CN101233532A

CN101233532A - 天线结构、转发器和制造天线结构的方法

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Publication number: CN101233532A
Application number: CN200680028176.1A
Authority: CN
Inventors: 阿希姆·希尔格斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2026-08-01
Also published as: US7663567B2; TW200715645A; CN101233532B; JP2009504062A; EP1913530B1; EP1913530A1; US20080316135A1; WO2007015205A1

Abstract

一种天线结构(106)，包括：具有第一端和第二端的第一导电元件(102)；具有第一端和第二端的第二导电元件(103)；以及耦合结构(104)，通过在第一端和第二端之间位置处电连接导电元件(102、103)，该耦合结构短接第一导电元件(102)与第二导电元件(103)，其中集成电路(105)可以连接在第一导电元件(102)的第一端与第二导电元件(103)的第一端之间。

Description

天线结构、转发器和制造天线结构的方法

技术领域

本发明涉及一种天线结构。

此外，本发明涉及一种转发器(transponder)。

最后，本发明涉及一种制造天线结构的方法。

背景技术

自动识别系统的重要性正在增加，尤其是在服务部门、物流领域、商业领域和工业生产领域中这种现象更明显。因而，自动识别系统在这些领域和其它领域中正得到越来越多地实施，并且在未来将很可能替代条形码系统。识别系统更进一步的应用涉及个人和动物的识别。

在具体的非接触识别系统中，例如像转发器系统，这些系统适合快速地执行数据的无线传输，而不需要可能令人烦恼的电缆连接。这些系统利用电磁波的辐射和吸收，特别是利用在高频区域中电磁波的辐射和吸收。具有低于大约800MHz操作频率的系统通常是基于线圈的电感耦合，借助电容器使系统达到谐振状态，因而这些系统只适合在可达一米的小距离范围内进行通信。

由于物理边界条件，具有800MHz和更高操作频率的转发器系统特别适合在几米的距离范围内进行数据传输。这些系统就是所谓的长距离RFID系统(“射频识别”)。区分两种类型的RFID系统，即有源RFID系统(具有它们自己的电源器件，例如包含电池)和无源RFID系统(其中，根据由天线吸收的电磁波获得电源，其中通过在RFID系统中包含的整流子电路，整流在天线中合成的交流，用于产生直流)。此外，可以使用半有源(半无源)系统，该系统以无源地方式被激活，并在需要时使用电池(例如，用于发射数据)。

转发器或RFID标签包括半导体芯片(具有集成电路)，在半导体芯片中可以编程和重写数据，还包括高频天线，该高频天线与所使用的操作频带(例如，在美国902MHz至928MHz的频带，在欧洲863MHz至868MHz的频带，或其它ISM-频带(“工业、科学及医疗专用频带”)，例如2.4GHz至2.83GHz)相匹配。除RFID标签之外，RFID系统还包括读出设备和系统天线，该系统天线能够在RFID标签与读出设备之间实现双向的无线数据通信。另外，可以使用输入/输出设备(例如，计算机)控制读出设备。

半导体芯片(IC，集成电路)直接被耦合(例如，通过引线接合、倒装片封装)到高频天线，或者作为SMD(“表面安装器件”)器件(例如，TSSOP实例，“薄缩小外型封装”)被安装到高频天线。半导体芯片和高频天线被设置在载体基底上，载体基底可以由塑料材料制成。该系统也可以被制造在印刷电路板(PCB)上。

为了提高这种转发器的效率，应使用有效的天线。此外，在天线与半导体芯片之间的能量反射应当尽可能地小。这可以通过使半导体芯片的电磁特性与天线的电磁特性相匹配来实现。如果半导体芯片的阻抗值Z _chip是天线阻抗值的复共轭Z _ant，就可以发送最大量的功率：

Z _chip＝Z _ant (1)

R_chip+jX_chip＝R_ant-jX_ant (2)

在方程式(2)中，R_chip表示半导体芯片的欧姆电阻，j是虚数，X_chip是半导体芯片的(感性或容性)电抗。R_ant表示天线的欧姆电阻，X_ant是天线的(感性或容性)电抗。

