CN101107750B - 天线及安装有该天线的射频识别标签 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线及安装有该天线的射频识别标签。公开了一种有限面积内的与具有电容元件的射频识别LSI芯片谐振的标签天线及其上安装有这种标签天线的射频识别标签，所述射频识别标签具有天线以及并联到该天线的LSI芯片，所述天线具有：连接到所述LSI芯片的馈送端子、连接到所述馈送端子的环形天线、以及作为所述环形天线的回路的旁路的旁路导线，其中，所述旁路导线位于与所述环形天线的中心相距距离S处，并且所述距离S的大小被设定成使得由于所述旁路导线而导致的电感具有规定电感值。

Description

天线及安装有该天线的射频识别标签
技术领域
本发明涉及天线及安装有这种天线的标签，更具体地说，涉及一种包括环形天线的天线及安装有这种天线的射频识别(RFID)标签，该环形天线适合于用在利用RFID读取器/写入器来进行发送和接收的非接触型标签中。
背景技术
近年来，已广泛推广以下系统，即，在该系统中，将存储有物品信息的标签附于物品(包括牲畜及其他活体)上，并通过非接触式装置来读取该信息以管理数据。这种系统的一个示例称作RF(射频)ID系统。在这种系统中，使用UHF波段(860MHz至960MHz)中的功率约为1W的无线信号来从读取器/写入器发送信号。
在标签侧，基于该信号产生用于开始处理的功率，并根据该信号所包含的指示信息从标签向读取器/写入器返回响应信号。通过该方式，读取器/写入器可以读取标签内的信息。
附于物品上的标签包括天线及连接到该天线的功能芯片。标签与读取器/写入器之间的通信距离取决于并入该标签内的天线的增益、芯片操作电压及周围环境，仅约为3米。
安装在标签中的LSI芯片20的接口部分可以表示为等效于电阻Rc(例如，电阻值＝1000Ω)与电容C(例如，电容值＝0.7pF)的并联，如说明天线与LSI芯片的匹配的图1所示。另一方面，安装在标签上的天线(称作标签天线)可以表示为等效于电阻Ra(例如，电阻值＝1000Ω)与电感L(例如，电感值＝40nH)的并联。
作为以上两者的并联的结果，电容值C和电感值L谐振，并且如式(1)所指示的，虚部实际上为零，因而实现了匹配，使得标签天线10所接收到的功率可以充分地提供给LSI芯片20。
f 0 = 1 2 π LC . . . ( 1 )
针对标签天线10的最基本的设计是总长度等于λ/2的谐振偶极天线；在UHF波段中，需要约150mm的长度。然而，考虑到将这种标签附于牲畜的耳朵上并对这种标签进行管理的情况，存在例如将标签形成为最大直径约为35mm的要求。
然而，实际上不可能形成具有这种要求尺寸的λ/2谐振偶极天线。
可设想使用构造成诸如图2中所示的连接到馈送端子3的环形天线1的环形天线。环形天线具有诸如例如在以下文献中所说明的特性：Antenna Engineering Handbook，published by Ohmsha，Ltd.，March 5 1999，pp.20-22。即，该文献说明，当共模电流在连接到馈送端子3的圆环1中均匀流动时，随着环半径的增大，功率图案的波瓣数增大。
发明内容
如上所述，对于用在RFID系统中的标签中的芯片20与标签天线10之间的匹配来说最重要的是：LSI芯片20的接口部分的电容值C与天线10的电感值L在所使用的频率处谐振，如图1中所指示的。
另一方面，当标签天线10仅配置有诸如图2中所示的环形天线结构时，不存在诸如图1中所示的电感L部分，因此不会获得令人满意的与LSI芯片20的接口部分的匹配，不能从天线10向芯片20充分地提供功率，因此存在以下问题：使通信距离大大降低。
当为了便于操作而将标签天线10封装在电介质盒及类似物中时，必需在设计天线的形状时考虑用作盒的电介质件的介电常数和厚度。
因此，本发明的目的是提供一种在具有有限尺寸的同时与具有电容元件的RFID LSI芯片谐振的标签天线，及其上安装有该天线的RFID标签。
