CN101194393B - 用于rfid转发器系统的天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于双端天线电路(4)的天线结构。该天线结构包括第一表面上的导电接地面(6)、至少一个第二表面上的传输线(3)、设置在第一和第二表面之间的绝缘层(7)以及电子部件(4)，该传输线(3)经过天线结构边缘中的折叠(1)连接到接地面(6)，从而该折叠作为主要磁场源，电子部件(4)中具有连接到天线结构的双端天线连接器。根据本发明，电子部件(4)附着到天线结构的第二表面并从第一天线端子连接到传输线(3)以及从第二端子连接到第二传输线(3)或者折叠(1)。

Description

用于RFID转发器系统的天线结构

技术领域

本发明涉及一种用于RFID转发器系统的天线结构。

本发明还涉及该天线结构的操作。

该天线例如与远程识别电路一起使用。

背景技术

近几年，RFID的使用增加了。例如，它主要在产品标记中代替光读取的条形码。RFID转发器是可以通过无线电信号远程阅读的标记，它包括天线、电压产生电路、射频信号调制/解调电路和存储器。它既可以在存储器中写又可以借助于无线电信号从中读取。有几种不同类型的RFID转发器：无源的和有源的，以及与其电感地、电容地或借助射频辐射场形成连接的那些。无源转发器从针对它们的射频场产生它们需要的电能。在有源转发器中，有单独的电池或者其他电源。电感性连接的遥感器通常在100-125kHz或者13.56MHz的频率下工作。

发明内容

本发明最优选的实施例涉及使用射频辐射场可读的无源RFID转发器，但是天线类型在要求天线具有长读取距离、薄结构、并且能够附着到某一基底诸如货物或者包裹的表面的所有应用中都是有利的。这样的表面通常是平坦的。最有利的适用于本发明的频率是869MHz和2.45Ghz。

RFID转发器是包括天线、微电路和存储器的小型装置，当它从读取装置接收了传输命令并且该读取装置以无线电信号照射(illuminate)它时，它通过反向散射传输其存储器的内容。在无源RFID转发器中没有电池，代替地它从传输给它的无线电信号中汲取其所需的工作功率。可以借助于磁场、电场或者辐射的无线电信号进行转发器和读取装置之间的功率和信息传输。在许多转发器应用中，读取器和转发器之间的距离要长-甚至长达几米是很重要的。

已经试图在广泛的范围内商业使用RFID转发器。然而，RFID转发器，虽然在实验室条件下实现了长读取距离，但是在实际情况下测量却具有相当短的读取距离。结果的退化是由于转发器所附着的基底使得转发器天线的特性发生相当大的变化的事实造成的。

PIFA是一种在诸如移动电话应用中广泛使用的天线。通常，它从折叠(fold)附近被馈电，从而可以得到接近50Ohm的阻抗。经过“接地面”也产生馈电。还可以在与RFID电路的连接中应用PIFA天线，其中由于馈电点接近天线的开端，所以阻抗的实数部分很大。在这个实施例中，需要到RFID电路的PIFA接地面的通路。除此之外，如果天线稍微短于波长的四分之一，那么天线将保持感性且其阻抗能够适于具有容性输入阻抗的RFID电路。PIFA天线的问题是它需要通路并且这显著增加了制造成本。如果通过使用例如高频电路板技术来制造天线，那么天线的成本可能为几欧元。

本发明打算消除现有技术的缺陷以产生完全新型的系统、方法和用于功率测量的工序。

本发明基于诸如RFID电路的电子部件，该电子部件附着到天线结构的一个表面并从一个天线端子连接到传输线以及从另一个端子连接到第二传输线或者折叠。

借助本发明得到相当多的益处。

借助本发明的实施例，实现了薄型的天线结构，其具有很长的读取距离。天线类型也不受其所附着到的表面的影响。因为不需要通路，所以根据本发明实施例的天线类型的制造也是经济的。此外，传感器结构也容易并且低成本地与诸如RFID电子装置组合。

附图说明

接下来，根据附图借助实例来分析本发明。

图1示出了根据现有技术的远程读取系统，它可以应用根据本发明的天线。

图2示出了根据本发明的一个传感器的顶视图。

图3示出了根据图2的传感器的A方向的侧视图。

图4示出了根据本发明的第二传感器的顶视图。

图5示出了根据本发明的第三传感器的顶视图。

图6示出了根据本发明的第四传感器的顶视图。

图7示出了根据本发明的第五传感器的顶视图。

图8示出了根据本发明的第六传感器的顶视图。

图9示出了根据本发明的第七传感器的顶视图。

图10示出了根据本发明的第八传感器的顶视图。

图11示出了根据图10的传感器的剖面侧视图。

具体实施方式

根据图1的典型远程读取系统包括读取装置10和RFID转发器20，它们彼此无线通信。读取器10典型的包括处理器11、解调器12和射频电子装置13，以及用于产生并接收射频信号的天线14。RFID转发器20又包括天线21、匹配电路22、具有检测器的整流器23以及逻辑电路24。通过逻辑24和匹配电路22的联合工作执行调制。在这个实施例中，RFID转发器层叠在薄片上，该薄片通常有信用卡大小。