从方程式(1)和(2)中可以看出，对于合适的阻抗匹配，半导体芯片和天线的复数阻抗的实部的绝对值应当相等，复数阻抗的虚部的绝对值应当恒等，其中半导体芯片的电抗应当是天线电抗的复共轭。

根据半导体芯片的制造工艺，半导体芯片的阻抗通常受容性作用的控制，即，虚部X_chip通常是负的。因此，对于有效的转发器天线设计，天线的电抗应当受感性作用的控制，即，电抗X_ant应当为正，它的绝对值应当等于半导体芯片的阻抗的虚部。如果是这种情况，并且如果满足了两个实部R_chip和R_ant相等的条件，那么能实现有效的功率匹配，并可以获得在半导体芯片与天线之间的高能传输。这样，对于有效的天线设计，天线阻抗的实部和虚部应当与半导体芯片的给定阻抗相匹配。

发明内容

现在，本发明的目的是提供一种允许宽带操作的天线结构。

为了实现上面限定的目标，提供了根据独立权利要求的一种天线结构、一种转发器和一种制造天线结构的方法。

根据本发明的示例性实施例，提供了一种天线结构，该天线结构包括具有第一端和第二端的第一导电元件；具有第一端和第二端的第二导电元件；和耦合结构，通过电连接在第一和第二端之间位置上的导电元件，该耦合结构短接第一导电元件与第二导电元件，其中集成电路可以连接在第一导电元件的第一端与第二导电元件的第一端之间。

根据本发明的其它示例性实施例，提供了一种转发器，该转发器包括基底，具有上述特征的天线结构，该天线结构被配置在基底上和/或基底中，还包括集成电路，该集成电路被连接在第一导电元件的第一端与第二导电元件的第一端之间。

仍根据本发明的其它示例性实施例，提供了一种制造天线结构的方法，该方法包括步骤：设置具有第一端和第二端的第一导电元件，设置具有第一端和第二端的第二导电元件，通过借助耦合结构电连接在第一和第二端之间位置上的导电元件，短接第一导电元件与第二导电元件，并适配这些导电元件，以使在第一导电元件的第一端与第二导电元件的第一端之间可连接集成电路。

根据本发明描述的特征尤其具有以下优点：由于本发明的天线结构可以在宽范围的操作频率内灵活地操作，因此提供了一种特别适合用于RFID转发器(“射频识别标签”)的天线结构。具体地，这个优点可以从所提供的耦合结构中获得，该耦合结构短接了天线结构的两个导电元件。通过灵活选择这种短接的位置和/或几何特性和/或它与导电元件特性的关系，可以获得宽带功能。

本发明的一种示例性实施例涉及一种适于RFID应用的天线配置，特别是适于应用在800MHz以上的频率范围中。这种标签或天线设计显示了与给定转发器芯片相匹配的宽带阻抗。因此，根据本发明示例性实施例的标签/天线结构对抵御在转发器近场中边界条件的变化很稳健。

天线的输入阻抗尤其取决于在天线自身近场区域内的直接耦合。换句话说，当天线的直接近场区域发生改变(例如，在这个区域中出现其它物体)时，这对天线的输入阻抗具有反馈，以使天线的谐振频率发生偏移，从而影响了包含这种天线的转发器的整体性能。具体地，与宽带解决方案相比较，窄带天线或转发器的配置具有明显的缺陷。

按照前面所述的考虑，本发明的一种示例性实施例涉及一种转发器或天线设计，它们对在天线的直接近场区域内环境特性的变化相对稳健。通过对给定芯片阻抗的宽带调整，在天线谐振频率上的偏移就不会对天线的功能产生负面影响。

因而，本发明的一个实施例涉及一种RFID标签的天线，特别是涉及一种宽带RFID转发器。为此目的，根据本发明的示例性实施例，提供了具有两个导体(优选为不同长度)的折叠偶极子天线，这些导体在距天线连接点的特定距离处被短接。

所述偶极子天线的一个期望特性是适当(proper)匹配如前面所述的RFID标签的集成电路。因此，所述导体在距天线连接点的预定距离处被短接。另外，所述导体可以具有不同的长度。通过改变两个导体的几何参数，可以在较宽的频率范围内使阻抗匹配，这可以使RFID标签对环境变化产生很高的抵抗力，此外，这两个导体可以彼此平行。