实现以上目的的本发明的天线的第一方面的特征在于，其具有：馈送端子；连接到所述馈送端子的环形天线；以及作为所述环形天线的回路的旁路的旁路导线，其中，所述旁路导线位于与所述环形天线的中心相距距离S处，并且所述距离S的大小被设定成使得由于所述旁路导线而导致的电感具有规定电感值。
实现以上目的的本发明的天线的第二方面在于所述第一方面具有如下特征，即，所述规定电感值是导致与连接到所述馈送端子的LSI芯片的接口部分的电容值谐振的值。
实现以上目的的本发明的RFID标签的第一方面的特征在于，该RFID标签具有并联到天线的LSI芯片，并且所述天线具有：连接到所述LSI芯片的馈送端子；连接到所述馈送端子的环形天线；以及作为所述环形天线的回路的旁路的旁路导线，其中，所述旁路导线位于与所述环形天线的中心相距距离S处，并且所述距离S的大小被设定成使得由于所述旁路导线而导致的电感具有规定电感值。
实现以上目的的本发明的RFID标签的第二方面在于所述第一方面的RFID标签具有如下特征，即，所述规定电感值是导致与连接到所述馈送端子的所述LSI芯片的接口部分的电容值谐振的值。
实现以上目的的本发明的RFID标签的第三方面在于所述第一方面的RFID标签具有如下特征，即，该RFID标签还具有：电介质板，该电介质板布置在所述天线的至少一个面上，并保持所述天线。
实现以上目的的本发明的RFID标签的第四方面在于所述第三方面的RFID标签具有如下特征，即，在所述电介质板的中心设置穿孔。
实现以上目的的本发明的RFID标签的第五方面在于所述第四方面的RFID标签具有如下特征，即，所述旁路导线具有沿所述穿孔的周缘、避开所述穿孔的弧。
实现以上目的的本发明的RFID标签的第六方面在于所述第三方面的RFID标签具有如下特征，即，在所述电介质板中具有环形凹陷，该环形凹陷与所述环形天线相对应，并且其宽度和深度使得能够至少容纳所述LSI芯片。
实现以上目的的本发明的RFID标签的第七方面在于所述第三方面的RFID标签具有如下特征，即，由所述电介质板保持的所述天线由主要成分是Cu、Ag和Al中的任一种的导体而形成。
通过本发明，可以在直径约为35mm的极其有限面积内提供与具有电容元件的RFID LSI芯片谐振的标签天线及其上安装有这种天线的标签。
附图说明
图1说明了天线与LSI芯片的匹配；
图2说明了传统环形天线；
图3说明了本发明的天线的结构的原理；
图4是示出电感值L与从环形天线1的中心到旁路导电路径2的距离S之间的关系的曲线图；
图5A和5B示出了根据图3中所示的本发明的原理的第一实施方式；
图6A和6B是将用于将RFID标签安装在物品上的结构考虑在内的实施方式；
图7A和7B是针对图5的实施方式的、将用于将RFID标签安装在物品上的结构考虑在内的实施方式；
图8A至8C示出了与天线标签一体地构造LSI芯片的实施方式；
图9A和9B示出了另一实施方式的结构；
图10A和9B示出了其中电介质件仅形成在标签天线的一侧的实施方式；
图11A和9B示出了在对本发明的天线的电磁场模拟中获得的天线方向特性；以及
图12示出了图11中的三个轴向x、y、z的定义。
具体实施方式
下面将参照附图来说明本发明的实施方式。提供这些方面以便于理解本发明，但本发明的技术范围并不限于这些方面。
发明原理
在对这些实施方式进行说明之前，利用图3来说明根据本发明的天线结构的原理。在图3中，形成有连接到馈送端子3的环形天线1。另外，在环形天线1内形成有旁路导线作为匹配电感器L。在图3中，S是从环形天线1的中心到旁路导线2的距离；电感值L的由于旁路导线2而导致的参数随该距离S的改变而变化。
图4是示出电感值L与从环形天线1的中心到旁路导线2的距离S之间的关系的曲线图。图4中所示的数值是从电磁场模拟器获得的计算值；可以看到，电感值L根据距环形天线1的中心的距离S而改变。因此，通过适当选择距离S，可以对标签天线10设定与LSI芯片20的接口部分的电容值C相匹配的电感值L。
例如，当要匹配的LSI芯片20的电容器的电容值C为C＝0.7pF时，则由上式(1)，在f＝950MHz附近，在L＝40nH处发生谐振。因此，由图4，要获得L＝40nH，当在图3的实施例中将天线置于无变化的空气中时，介电常数εr为空气的介电常数(＝0)，因此从特性曲线A可以看到，当S＝4.2mm时，发生标签天线10与LSI芯片20的匹配。
