池510也位于询答器506与读取器401之间，并且会形成磁通量阻隔物。因此，天线512系环绕电池510而设置，以允许在读取器401与询答器506之间的数据传输。因此，天线512在电池510的外侧包括线圈514，并在电池510的内侧包括线圈516，且这两个线圈之间以导电连接线518，520进行连接。在上述实施例中，天线512设置于可挠或部分可挠的衬底上，使得其可沿着电池510而弯折，如图所示。
可以了解的是，图5的实施例是根据本发明的系统与方法所提供的可能实施例之一，并且还包括许多其他可实现的应用方式，以使得即使是在如电池或者外壳等磁通量阻隔物存在的情形下，读取器与标签之间仍能进行数据传输。因此，图5所示的实施例不应将本发明的系统与方法限制于任何特定应用中。
虽然本发明已经参照优选实施例进行了描述，应该理解的是，本发明并非受限于其详细描述内容。以上描述中已经提出了替换方式及修改样式，并且其他替换方式及修改样式也是本领域技术人员所能够想到的。特别是，根据本发明的结构与方法，所有具有实质上等同于本发明的构件结合而实现与本发明实质上相同结果的设计都不脱离本发明的精神范畴。因此，所有这些替换方式及修改样式都会落在本发明在附带的权利要求及其等价物所定义的范围之内。

Claims (44)

1.一种无线通信系统，包括：
第一通信设备；
第二通信设备，其配置为经由无线通信信号而与所述第一通信设备通信；
中间天线，位于所述第一通信设备与所述第二通信设备之间且环绕磁通量阻隔物，其中，所述中间天线包括形成于衬底上的第一线圈以及第二线圈；以及
所述衬底，承载第一线圈以及第二线圈，所述衬底在所述第一线圈与所述第二线圈之间包括有可挠部分，并且所述第一线圈和所述第二线圈位于所述磁通量阻隔物的两侧。
2.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述第一通信设备为读取器，且所述第二通信设备为标签。
3.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述第一与第二线圈包含相同的圈数。
4.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述第一与第二线圈的尺寸大致相同。
5.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述第一与第二线圈包含不同的圈数。
6.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述第一与第二线圈的尺寸不相同。
7.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述第一与第二线圈的形状大致相同。
8.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述第一与第二线圈的形状不相同。
9.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述第一与第二线圈被调整为可以在大约125千赫或134.2千赫的频率上操作。
10.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述第一与第二线圈被调整为可以在约13.56百万赫兹的频率上操作。
11.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述第一与第二线圈被调整为可以在超高频频带内操作。
12.如权利要求1所述的无线通信系统，其中，所述第一与第二线圈被调整为可以在微波频带内操作。
13.一种用于无线通信系统的中间天线，所述中间天线配置为弯曲或环绕在磁通量阻隔物周围，所述磁通量阻隔物位于第一通信设备与第二通信设备之间的直线上，所述中间天线包括：
第一线圈，配置为与所述第一通信设备通信；
第二线圈，配置为与所述第二通信设备通信；
衬底，包括在其上形成有所述第一线圈的第一区域、其上形成有所述第二线圈的第二区域、以及连接所述第一与第二区域的可挠区域，所述可挠区域配置为使得所述中间天线弯曲或环绕至所述磁通量阻隔物的周围。
14.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述衬底完全为可挠衬底。
15.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述第一与第二区域中的至少一个包括刚性衬底材料，其中所述第一与第二线圈形成于所述第一与第二区域之上。
16.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述第一与第二线圈之间为电性连接。
17.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述第一与第二线圈利用印刷电路板技术形成。
18.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述第一与第二线圈利用印刷工艺形成。
19.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述第一与第二线圈包含相同的圈数。
20.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述第一与第二线圈的尺寸大约相同。
21.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述第一与第二线圈包含不同的圈数。
22.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述第一与第二线圈的尺寸不相同。
23.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述第一与第二线圈的形状大致相同。
24.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述第一与第二线圈的形状不相同。
25.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述第一与第二线圈被调整为可以在大约125千赫或134.2千赫的频率上操作。
26.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述第一与第二线圈被调整为可以在约13.56百万赫兹的频率上操作。
27.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述第一与第二线圈被调整为可以在超高频频带内操作。
28.如权利要求13所述的中间天线，其中，所述第一与第二线圈被调整为可以在微波频带内操作。
29.一种无线通信装置，包括：
内部无线通信标签，配置为与外部读取器通信；
电池，置于所述内部无线通信标签与所述外部读取器之间；
中间天线，配置为弯曲或环绕在所述电池周围，所述中间天线包括：
第一线圈，配置为与所述外部读取器通信；
第二线圈，配置为与所述内部无线通信标签通信；
衬底，其包括其上形成有所述第一线圈的第一区域、其上形成有所述第二线圈的第二区域、以及连接所述第一与第二区域的可挠区域，所述可挠区域配置为使所述中间天线可弯曲或环绕所述电池。
30.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述衬底完全为可挠衬底。
31.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述第一与第二区域中的至少一个包括刚性衬底材料，其中，所述第一与第二线圈形成于所述第一与第二区域之上。
32.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述第一与第二线圈之间为电性连接。
33.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述第一与第二线圈利用印刷电路板技术形成。
34.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述第一与第二线圈利用印刷工艺形成。
35.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述第一与第二线圈包含相同的圈数。
36.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述第一与第二线圈的尺寸大致相同。
37.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述第一与第二线圈包含不同的圈数。
38.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述第一与第二线圈的尺寸不相同。
39.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述第一与第二线圈的形状大致相同。
40.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述第一与第二线圈的形状不相同。
41.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述第一与第二线圈被调整为可以在大约125千赫或134.2千赫的频率上操作。
42.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述第一与第二线圈被调整为可以在约13.56百万赫兹的频率上操作。
43.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述第一与第二线圈被调整为可以在超高频频带内操作。
44.如权利要求29所述的无线通信装置，其中，所述第一与第二线圈被调整为可以在微波频带内操作。
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