这两个导电元件的连接可以被实现为DC短接(也就是直接电连接)、或AC短接(也就是借助电容耦合或电断开)。

更多的调整参数是选择在导电元件环境中的介质材料。通过调整在导电元件附近的介电常数，就可以影响天线结构的阻抗，例如使天线阻抗与芯片阻抗相匹配。为此目的，可以相应地选择基底的材料。例如，对于在其中或其上部提供有导电元件的基底，该基底的不同部分可以由不同的介质材料制成。

为了调整天线结构的材料和/或几何参数，以便实现阻抗匹配，可以执行有限元件分析或任何其它的数值分析。

参考从属权利要求，将描述本发明更多的示例性实施例，这些实施例也适用于转发器和制造天线结构的方法。

根据本发明的示例性实施例的天线设计，可以断开第一导电元件的第二端和第二导电元件的第二端。换句话说，集成电路(IC)可以桥接或可跨接第一端，其它端可以免于任何的电耦合。

第一导电元件和第二导电元件可以实质上被实现为条型(stripeshaped)元件，这些条型元件实质上彼此平行地排列。因此，天线结构可以由两个平行对准的布线条来形成，在一端，可以通过IC连接布线条，在它们的另一端，可以电隔离布线条。

第一导电元件和第二导电元件可以实质上被实现为条型元件，这些条型元件具有不同的长度。换句话说，这两个条型导电元件中的一个导电元件的延伸可能大于另一个导电元件。这种与适当选择的耦合结构配置相结合的不对称配置，可以支持合适的阻抗匹配。

天线结构的耦合结构可以适于欧姆耦合第一导电元件与第二导电元件。换句话说，耦合结构可以是在两个导电元件之间的电连接，因此这两个导电元件是对直流(DC)的短接。换句话说，对于直流，这个实施例的耦合结构充当短接电路(short circuit)。

可替换地，耦合结构可以适于电容耦合第一导电元件与第二导电元件。根据这种配置，该耦合结构具体充当对流过天线结构的电流高频分量的短接电路，从而提供了对交流(AC)的短接电路。

仍然参考所描述的实施例，耦合结构可以通过实现电容器来实现，也就是通过连接在两个导电元件之间作为分立电子器件的电容器来实现。例如，这种电容器可以被实现为表面安装器件(SMD)。

仍然参考通过电容耦合元件实现耦合结构的实施例，该耦合结构可以被实现为多个金属化结构，这些金属化结构在水平和/或垂直方向上(相对于介质基底)彼此间隔一定距离进行排列。具体地，该耦合结构可以包括用这种方式彼此重叠的两个部分，即，使重叠部分形成电容。根据所述的实施例，垂直堆叠层被配置在重叠部分的基底上和/或基底中，其中在重叠部分之间的中间层可以使用具有足够高值的相对电容率ε_r的材料制成。这可以导致电容值的增加。通过形成中间层，使中间层具有足够小的厚度，就可以实现电容值的进一步增加。

作为所描述的实施例的替换，金属化结构和介质材料可以在与基底的主表面平行的平面内重叠，在该基底的主表面上形成了天线结构。基底的主表面可以被限定为在其中或其上提供有天线结构的基底表面。具体地，断开部分可以具有直线或非直线的形状，像曲折式、螺线形等形状。断开部分也可以具有任何其它的几何形状。断开部分的长度越长，所得到的电容器就越高，电容耦合也就越显著。

通过提供像交叉指型(interdigitated)结构的金属化结构，就可以获得类似曲折式的结构，例如，该交叉指型结构具有彼此联锁的指状结构。通过提供具有螺旋形的金属化结构的端(end)特性，就可以实现螺旋形的连接区域，其中这样建立的两个螺旋形被嵌入在彼此内部。

根据本发明的其它示例性实施例，该天线结构可以包括在不同的多个金属化结构之间的介质材料。通过采用这种措施，可以增强器件的电容耦合。该介质材料可以是高介电值(high-k)材料(例如，氧化铝，Al₂O₃)，也就是具有高介电常数值的材料。该介电常数材料也可以是铁电体材料或半导体材料，也就是具有小于金属导电性的导电性材料。