这些发明人已在大量原型实验中证实，对于最外径为33mm、并且利用厚度为20μm且线宽为2mm的Cu作为导电材料的标签天线10，该天线的并联电阻Ra的电阻值约为1000Ω。因此，即使当LSI芯片20的实部电阻Rc例如约为1000Ω至2000Ω时，也可以适当地匹配。
在图3中，可以通过在其中形成有环形天线1和旁路导线2的平面天线的上方和下方或在该平面天线的一个面上形成电介质板来保持标签天线10。期望根据电介质板的介电常数和厚度来选择参数(S)。
实施方式
图5示出了图3中所示的本发明的原理的第一实施方式。图5A是平面图，图5B是中心剖面图。
在包括环形天线1和旁路导线2的标签天线10的平面的上方和下方布置有电介质板4和5，以封装标签天线10并保持天线的形状。为此，例如利用合成树脂胶或类似物将电介质板4和5固定到标签天线10并封装标签天线10。
该实施方式对应于图3的示意图；从连接到馈送端子3的环形天线1的中部连接旁路导线2，以形成电感元件L。
作为该实施方式中的尺寸，环形天线1的最外径为33mm，并将厚度为20μm且线宽为2mm的Cu用作导电材料。电介质板4和5的厚度为t＝1mm。
如果电介质板4和5由塑料、橡胶或类似物形成，则公知的是，介电常数取值约为εr＝3至5。因此当假设εr＝3和εr＝5利用电磁场模拟器来确定特性时，获得图4中所示的特性曲线B和C。
与针对介电常数εr＝0的空气的情况的特性曲线A类似的是，电感值L随距离S而改变；将从环形天线1的环形中心O到旁路导线2的距离取为S。根据由电磁场模拟器获得并如以上图4中所示的计算值，当图5中所示的结构中电介质板4和5的介电常数为εr＝3时，获得特性曲线B，而当εr＝5时，获得特性曲线C。因此可以看到，为了在L＝40nH处获得谐振，如果εr＝3，则S＝6mm，而如果εr＝5，则S＝7.5mm。
这里，必需考虑RFID标签的用于安装在物品上的结构。图6示出了适应该需求的实施方式。在RFID标签的中心部分形成有穿孔6。该穿孔6可以用于将标签安装在物品上。
然而，当在中心形成穿孔7时，穿孔6重叠在旁路导线2上。因此在图6的实施方式中，将旁路导线2形成为具有沿穿孔6的周缘的弧2a，以避开穿孔6。作为其中固定有该弧2a并将距旁路导线2的直线导线部分的距离S取为电磁场模拟中的参数的模拟的结果，获得了与图4中所示的针对εr＝3和εr＝5的特性曲线A和B的一致。
在图6中，当穿孔6的半径为r1＝6.5mm、导体宽度为2mm且距离S比(穿孔6的半径+导体宽度)大(即，当S＞8.5mm)时，则与实施方式1类似的是，当例如芯片电容值为C＝0.7pF时，根据式1，当L＝40nH时，在f＝950MHz附近发生谐振。
由图4可知，当εr＝3且S＝6.1mm时，或当εr＝5且S＝7.5时，L＝40nH；因此，通过根据相对介电常数来为图6中所示的天线结构选择适当的S值，芯片20与天线10可以匹配。
图7示出了其中设置有穿孔6的另一实施方式；与图5中所示的实施方式不同，穿孔6的半径的尺寸小于从环形天线1的中心到旁路导线2的距离S，使得其中不需要设置图6中所示的弧2a的结构成为可能。
这里，期望按与标签天线10一体地形成LSI芯片20。图8示出了满足这种要求的实施方式的结构。
在图8中，LSI芯片20连接到对应于图6的包括环形天线1和旁路导线2的标签天线10的馈送端子。图8A是其中将标签天线10和LSI芯片20安装在电介质板5上的图。
另一方面，图8B示出了以具有与环形天线1相对应的环形凹陷30为特征的电介质板4。凹陷30具有能够至少容纳芯片厚度约为0.5mm的LSI芯片20的宽度和深度。因此，通过依次叠置电介质板5、连接到LSI芯片20的标签天线10、以及电介质板4，可以形成如图8C所示的整体结构。
