CN101083351B - 交叉偶极天线和使用它的标签 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交叉偶极天线和使用它的标签，提出了一种紧凑的天线结构，所述天线结构基本上具有与射频识别标签中的标签方向无关的无方向性。该天线结构包括要应用于射频识别系统的设置为交叉偶极天线形式的一对偶极天线，该射频识别系统采用高频无线电信号在读/写器和标签之间传送信息。上述一对偶极天线还包括从馈电点延伸的彼此十字交叉的线路；以及从上述线路的弯曲末端成三角形延展的线路。上述一对偶极天线中的每一个的总长度都比使用频率λ的2/λ更长。

Description

交叉偶极天线和使用它的标签

技术领域

本发明涉及要应用于RFID(射频识别)系统的交叉偶极天线，和使用该交叉偶极天线的标签，所述系统采用高频无线电信号在读/写器与标签间传送信息。

背景技术

在RFID(射频识别)系统中，利用UHF频带(860到960MHz)内的射频信号从读/写器发送大约1W的载波信号。标签侧接收以上载波信号，并用标签信息对以上载波信号进行调制。将调制后的信号作为响应信号返回到读/写器侧，并且通过读/写器来读取标签内的信息。目前这种RFID系统的应用领域在不断扩展。

尽管取决于标签中提供的天线增益、用于信号处理的LSI芯片的工作电压以及周围环境，但以上系统的通信距离的范围为大约3到5米。标签由形成在基体(base body)(例如厚度为0.1mm数量级的片和膜)上的导电材料的天线图案以及与天线馈电点相连接的LSI芯片(厚度大约0.2mm、大约1mm见方)构成。

如图1所示，LSI芯片2可以等效地表示为并联连接的电阻Rc(例如500Ω)和电容Cc(例如1.4pF)。同时，标签天线1可以等效地表示为并联连接的辐射电阻Ra(例如400Ω)和电感La(例如20nH)。

通过并联连接上述LSI芯片2和标签天线1，电容与电感产生谐振，导致在期望的谐振频率f0处匹配，这可以通过以下示出的公式1来理解。由此断定天线1内的接收功率被充分地提供至芯片2侧。

$f0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$              (公式1)

图2A中示出了偶极天线的基本结构。由于将整体天线长度设定为使用频率的λ/2，所以在953MHz的情况下，整体天线长度是λ/2波长，其近似等于145mm。将LSI芯片2连接到长度为λ/4的各个天线元件的馈电点上。

通过将整体天线长度设定为λ/2，天线在953MHz产生谐振。然而，并不存在图1所示出的La元件。因此，如图2B所示，通过将长度设定为180mm或该数量级(其比λ/2长)，天线1具有了La元件，并且因此可以使天线1与LSI芯片2产生谐振。

作为形成在RFID标签上的这种偶极天线，例如，在出版物“Antennasand Propagation International Symposium”，2005IEEE Volume2B，3-8pages353-356，July2005中，已知使得天线长度比λ/2更长。

另外，由于上述标签天线1的偏振是线型的，因此通常对读/写器(R/W)侧的未示出的天线使用圆偏振，从而使得即使标签在与纸面平行的平面内旋转，也能够在大致相等的距离上发送和接收。也就是说，假设在R/W侧采用线偏振天线，当其偏振方向与标签偏振方向一致时，与采用圆偏振的情况相比，通信距离变长了大约1.4倍。相反，当R/W天线的偏振方向被放置为与标签偏振方向垂直时通信距离急剧减小。

如图1所示，普通芯片具有两个端子。另外，通过并联连接这两个系统，具有四个端子的芯片(如图3所示)目前也投入了商用市场。在许多这种情况下，接地侧(GND)都是以直流(DC)方式彼此连接的。因此，例如通过以采用图1所示的偶极天线的交叉结构的两个系统来构造天线，即使在R/W侧采用线偏振天线的情况下也可以保持长的通信距离。然而，垂直和水平长度分别达到180mm。这种天线对于实际采用的标签天线来讲太大了。