本发明提出具有高效率的天线，其中无需通路。我们将把该天线称为平面不对称馈电折叠天线(PAFFA)。

图2示出了该天线，其中形成在绝缘层7的顶部上的平面传输线3的一端接近天线的“接地面”。天线做得很小，但是，由于磁场源(折叠)1和电场源(谐振器的开端)2彼此接近，该位置影响了辐射阻抗和功率的取向。折叠1用作主要磁场源。仿真表明天线工作了，但是其效率仍然相当低(20％-30％)。但是，天线在尺寸上非常小(当频率为869MHz并且相对介电常数为2.5时，大约为30cm×30cm；当频率为2.45Ghz时，大约为12cm×12cm)，并且可以用于小距离就足够的应用中。在这种情况下，将RFID电路4装配到折叠1附近。RFID电路的两个天线端子连接在磁场源1和电场源2之间。在该实施例中，传输线3的长度是工作频率的波长的四分之一(λ/4)。

图3示出了从箭头A方向看的图2的天线结构。该图更清晰的示出了磁场源1和电场源2之间的RFID电路的连接。

图4示出了天线，其中将RFID电路4大约设置在距离折叠1约波长的四分之一距离处，并且其中RFID电路4的另一端使用具有四分之一波长长度的开放传输线3来接地。通过改变传输线3的长度和宽度以及绝缘7的厚度将RFID电路4配合到天线。以这样的方式成形天线以使传输线3在电流密度大的点宽但在电场的最大值2处窄。通过使用该设置，我们可以减小天线的尺寸，同时保持天线的良好效率。另一方面，与图2的电路相比，在RFID电路附近产生的电场离磁偶极子有相当远的距离，从而天线与传统的PIFA相当一样地辐射。唯一的区别在于所用的使RFID电路4接地的λ/4长的传输线也在某种程度上辐射。基于仿真和测量，图4类型的天线工作良好，但它很难为RFID电路4提供足够大的阻抗。我们研究了根据图4的天线，其尺寸在869MHz的频率下小于60cm×60cm。

图5示出了天线，其大大恢复了(recall)图4的天线。但是，在这种情况下，RFID电路4用λ/2长的传输线3(图中右手侧的传输线)接地，其末端在折叠1处。与图4的天线的基本区别在于，由于该结构的长度，出现了两个电流最大点，它们都辐射。该天线的仿真表明在869MHz频率下使用所讨论的天线并使用低损耗的绝缘7，获得了70％-80％的效率以及与RFID电路的非常好的阻抗匹配，其输入阻抗是6-j200Ω。使用天线进行仿真，其尺寸在869MHz频率下小于60cm×60cm。

天线上的电路位置总是根据RFID电路的阻抗而大大改变。

图6示出了一种方式，其中在1/4线的开端2之前轻微馈电RFID电路4。使用该方法，可以减小阻抗(实部和虚部分量的比率几乎保持不变，但是矢量的长度变化了)。可以将相同的方法用于本发明提出的所有天线中，以匹配阻抗。

因为根据本发明的天线不需要通路，所以可以例如在平坦的塑料上制造天线，通过蚀刻或者生长在其上形成天线图案。可以将RFID电路连接到该结构。如果塑料足够薄(1mm-2mm)，那么它可以由滚筒直接加工。线可以是宽的，从而机器可以生产彼此平行的几个天线。在电路4附着之后，将宽结构切成部分(一片(web)的宽度是天线最终宽度的两倍)。最后，加热、折叠并切割该结构以形成单独的RFID转换器。如果塑料最初的厚度是1mm，那么形成天线以后绝缘的厚度将是2mm，根据仿真和测试这样将得到相当好的天线。也可以使用较厚的塑料，在这种情况下可改进天线的效率。因为可以从滚筒使得该过程的原材料整齐，并且可以使天线图案的生长或蚀刻连续，所以整个过程可以是连续的并且是足够经济的。还可以以这样的方式加工根据本发明的天线以使天线图像制作在薄塑料上，例如通过蚀刻。接着，将天线连接到RFID电路4并将该带切割成带。可以经过塑料片的边缘折叠该结构，以这种方式最终形成类以本发明所公开的天线。由于无需通路，所以可以相当经济地进行该加工。

