CN101064380A - 标签用天线和使用该天线的标签 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种标签用天线和使用该天线的标签。本发明涉及一种标签用天线，其实现了小型化同时保持了通信距离的恒定最小变化。该标签用天线具有尺寸为长53mm、宽7mm的折叠偶极天线的馈电部，该馈电部连接到Rc＝500Ω、Cc＝1.4pF的大规模集成芯片，并且与该大规模集成芯片装配在一起，并且在所述天线的两侧覆盖有介电常数εr＝3、厚度t＝0.75mm的塑料树脂(13)。通过将标签用天线的线路路径宽为1mm的偶极部在位于四个位置处的弯曲部从两端向内部弯曲，将该偶极部形成为矩形螺旋。将在所述四个弯曲部被伸直时的偶极天线的整体长度形成为比所述天线的谐振波长的二分之一短。在位于所述天线的中心附近的两个偶极部的中间部分中形成有电感部。将所述电感部与所述两个偶极部相并联地连接到所述芯片装配部。

Description

标签用天线和使用该天线的标签

技术领域

本发明涉及一种用于大规模集成(LSI)芯片的超小型、标签用天线和使用该天线的标签，以用于能够通过使用无线电高频信号在读取器/写入器与标签之间执行通信的射频识别(RFID)系统。

背景技术

RFID系统是这样一种系统：其用于通过使用在860MHz与960MHz之间的超高频(UHF)从读取器/写入器(以下简称为“RW”)发送约1W(瓦特)的信号、在标签端接收该信号并向RW端转发回响应信号，从而使得RW能够读取存储在该标签中的信息。

该标签由形成在约0.1mm厚的平坦表面(如片或膜等等)上的标签用金属天线和连接到该标签用天线的馈电点的LSI芯片构成。通常该LSI芯片比芝麻籽小，实际上约0.2mm厚并且其面积大小约为1mm2。

在RW与标签之间的通信距离约为3到5m，这取决于标签用天线的增益、LSI芯片的工作电压以及周围环境条件等等。

图1A、1B以及1C是分别对用于常规RFID系统的标签用天线进行描述的图。图1A示出了一种包括在馈电部1的两侧水平地延伸的偶极部2的标签用天线；图1B示出了一种具有将图1A的两端往回折叠的折叠偶极部3的标签用天线；图1C示出了一种具有与偶极部2相并联地连接到图1B所示的馈电部1的电感部4的标签用天线。

图2是示出了用于RFID系统的标签用天线和LSI芯片的等效电路的图，其左侧示出了标签用天线的等效电路5，右侧示出了LSI芯片的等效电路6。

图3是通过导纳圆图例示对使用常规标签用天线的标签进行的分析的图。将导纳圆图表示成：在纯电阻线(其将圆图的圆分成上半部分和下半部分)的左端为0Ω，在其右端为∞Ω。

如图2所示，可以将标签用天线等效地表示成发射电阻Ra与电感La的并联连接，而可以将LSI芯片等效地表示成电阻器Rc与电容Cc的并联连接。

然后，标签用天线与LSI芯片的并联连接使得电感La与电容Cc谐振，它们在如从公式“ $f0=1/\left(2\mathrm{\π}\sqrt{\left(\mathrm{LC}\right)}\right)$ ”可以明显得出的期望谐振频率f0处相匹配，从而将标签用天线处的接收功率充分地提供给LSI芯片端。

即，例如令标签用天线的发射电阻Ra为例如400Ω，LSI芯片的电阻Rc为500Ω，将电路结构设置成这样以便抵消两者的电阻，并假设在上述谐振频率的公式中L＝La＝20nH(纳亨)并且C＝Cc＝I.4pF，然后获得了RFID系统所需的f0＝953MHz的期望谐振频率。

对于用于标签用天线的基本天线，首先可以想到的是如图1A所示地由在馈电部1的两侧水平延伸的偶极部2构成的总长度约为145mm的偶极天线。

在该结构中，连接到偶极部2的馈电部1从在偶极部2处接收到的信号中获取电力，并将该电力馈送给装配在馈电部1上的LSI芯片，并且还将信号本身传送给LSI芯片。该偶极天线的结构实际上测得发射电阻Ra＝72Ω。