发明内容

鉴于上述问题点，本发明的目的在于即使在R/W侧采用线偏振天线的情况下，也能提供一种紧凑的天线结构，并提供一种应用了上述天线结构的标签，所述天线结构基本上具有与标签方向无关的无方向性。

在根据本发明的第一方面中，为了实现上述目的，公开了一种要应用于RFID系统上的交叉偶极天线，该RFID系统使用高频无线电信号在读/写器和标签间传送信息。该交叉偶极天线包括一对偶极天线，并且这一对偶极天线还包括从所述一对偶极天线的馈电点延伸的彼此十字交叉的线路，以及位于这些线路的弯曲末端之前、成三角形延展(expand)的线路。另外，这一对偶极天线中的每一个的总长度都比使用频率λ的2/λ更长。

在上述第一方面中，该交叉偶极天线还包括设置在所述一对偶极天线的三角形延展线路的各个端部之前的延伸部分，并且可以根据以上延伸部分的长度来对调节阻抗。

另外，可以根据其上粘贴有所述一对偶极天线的基体的介电常数和厚度来设定以上延伸部分的长度。

在上述第一方面中，该交叉偶极天线还包括与从所述一对偶极天线的馈电点延伸的各条线路相连的导电条(bar)，并且其还可以根据导电条对于从馈电点延伸的所述线路的连接位置来调节阻抗。

另外，在上述第一方面中，所述三角形可以由其中央部分为中空的导体的外围轮廓部分形成。

在根据本发明的第二方面中，为了实现上述目的，公开了一种要应用于RFID系统上的标签，该RFID系统使用高频无线电信号在读/写器和标签之间传送信息。该标签包括基体、该基体上的由导体形成的一对偶极天线以及与彼此十字交叉的所述一对偶极天线的馈电点相连的LSI芯片。上述一对偶极天线还包括：从所述一对偶极天线的馈电点延伸的彼此十字交叉的线路，以及这些线路的弯曲末端之前、成三角形延展的线路，并且所述一对偶极天线中的每一个的总长度都比使用频率λ的2/λ更长。