可以配置导电元件的材料和/或尺寸，以使天线结构的阻抗值实质上等于集成电路阻抗的复共轭。通过这种阻抗匹配，可以最优化在集成电路与天线之间的功率传输。根据本发明的实施例，通过简单地调整天线结构的尺寸，就可以实现阻抗匹配。这提供了足够自由度的集成电路设计，因此，为了优化阻抗匹配，就可以调整这些参数，而不需要附加的元件。

具体地，天线结构可以被实现为折叠偶极子天线。这种折叠偶极子天线实质上可以具有不同长度的两个平行对准的条的形状，这些条通过集成电路被连接成某种U字形。

在下文中，将解释转发器的示例性实施例。然而，这些实施例也适用于天线结构和制造天线结构的方法。

转发器可以被实现为射频识别标签(RFID)或智能卡。

RFID标签可以包括半导体芯片(具有集成电路)，在该芯片中可以编程和重写数据，还包括高频天线，该高频天线与所使用的操作频带(例如，13.56MHz，或在美国902MHz至928MHz的频带，在欧洲863MHz至868MHz的频带，或其它ISM-频带(“工业、科学及医疗专用频带”)，例如2.4GHz至2.83GHz)相匹配。除RFID标签之外，RFID系统可以包括读/写设备和系统天线，该系统天线能够在RFID标签与读/写设备之间实现双向的无线数据通信。另外，可以使用输入/输出设备(例如，计算机)控制读/写设备。区分有不同类型的RFID系统，即有源RFID系统(具有它们自身的电源设备，例如包含电池)和无源RFID系统(其中，根据分别由线圈和天线吸收的电磁波来实现电源，其中通过在RFID系统中包含的整流子电路，可以整流在天线中合成的交流，用于产生直流)。此外，可以是半有源(半无源)系统，该系统是以无源方式被激活，并在需要时使用电池(例如，用于发送数据)。

智能卡或芯片卡可以是微型安全保密处理器，该处理器被嵌入在信用卡大小的卡内或甚至更小的卡内，诸如GSM卡。智能卡通常不包含电池，但通过卡的读写器来提供电源，也就是，使用该读和/或写设备从智能卡中读取数据或在智能卡中写入数据，从而控制智能卡的功能。智能卡设备通常被应用在金融、安全访问和运输领域。智能卡可以包含高安全性的处理器，这些处理器作为数据的安全存储装置，该数据是诸如持卡人数据(例如姓名、账号、收集忠诚度数量)。只有在卡被插入到读/写终端时，才可以访问这些数据。

接着，将描述制造天线结构的方法的示例性实施例。然而，这些实施例也适用于天线结构和转发器。

根据该方法的示例性实施例，可以配置导电元件的材料和/或尺寸，以使天线结构的阻抗值实质等于集成电路阻抗的复共轭。术语“阻抗匹配”具体表示使集成电路的阻抗与折叠偶极子天线的阻抗相匹配，以便最优化在集成电路与折叠偶极子天线之间的能量传输。

更具体地，通过调整耦合结构连接这些导电元件的位置，就可以使天线结构的阻抗值实质等于集成电路阻抗的复共轭。在这两个导电元件之间的短接位置，可以显著影响天线结构的阻抗，并因此可以充当敏感参数，用于调制系统的阻抗。

具体地，第一导电元件和第二导电元件可以实质上被实现为条型元件，这些元件实质彼此平行地进行排列，通过调整由宽度、长度和距离组成的集合中的至少一个参数，可以使天线结构的阻抗值实质上等于集成电路阻抗的复共轭，该宽度是导电元件和耦合结构中的至少一个的宽度，该长度是导电元件中的至少一个导电元件的长度，该距离是在导电元件之间的距离。电路设计师可以容易地修改这些几何参数，这些参数对天线阻抗具有显著的影响，因此可以作为合适的参数，同样用于调整集成电路的阻抗。