顺便指出，在导纳圆图中的ωC区的约“-40度”的方向上的右下的对角位置处示出了上述电阻Rc＝500Ω并且电容Cc＝1.4pF的LSI芯片的阻抗(图3简单地通过指示为“芯片”的圆示出了该位置)。

在此情况下，在导纳圆图中与上述LSI芯片相谐振的偶极天线的最优位置是LSI芯片的相对于该导纳圆图的纯电阻线对称地翻转的位置，图3将该位置对角地示于ωL区的约“+40度”的方向上的右上处。

该位置是具有发射电阻Ra＝500Ω和电感La＝20nH的阻抗的位置(图3通过指示为“最优位置”的圆示出了该位置)。

因此，与具有电阻Rc＝500Ω和电容Cc＝1.4pF的LSI芯片相对应的RFID标签用天线所需的发射电阻Ra是非常大的，即，约500Ω，因此图1A所示的偶极天线的发射电阻Ra＝72Ω是非常小的。

因此必须通过设计偶极天线的结构将发射电阻Ra增大到约500Ω。如图1B所示，所设计的是一种折叠偶极天线，该折叠偶极天线具有从图1A的两端往回折叠的总长度为145mm的折叠偶极部3。

该结构使得可以增大发射电阻Ra。取决于折叠部的导线宽度，该结构允许将发射电阻设置在约300到1500Ω的范围内。

图3示出了由纯电阻线上的三角形表示的发射电阻Ra为400Ω时的折叠偶极的阻抗位置。

其中，在将发射电阻Ra保持为400Ω的情况下，如图1C所示地还将电感部4与偶极部2相并联地连接到图1B的馈电部1，这会使天线特性在导纳圆图上逆时针旋转。

这使得在定位得靠近所述最优位置的过程中，与电感L相连接的折叠偶极天线的天线特性具有如图3的ωL区中的作为与电感L相连接的折叠偶极(以下称为“连接有L的折叠偶极天线”)的三角形所示的953MHz的谐振频率。

图3所示的导纳圆图例示了在700与1200MHz之间的特性。在该谐振频率的范围中，明显的是：该连接有L的折叠偶极天线的天线特性轨迹7围绕着谐振最优值(即，Ra＝500Ω并且La＝20nH的最优位置)。

即，明显的是：图1C所示的连接有L的折叠偶极天线的结构加宽了与LSI芯片相谐振的频带。

顺便指出，通过将RFID作为标签粘附于各种物体来使用该RFID。在诸如泡沫聚苯乙烯的物体的情况下，RFID的介电常数εr约为1.1，这与空气的值(εr＝1)差不多相同。

即，在将标签粘附到泡沫聚苯乙烯上的情况下，将变得与将标签悬置在空气中差不多相同。

在粘附有RFID粘附的物体例如是塑料的情况下，因为塑料材料的介电常数εr约为εr＝3，所以如果塑料的厚度是2mm，则天线周围的有效介电常数变得较大。

同时，根据经验得知，在工作频率953MHz下与RFID相通信的RW的行为与在空气中在953MHz下的偏移了100MHz的特性大致相同。

因此，如果当粘附于各种类型的物体上时(即，当工作频率偏移时)天线的通信距离发生波动，则会妨碍实用性，因此希望有这样一种天线：即使将其粘附于各种类型的物体上，其通信距离也不会变化。

因此，好的RFID天线是能够具有宽频带特性(即，具有宽频特性)的天线。

图1C所示的具有如图3所示的天线特性的连接有L的折叠偶极天线具有足够宽的频带，例如，依据图3的天线特性轨迹7的一个旋转部分7a的带宽约为200MHz，可以区分成好的天线，其通信距离很难由于所粘附到的材料而波动(即，不受所粘附到的材料的影响)。

然而，用户对于使RFID小型化存在很强的需求。具有横向145mm、纵向15mm的尺寸的天线对用于标签来说太大了。也许只可以将该标签用于例如管理书藉，而对于其他实用性，因它的使用受到限制而没有自由度，因此需要进一步进行小型化。