作为特征，在进行叠置时，要保证一定的空间，以使得无论LSI芯片20的位置如何，都可以将LSI芯片20容纳在电介质板4的凹陷30中，从而使上电介质件4和下电介质件5可以紧密地堆叠。通过该方式，在将标签天线10封装在上电介质件4与下电介质件5之间时所需的处理的数量减少，从而可以提供廉价的天线单元。
图9示出了又一实施方式的结构。在以上各实施方式中，作为包括环形天线1和旁路导体2的标签天线10的制造方法，可以将诸如由Cu、Ag、Al或类似物的材料制成的(例如厚度为20μm的)薄导体形成在由纸、PET(聚乙烯片)或类似物制成的(例如厚度为0.1mm的)极薄的片40上。或者，可以用线形导体来替代薄导体。
此外，在以上各实施方式中，示出了其中包括环形天线1和旁路导体2的标签天线10被封装在电介质件4与5之间的结构；但是从保持标签天线10的观点来看，一种可行的结构是仅在标签天线10的一侧形成电介质件4(5)的结构，如图10所示。
图11示出了在对本发明的天线的电磁场模拟中获得的天线方向特性。如图12所示，定义三个轴向x、y、z，并且在x-y平面中距x轴的角度为φ，而距z轴的角度为θ。
由图11A可知，在φ＝90°时，即，在y轴方向上，当距z轴的角度θ为90°和-90°时，表现出最大方向特性。由图11B可知，在φ＝0°时，即，在x轴方向上，当距z轴的角度θ为90°和-90°时，表现出最大方向特性。总之，在图11A和图11B中，示出了相同的方向特性，而总体上当θ＝90°时(图11A)表现出比θ＝0°时(图11B)更强的方向性，从而获得了专门针对环形天线的结果。
因此，由这些方向特性可以看出，本发明的天线具有令人满意的方向特性。因此，当使用安装有本发明的天线的RFID标签作为用于物品的RFID标签时，也可以应用于动物及其他同样移动的物品，因而应用范围广。通过本发明，可以提供在直径约为35mm的极其有限的面积内的并与具有电容元件的RFID LSI芯片谐振的标签天线及其上安装有该天线的RFID标签。
此外，通过本发明，可以根据电介质板的介电常数和厚度容易地确定形成电感为L的电感器的旁路导电路径的定位以及最佳尺寸，其中，所述电感L与LSI芯片的接口部分的电容C谐振并被预先计算出。
此外，在制造处理中，无论LSI芯片的位置如何，都可以容易地堆叠上电介质件和下电介质件。
相关申请的交叉引用
本申请是于2005年1月24日提交的国际申请PCT/JP2005/000826的继续。

Claims (7)

1.一种天线，该天线包括：
馈送端子；
连接到所述馈送端子的环形天线；以及
作为所述环形天线的回路的旁路的旁路导线，
其中，所述旁路导线位于与所述环形天线的中心相距距离S处，并且所述距离S的大小被设定成使得由于所述旁路导线而导致的电感具有规定电感值
并且其中，所述规定电感值是在该值下与连接到所述馈送端子的LSI芯片的接口部分的电容值发生谐振的值。
2.一种射频识别标签，该射频识别标签包括：
天线；以及
并联到所述天线的LSI芯片，其中，所述天线包括：
连接到所述LSI芯片的馈送端子；
连接到所述馈送端子的环形天线；以及
作为所述环形天线的回路的旁路的旁路导线，
其中，所述旁路导线位于与所述环形天线的中心相距距离S处，并且所述距离S的大小被设定成使得由于所述旁路导线而导致的电感具有规定电感值，
并且其中，所述规定电感值是在该值下与连接到所述馈送端子的所述LSI芯片的接口部分的电容值发生谐振的值。
3.根据权利要求2所述的射频识别标签，该射频识别标签还包括：电介质板，该电介质板位于所述天线的至少一个面上，并保持所述天线。
4.根据权利要求3所述的射频识别标签，其中，在所述电介质板的中心设置有穿孔。
5.根据权利要求4所述的射频识别标签，其中，所述旁路导线具有沿所述穿孔的周缘、避开所述穿孔的弧。
6.根据权利要求3所述的射频识别标签，其中，所述电介质板具有环形凹陷，该环形凹陷与所述环形天线相对应，并且具有能够至少容纳所述LSI芯片的宽度和深度。
7.根据权利要求3所述的射频识别标签，其中，由所述电介质板保持的所述天线由主要成分为Cu、Ag和Al中的任一种的导体而形成。
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