从下文描述的实施例的实例中，将很明显得到上面所限定的方面和本发明的其它方面，这些限定的方面和本发明的其它方面将参照实施例的这些实例进行说明。

附图说明

在下文中将参考实施例的实例对本发明进行更具体的描述，但本发明并不局限于这些实例。

图1显示了根据本发明示例性实施例的RFID标签的平面图；

图2显示了根据本发明示例性实施例的其它RFID标签的平面图；

图3显示了描述根据本发明示例性实施例的优化宽带RFID天线阻抗的实部和虚部以及散射参数的视图；

图4描述了非优化宽带RFID天线阻抗的实部和虚部以及散射参数；

图5描述了天线阻抗、实部和虚部的相对变化、以及中频的相对偏移，该相对偏移是作为在第一导电元件的第一端与第一导电元件被耦合到耦合结构的位置之间长度的函数；

图6描述了天线阻抗、实部和虚部的相对变化、以及中频的相对偏移，该相对偏移是作为在两个条型导电元件之间的距离的函数；

图7描述了天线阻抗、实部和虚部的相对变化、以及中频的相对偏移，该相对偏移是作为耦合结构的宽度的函数；

图8描述了天线阻抗、实部和虚部的相对变化、以及中频的相对偏移，该相对偏移是作为在第二导电元件的第二端与耦合结构连接第二导电元件的位置之间距离的函数；

图9描述了天线阻抗、实部和虚部的相对变化、以及中频的相对偏移，该相对偏移是作为条型第二导电元件的宽度的函数；

图10描述了天线阻抗、实部和虚部的相对变化、以及中频的相对偏移，该相对偏移是作为在第一导电元件的第二端与第一导电元件耦合到耦合结构的位置之间长度的函数；

图11描述了天线阻抗、实部和虚部的相对改变、以及中频的相对偏移，该相对偏移是作为条型第一导电元件的宽度的函数；

图12显示了被实现为多个金属化结构的耦合结构的横截面图，这些金属化结构在垂直方向上彼此间隔一定距离进行排列；

图13显示了被实现为多个金属化结构的耦合结构的平面图，这些金属化结构在水平方向上彼此间隔一定距离进行排列；

图14描述了被实现为多个金属化结构的耦合结构，这些金属化结构在水平方向上彼此间隔一定距离进行排列。

附图中的描述是示意性的。在不同附图中，使用相同的参考标记表示相似或相同的元件。

具体实施方式

下文中，将参考图1，描述根据本发明第一示例性实施例的RFID标签100。RFID标签100包括塑料基底101、设置在塑料基底101上的天线结构106、和集成电路(IC)105。

天线结构106包括第一导电元件102，该第一导电元件具有第一端(end)和第二端。此外，设置了第二导电元件103，该第二导电元件具有第一端和第二端。在天线结构106的第一导电元件102的第一端与第二导电元件103的第一端之间连接有IC 105。提供了欧姆短接元件104，即另一个电连接元件，用于将第一导电元件102与第二导电元件103接成电路，该欧姆短接元件104在导电元件102、103的第一端和第二端之间的可调整位置处连接导电元件102、103。

集成电路105可以是硅芯片片，也就是由硅晶元制成的电子芯片，该芯片具有在其中集成的电路。集成电路105可以具有RFID标签的集成电路的典型特征，例如接收和处理命令以及用于产生响应的能力。此外，集成电路105可以提供例如整流功能的功能。

正如在图1中可以看到的，第一导电元件102的第二端和第二导电元件103的第二端各自被断开。此外，第一导电元件102和第二导电元件103被实现为实质上条型的元件，这些元件实质上彼此平行地排列。这两个导电元件102和103具有不同的长度。第一导电元件102具有长度l₀+l₁，而第二导电元件103具有长度l₀+l₂。在从连接点l₀到集成电路105的距离上，提供了欧姆短接元件104，该欧姆短接元件实质与导电元件102、103的延伸方向垂直，用于使导电元件102、103接成电路(circuit)。条型第一导电元件102的宽度被表示为w₁，其中第二导电元件103的宽度被表示为w₂。欧姆短接元件104的宽度被表示为w₀。在这两个条型元件102、103之间的距离被表示为d₀。