在以上第二方面中，所述基体由PET、膜或纸材料形成，并且所述偶极天线的导体由Cu、Ag或Al形成。

根据本发明，即使在R/W侧使用线偏振天线的情况下，也能提供一种紧凑的偶极天线，该偶极天线基本上具有与标签方向无关的无方向性。这样就可以避免使用大尺寸的标签。

通过对实施例以及附图的以下说明，将更加明了本发明的其他范围和特征。

附图说明

图1示出了等效表示为并联连接的电阻Rc和电容Cc的LSI芯片的说明图。

图2A示出了基本偶极天线。

图2B示出了长度大于λ/2并具有电感元件La的偶极天线。

图3示出了等效表示为通过并联连接两个系统而包含四个终端的LSI芯片的说明图。

图4示出了根据本发明第一实施例的天线图案。

图5示出了使用商用电磁场模拟器、以阻抗调节部分的长度L为参数的电感元件La的计算结果。

图6示出了使用商用电磁场模拟器、以阻抗调节部分的长度L为参数的天线辐射电阻Ra的计算结果。

图7A示出了对R/W天线应用线偏振100的情况下的标签操作。

图7B示出了图7A中的标签旋转角与通信距离之间的关系。

图8示出了根据本发明第二实施例的天线图案。

图9示出了根据本发明第二实施例的导体条的连接点的距离L2与天线辐射电阻Ra之间的关系。

图10示出了根据本发明第二实施例的导体条的连接点的距离L2与电感元件La之间的关系。

图11示出了根据本发明第三实施例的天线图案。

具体实施方式

以下将参照附图来说明本发明的优选实施例。然而，需要指出的是，本发明的技术范围并不限于以下描述的实施例。

图4中示出了根据本发明第一实施例的天线图案结构。该天线图案是通过采用Cu、Ag、Al等导电材料形成在构成标签基体的PET、膜或纸材料上的。

馈电点20处并联连接有一对偶极天线1a、1b。如图3所示，通过导体12将分别与偶极天线1a、1b相对应的接地侧的天线元件GND1a、GND1b共同连接起来。

在这一对偶极天线1a、1b中，天线线路以交叉形状从馈电点20延伸。在以上天线线路的末端，这些线路以直角弯曲。另外，线路以三角形延展。该天线图案的整体尺寸是垂直78mm和水平78mm。在位于交叉形状的中心位置处的馈电点20上设置有LSI芯片2的安装部分。

根据上述三角形延展的线路，可以设定各种总天线长度，因此可以拓宽天线频率特性。

在以上结构中，由于天线1a、1b成十字状存在，并且每个总长度都大约为180mm(>λ/2)，所以如之前针对图2B所说明，可以具有电感元件La。

另外，在如图4所示的实施例中，设置有长度均为L，从三角形区域的每一个末端延伸的阻抗调节部分10a、10b以及11a、11b。

图5和图6示出了使用商用电磁场模拟器、以阻抗调节部分10a、10b以及11a、11b的长度L为参数对电感元件La和天线辐射电阻Ra的计算结果。

这里，关于要用于RFID系统的标签，由于该标签是通过将天线导体粘贴在基体上而使用的，所以希望将介电常数εr和基体的厚度t考虑在内。因此，在图5和图6所示的模拟计算中，认为标签基体是塑料的，并且假设εr＝3且厚度t＝1，2和4mm。

例如，假设LSI芯片2的电容Cc是1.4pF，为了与以上电容产生谐振，La要达到20nH。从图5所示的数据可以看出，当标签粘贴到厚度t＝1mm的塑料基体(εr＝3)上时最优值L＝0，或者当通过用线悬挂标签以产生空气的天线环境(εr＝1)时L＝13mm。此时，如图6所示，天线辐射电阻Ra接近于芯片电阻500Ω，这大体上是匹配的。

另外，即使未选择与环境条件相对应的这种最优值，也不意味着完全无法进行通信，只是仅仅通信距离降低到某种程度。

图7A和图7B示出了对R/W天线应用线偏振波100的情况下的标签操作。在图7A中，天线1a的偏振平面100a位于从左右方向(水平方向)旋转大约30度的方向，而天线1b的偏振平面与其相差90度。

当R/W天线的线偏振平面100与标签偏振平面一致时，通信距离变得最大，而当上述平面相差90度时，通信距离变得最小。因此，当仅关注天线1a时，如果标签逆时针旋转30度，则R/W天线的线偏振平面100与标签偏振平面100a一致，由此获得最大通信距离。如果标签进一步旋转90度，位于120度的旋转位置，则通信距离变得最小。图7B中以虚线1a表示了这种状态。在图7B中，水平轴表示旋转角，而垂直轴表示通信距离。

另一方面，当关注天线1b时，其与天线1a之间存在90度的相位差。在图7B中，旋转角与通信距离之间的关系以点划线1b来表示。因此，在天线1a和1b的合成(composite)特征中，如图7B中表示为(1a+1b)的实线所示，可以理解，可以实现作为一个整体通信距离不会减小很多的标签。

与通常对R/W天线采用圆偏振而对标签采用线偏振的情况相比，此时的最大距离为大约1.4倍。因此，可以在RFID系统中延长通信距离。

图8示出了根据本发明第二实施例的天线图案。根据图8所示的实施例，该结构包括导电条13，作为调节天线阻抗的方法。为了指定导电条13的设置位置，考虑将导电条13连接在距LSI芯片2的安装位置(即，天线1a、1b的交叉中心点)距离L2的位置。

导电条13的连接点的距离L2与天线辐射电阻Ra，以及与电感元件La的关系分别示于图9和图10。为了获得La＝20nH的电感从而与前述LSI芯片2的电容Cc＝1.4pF产生谐振，可以理解，L2＝22mm是最优值。