顺便指出，如果试图将天线的整体尺寸限制为例如80×20mm，则必须将天线线路弯曲成蛇型(或“曲折型”)，以将伸长的线路长度容纳在小面积尺寸内。

然而，公知的是，对天线的小型化会加宽如图3所示地旋转一周的特性部分(即，特性轨迹7a)的频率间隔(例如，该一个旋转带宽变成约仅20MHz)。

即，对天线的小型化会使频带变窄。换句话说，包括这种小型化天线的RFID会根据所粘附到的材料而显著改变通信距离。这面临着实际问题。

发明内容

根据本发明的标签用天线是包括偶极天线、馈电部以及电感部的天线，所述偶极天线、馈电部以及电感部由同一平面内的导体形成(feature)，其中，所述馈电部以能够装配芯片的方式形成在所述偶极天线的中心处，所述电感部与所述偶极天线的偶极相并联地连接到所述馈电部，并且通过在多个弯曲部处从两端向内部弯曲将所述偶极天线形成为方螺旋(square spiral)，所述多个弯曲部使所述偶极分别在至少四个位置弯曲，当将所述多个弯曲部延伸成直线时，所述四个位置的所述多个弯曲部中的每一个的整体长度均比天线的谐振波长的二分之一短。

所述标签用天线被构造成：所述电感部形成在所述偶极天线的中心的附近处并且位于所述偶极天线的所述偶极的中间，所述偶极被形成为方螺旋。所述标签用天线被构造成：所述天线的整体长度和所述电感部被调节成，使得在953MHz的读取器/写入器工作频率下的标签阻抗例如接近天线的最优值。所述导体例如是铜、银或铝。

所述标签用天线被构造成：使得所述馈电部连接到并装配有大规模集成(LSI)芯片。在此情况下，可以具有如下构造：使得由塑料树脂或纸从所述标签用天线的两个表面将所述标签用天线夹在中间。在此情况下，优选地，所述塑料树脂是对苯二甲酸乙二醇酯膜。

根据本发明的标签被构造成：由塑料树脂或纸从两侧将所述标签用天线夹在中间。

设计本发明以能够提供一种极紧凑的标签用天线和使用该标签用天线的标签，该标签用天线的通信距离随该天线所粘附到的物体的变化很小，即，该天线保持最小变化通信距离。

附图说明

图1A、1B以及1C是对用于常规RFID系统的标签用天线进行描述的图；

图2是示出了用于RFID系统的标签用天线和LSI芯片的等效电路的图；

图3是例示了对使用常规标签用天线的标签进行的分析的图；

图4是示出了根据实施例的极紧凑的标签用天线的结构的斜视图；

图5是示出了根据实施例的标签用天线的阻抗特性的导纳圆图；

图6是示出了根据实施例的通过电磁场仿真器计算出的标签用天线的反射频率特性的图；

图7是示出了根据实施例的通过电磁场仿真器计算出的标签用天线的天线增益的计算值的图；以及

图8是根据实施例的可以获得Excel图表中的标签用天线的反射特性和增益特性的通信距离特性图表。

具体实施方式

以下是参照附图对本发明的优选实施例进行的详细描述。

图4是示出了根据一实施例的极紧凑的标签用天线的结构的斜视图。注意，图4示出了标签用天线以及内置有该标签用天线构造的标签。通过由塑料树脂或纸夹住标签用天线的两侧来构成该标签。图4通过立体地示出塑料或纸标签来表示标签用天线的内部。

图4所示的标签用天线10的整体尺寸是横向53mm×纵向7mm。

标签用天线10包括由同一平面内的导体形成的偶极天线、馈电部以及电感部。优选地，该导体使用铜、银或铝。

馈电部被形成为使得能够在偶极天线的中心处装配LSI芯片，并且该馈电部如图4所示地包括芯片装配部8。在芯片装配部8位于所述中心处的情况下，任一侧均形成有线路路径宽度为1mm的偶极部9，从而整体上形成偶极天线。