本发明提出了一种方法，其中将RFID电路连接到平面折叠的天线。我们把该天线称为PAFFA。本发明提出了一种折叠天线，表面金属化层包含长度约为(2n-1)λ/4的传输线，其中n＝1，2，3，...。实际上，选择n＝1得到最佳结果。将RFID电路放置在该传输线的末端或其附近。还可以将电路平平地嵌入绝缘材料中。在RFID电路的另一端子处，安装nλ/2长的传输线，其终止于折叠；或者安装(2n-1)λ/4长的传输线，其终止于开放负荷(open load)。此外，以这样的方式成形天线以使传输线在电流最大点处宽且在电流最小点处窄。通过这种安排，我们能够减小天线的尺寸同时仍保持效率高。该天线与目前使用的设置在金属顶部的天线的最显著的区别是RFID电路不需要经过绝缘层电接地。

传输线3的长度指的是在本申请图中所示的传输线3的中间所画的线的长度。

实际上，还需要制造窄且长的结构，因此值得给出具有与上面提出的稍微不同的形状的结构。保持过程的原理，但是在本发明的这些替换方法中外表明显改变。图7-9示出了这些替换方法。图7示出了一种天线，其中从左手侧或者从上面弯曲塑料，从而在左手的上边缘或者在上边缘形成金属折叠1。从该折叠1到微电路的距离是λ/4+nλ/2。电路的另一侧(图中的上部)终止于开放线路2并且长度也可以是λ/4+nλ/2(n可以不同，n＝0，1，2，...)。

图8是一种结构，其中从左手边缘制造塑料中的折叠，并且金属传输线3以这样的方式被图案化以使导体从左手和右手的上侧行进到接地面1。现在可以进行两种替换：a)上部的线3是λ/4+nλ/2且下部是λ/2+nλ/2，如图9；或者b)都满足等式λ/4+nλ/2，如图9。当然，在所有单独的传输线中n都可以是任何值。仍然可以90度角折叠所有这些天线，如较低的右手图中所示。也可以其他方式将本发明公开的天线弯曲成不同的形状，而天线的性质没有特别变坏。折叠影响了辐射图案，从而应该在设计中对此进行考虑。

还可以用根据图10和11的结构来实现PAFFA天线。如果基底是金属层12，那么我们可以直接用它作为PAFFA的接地面。塑料片10(例如，聚乙烯)，其长度约为波长的一半，在图10和11的设置中放置在金属基底12的顶部上。在塑料10和金属层12的顶部上放置薄的天线叠层，它由绝缘层11和在其顶部的导电传输路径3形成。天线叠层从塑料片10的两侧相对金属基底12延伸大约波长的四分之一。应该注意的是，因为主要由于材料的介电常数不同导致它们中的光速不同，所以在天线叠层3直接在金属顶部上的区域与其在塑料顶部上的区域中波长可以不同。因为传输线3的波阻抗相对金属12小并且因为它的长度是波长的四分之一，所以在塑料10相对金属12的边缘会出现有效的短路。可以使用该设置以与下面的接地面接触。考虑到此，该天线类似在两侧都折叠的PFFA天线那样工作。如果下面的金属12的导电率特别低，那么有必要先用导电性非常好的金属层给它加一层表面，该金属层的厚度可以是大约1μm-10μm。

可以将电子电路，例如RFID电路连接到传输线3的末端，或者根据图4连接到传输线上合适的点。该位置由电子电路的阻抗决定。

还可以在两端或者从两侧折叠天线电路，虽然这种方式比单一折叠技术上更困难并实现上更昂贵。

Claims (7)

1.用于双端天线电路(4)的天线结构，其包括：

-在第一表面上的导电接地面(6)，

-在至少一个第二表面上的传输线(3)，该传输线经过天线结构的边缘中的折叠(1)连接到接地面(6)，从而该折叠用作主要磁场源，

-设置在第一和第二表面之间的绝缘层(7)，

其特征在于：

-所述双端天线电路(4)附着到天线结构的第二表面并从所述双端天线电路的第一天线端子连接到所述传输线(3)以及从所述双端天线电路的第二天线端子连接到第二传输线(3)或者折叠(1)。

2.根据权利要求1的天线结构，其特征在于连接到双端天线电路(4)的第一天线端子的传输线(3)的长度是λ*(2n-1)1/4，其中n＝1，2，3。

3.根据权利要求1或2的天线结构，其特征在于连接到双端天线电路(4)的第二天线端子的传输线(3)的长度是λ*n1/2，其中n＝0，1，2，3。

4.根据权利要求3的天线结构，其特征在于双端天线电路(4)的第二天线端子连接到折叠(1)，在这种情况下n＝0。

5.根据权利要求1或2的天线结构，其特征在于双端天线电路(4)的第二天线端子连接到传输线(3)，其长度是λ*(2n-1)1/4，其中n＝1，2，3。

6.根据权利要求1、2和4中的任一项的天线结构，其特征在于双端天线电路(4)是无源RFID电路。

7.根据上述权利要求中的任一项的天线结构用作RFID电路的天线。

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