图11还示出了根据本发明第三实施例的天线图案。从各个天线1a、1b延展的各个三角形部分中流动的电流被不均匀地分布到三角形的外围部分，也就是说，不集中在中央附近。因此，可以使电流很难流入的中央部分为中空。当以Ag粘贴为例形成天线1a、1b时，如果要使用的金属部分小到可能的程度就可以降低成本。

因此，如图11所示，形成在天线1a、1b的弯曲部分处的三角形由位于这些三角形的轮廓部分处的导体20a、20b、20c以及21a、21b、21c形成。其他部分与图4所示的偶极天线的实施例中的部分类似。

前面对实施例的描述并不是要将本发明限制为所示示例的特定细节。任何适当的变型和等效都可以诉诸本发明的范围。落入本发明范围内的本发明的所有特征和优点都被权利要求所覆盖。

本申请基于2006年5月30日提交的在先日本专利申请No.2006-149987并要求其优先权，此处通过引用并入其全部内容。

Claims (9)

1.一种应用于射频识别系统的交叉偶极天线，该射频识别系统采用高频无线电信号在读/写器和标签之间传送信息，该交叉偶极天线包括：

一对偶极天线，其具有：从所述一对偶极天线的馈电点延伸的彼此十字交叉的线路；以及位于这些线路的弯曲末端之前、成三角形延展的线路，

其中，所述一对偶极天线中的每一个的总长度都比使用频率波长λ的1/2更长，并且其中

该交叉偶极天线还包括：

与从所述一对偶极天线的馈电点延伸的所述线路相连的导电条，

其中，根据所述导电条对于从所述馈电点延伸的所述线路的连接位置来调节阻抗。

2.根据权利要求1所述的交叉偶极天线，该交叉偶极天线还包括：

设置在所述一对偶极天线的三角形延展线路的各个端部之前的延伸部分，

其中，根据所述延伸部分的长度来调节阻抗。

3.根据权利要求2所述的交叉偶极天线，其中

根据其上粘贴有所述一对偶极天线的基体的介电常数和厚度来设定所述延伸部分的长度。

4.根据权利要求1所述的交叉偶极天线，

其中，所述三角形由其中央部分为中空的导体的外围轮廓部分形成。

5.一种应用于射频识别系统的标签，该射频识别系统采用高频无线电信号在读/写器和该标签之间传送信息，该标签包括：

基体；

所述基体上的由导体形成的一对偶极天线；以及

与彼此十字交叉的所述一对偶极天线的馈电点相连的LSI芯片，

其中，所述一对偶极天线还包括：

从所述一对偶极天线的馈电点延伸的彼此十字交叉的线路；以及

位于所述线路的弯曲末端之前、成三角形延展的线路，

其中，所述一对偶极天线中的每一个的总长度都比使用频率波长λ的1/2更长，并且其中

该标签还包括：

与从所述一对偶极天线的所述馈电点延伸的所述线路相连的导电条，

其中，根据所述导电条对于从所述馈电点延伸的所述线路的连接位置来调节阻抗。

6.根据权利要求5所述的应用于所述射频识别系统的标签，

其中，所述基体由PET、膜或纸材料形成，并且所述偶极天线的所述导体由Cu、Ag或Al形成。

7.根据权利要求5所述的应用于所述射频识别系统的标签，该标签还包括：

设置在所述一对偶极天线的所述三角形延展线路的各个端部之前的延伸部分，

其中，根据所述延伸部分的长度来调节阻抗。

8.根据权利要求7所述的应用于所述射频识别系统的标签，

其中，根据其上粘贴有所述一对偶极天线的所述基体的介电常数和厚度来设定所述延伸部分的长度。

9.根据权利要求5所述的应用于所述射频识别系统的标签，

其中，所述三角形由其中央部分为中空的导体的外围轮廓部分形成。

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