通过将所述多个偶极在至少四个位置处在弯曲部11(即，11-1、11-2、11-3以及11-4)处从两侧向内部弯曲，将由两侧的偶极部9构成的偶极天线形成为矩形螺旋。即，本实施例在各侧均有四个弯曲部。

当各弯曲部沿直线延伸时，如后面所详细描述地，偶极天线的整体长度被形成得比天线的谐振波长的二分之一小。

在偶极天线的邻近处，在分别被形成为如上述的矩形螺旋形式的两个偶极部9和9的中间部分中形成有电感部12。电感部12与所述两个偶极部9和9并联地连接到芯片装配部8(即，天线的馈电部)。

通过将Rc＝500Ω并且Cc＝1.4pF的LSI芯片连接到馈电部(即，芯片装配部8)并将二者装配在一起，将偶极天线(即，标签用天线10)构造成标签，并使用介电常数εr＝3并且厚度t＝0.75mm的塑料树脂13覆盖其两个表面(即，图4所示的上表面和下表面)。

塑料树脂13例如使用对苯二甲酸乙二醇酯膜等。或者，可以使用合适的纸代替塑料树脂13来覆盖其两个表面。

图5是示出了标签用天线10的天线特性(即，其阻抗特性)的导纳圆图。注意，图5所示的芯片位置和天线的最优位置与图8的情况相同。

图5所示的导纳圆图示出了表示天线特性的轨迹14，该轨迹14是将如图7所示的标签用天线10的Ra、La、Rc以及Cc的值输入可在市面上购得的电磁场仿真器并在800到1100MHz之间的频带内对阻抗进行计算的结果。

天线特性轨迹14绕着天线的最优值旋转，并且在由图5中的虚线椭圆15所包围而示出的RW工作频率的953到1000MHz的附近处该轨迹14最接近该最优值。即，在LSI芯片与偶极天线之间的反射很小。

进一步增大频率以靠近由图5中的虚线椭圆16表示的超过1050MHz的位置，由于远离天线的最优值，因此在LSI芯片与偶极天线之间的反射变大。

图6是示出了通过上述电磁场仿真器计算出的标签用天线10的反射S11的频率特性的图，横轴示出了频率(800MHz到1100MHz)，纵轴示出了反射S11(-5dB到0dB)。如根据6理解的，反射S11在975MHz附近具有最小值。

图7是示出了通过上述电磁场仿真器计算出的标签用天线10的天线增益的计算值的图，横轴示出了频率(800MHz到1100MHz)，纵轴示出了天线增益(-4dB到2dB)。图7所示的天线增益指示在1050MHz附近具有最大值。

即，尽管如图5的导纳圆图所示在1050MHz附近存在反射变大的不足，但是如根据图7所理解的，在1050MHz附近天线增益很大，从而使得该大的天线增益补偿了大反射的不足。

图8是通过将上述标签用天线的反射特性与增益特性在Excel图中组合而获得的通信距离特性图，横轴示出了频率(800MHz到1100MHz)，并且在纵轴的图上示出了由最大距离指定的相对通信距离。

如上所述，标签用天线10所具有的通信距离特性相对于953MHz的RW工作频率在左右方向上是非对称的，在953MHz的RW工作频率的更高频率侧其增益逐渐变化，并具有相对稳定的通信距离的特征。

由电磁场仿真器进行的上述计算将图4所示的塑料树脂13的顶部和底部指定为空气，因此在953MHz的RW工作频率处的通信距离是当标签用天线处在空气中时的距离。与如图8所示的所指定的最大距离相比，空气中的通信距离是该最大距离的0.95倍。即，确保了最大距离的95％。

当将标签用天线10粘附于εr＝3并且厚度为2mm的塑料时，天线附近的有效介电常数变大，使频带下移约10％。即，图8所示的波形向更低频率侧移动约100MHz。

换句话说，根据图8所示的波形，在1050MHz(其比953MHz高约10％)处的相对通信距离值变成当将标签用天线粘附到2mm厚的塑料上时的通信距离。与如图8所示的所指定的最大距离相比，在此情况下的通信距离是该最大距离的0.8倍，确保了最大距离的80％。

如还可以根据图8所清楚看出的，根据本实施例的标签用天线10被构造成：当被粘附于泡沫聚苯乙烯或2mm的塑料时将通信距离恒定地确保为空气中的最大通信距离的80％以内，因此具有极高的距离稳定性。

根据本实施例的标签用天线的卓越特性在于：将由偶极部和电感部构成的天线图案调节成在953MHz的RW工作频率的附近接近天线的最优值，同时随着在比953MHz更高的频率中远离最优值时反射变大，这由更高的天线增益来补偿，使得将通信距离保持在最低损耗。

为了在比953MHz更高的频率中获得更高的天线增益，将天线的整体长度设计成接近天线谐振波长的二分之一，这提供了良好的增益效率。

根据本实施例的标签用天线10的天线图案的卓越特性在于，其被设计成：当将弯曲部11伸直时，该天线的整体长度比天线谐振波长λ的二分之一稍短。

将图4所示的示例构造成：当将所述多个弯曲部伸直时天线的整体长度约为120mm，而天线谐振波长λ的二分之一约为130到140mm，天线谐振波长λ的10mm的容限幅度考虑了位于上下侧的塑料树脂13。

同时，通过从端部侧向内部弯曲，使偶极部尽可能地保持直的，并且将电感部理想地形成在两个偶极部之间，因为这两个偶极部不应彼此靠近。

通过该结构，将在953MHz下的阻抗设置为接近天线的最优值，并如图5所示地使天线增益在1050MHz的附近达到最大。

该结构使得可以实现这样的标签用天线：该标签用天线具有极高的距离稳定性，无论是在空气中，还是被粘附于泡沫聚苯乙烯或2mm厚的塑料，都始终将通信距离确保在最大通信距离的80％以内。

注意，本发明假设整个标签用天线(即，连接有L的偶极天线)的尺寸是：横向为30到80mm，纵向为6到15mm。

尽管如图4所示地，在具有横向为53mm、纵向为7mm的尺寸的两个偶极部中的任何一个上形成有四个弯曲部，但是随着天线变得更小，可以将弯曲部的数量增加到5个或6个等。

如上所述，将本发明设计成：能够提供一种标签用天线和一种标签，所述标签用天线和所述标签通过使用极紧凑的天线使得通信距离随待粘附到的物体而产生的变化达到最小。

Claims (7)

1、一种标签用天线，该标签用天线包括偶极天线、馈电部以及电感部，所述偶极天线、馈电部以及电感部是由同一平面内的导体形成的，其中，

所述馈电部以能够装备芯片的方式形成在所述偶极天线的中心处，

所述电感部与所述偶极天线的偶极相并联地连接到所述馈电部，并且

通过在使所述偶极分别在至少四个位置处弯曲的多个弯曲部处，将所述偶极天线从两端向内部弯曲来将其形成为矩形螺旋，当所述多个弯曲部被伸展成直线时，所述四个位置的所述多个弯曲部中的每一个的整体长度均比所述天线的谐振波长的二分之一短。

2、根据权利要求1所述的标签用天线，其中，

所述电感部被形成在所述偶极天线的中心的附近处，并且位于所述偶极天线的被形成为所述矩形螺旋的所述偶极的中间。

3、根据权利要求1所述的标签用天线，其中，

将所述天线的整体长度和所述电感部调节成：使得标签阻抗在953MHz的读取器/写入器工作频率处接近天线最优值。

4、根据权利要求1所述的标签用天线，其中，

所述导体是铜、银和铝中的任一种。

5、根据权利要求1所述的标签用天线，其中，

将所述馈电部连接到大规模集成芯片，并且与该大规模集成芯片装配在一起。

6、一种标签，所述标签通过塑料树脂或纸从根据权利要求5所述的标签用天线的两个表面将所述标签用天线夹在中间。

7、根据权利要求6所述的标签，其中，

所述塑料树脂是对苯二甲酸乙二醇酯膜。

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