导电元件102、103的材料和尺寸以及塑料基底101的材料被配置成，使天线结构106的阻抗值实质等于集成电路105的阻抗复共轭，从而实现合适的阻抗匹配。

天线结构106是由导电金属化元件构成(例如由铜、金、银、铝等、对应的合金或超导材料制成)，这些金属化元件被设置在塑料基底101上，该塑料基底充当载体材料。可替换地，基底101可以由任何陶瓷、具有嵌入陶瓷微粒的塑料等材料制成，特别是由具有介电常数值ε_r≥1和/或磁化率μ_r≥1的材料制成。通过使用合适的多层技术，可以在基底101上沉积(deposite)金属化物，或者可以将金属化物嵌入基底101中。使用例如蚀刻、碾磨、丝网印刷、压纹或粘附技术等常规技术，就可以实现金属化，可以将金属化沉积和图案形成在基底101上。

通过将所述天线结构106的第一端连接到RFID转发器半导体105，可以形成转发器100。这可以通过常规的方法和技术来实现(例如SMD、接合、倒装片等)。

图1显示了天线的原理和物理结构。金属天线结构102、103被沉积在载体材料101上，也可替换地被沉积在印刷电路板等上。在对应的天线连接处接触半导体芯片105。

在下文中，将参考图2，描述根据本发明第二示例性实施例的RFID标签200。RFID标签200与RFID标签100之间的主要差异在于使用电容器202替换欧姆短接元件104。电容器202通过短接元件201被连接到导电元件102、103，从而形成天线结构203。与欧姆耦合相比，正如图1中的实例，图2的配置实现了两个导电元件102、103的电容耦合。换句话说，结构104可以被认为是对DC电流的短接结构，其中图2中显示的结构201、202可以被认为是对AC电流的短接结构，特别是在足够高频的情况下。

在下文中，将参考图3描述框图300，该框图300描述了图1中显示的RFID标签100的宽带功能。沿着框图300的横坐标301，描绘了以MHz为单位的频率。沿着纵坐标302，描绘了以dB为单位的散射参数s₁₁(参见第一曲线)，以及(优化的)宽带RFID天线106的输入阻抗Z _ant＝R_ant+j*X_ant的虚部X_ant(参见第二曲线304)和实部R_ant(参见第三曲线305)。散射参数s₁₁是一种表示源极(这里天线106)是如何被合适地适配到漏极(这里芯片105)的度量。在数学式上，它被定义为如下内容：

s₁₁＝10log(abs((Z _chip-Z _ant)/(Z _chip+Z _ant ^*))

其中Z _ant ^*是Z _ant的复共轭，“abs”是绝对值。上面公式涉及功率，而：

s₁₁＝20log(abs((Z _chip-Z _ant)/(Z _chip+Z _ant ^*))涉及电压和电流。

图3目前显示了宽带RFID转发器的典型输入参数。天线106以这样的方式被计量尺寸(dimension)，即，使天线106在915MHz频率上与近似(15-j*270)Ω的阻抗的给定芯片105相匹配。

因此，915MHz的“中频”对应于美国UHF频段(902MHz至928MHz)的中心或中央部分。通过彼此接近的两个单谐振，产生输入阻抗匹配的宽带特性(由s-参数来反映)。这可以从天线不对称(涉及中频)的谐振曲线中看到，这是由于轻微改变增加在920MHz和960MHz之间区域中的天线阻抗的虚部而引起的。单谐振的不同强度在不同匹配中具有它的起源(origin)，也就是说较低的谐振更强，这是由于它得到更好地匹配。较高的谐振不太明显。

在下文中，将参考图4描述框图400，框图400描述了非优化天线的宽带功能。沿着框图400的横坐标401，描绘了以MHz为单位的频率。沿着纵坐标402，描绘了以dB为单位的散射参数s₁₁(参见第一曲线403)，以及非优化天线的输入阻抗Z _ant＝R_ant+j*X_ant的虚部X_ant(参见第二曲线404)和实部R_ant(参见第三曲线405)。

在下文中，将描述根据本发明示例性实施例的宽带RFID转发器100的示例性优化参数。

根据本发明的示例性实施例的天线106的几何配置提供了多个参数，这些参数允许修改天线106的性状(behavior)，以及/或者使天线106的形状适应给定条件。重要的方面，也就是可以被优化的方面，是：

-使天线106的输入阻抗Z _ant与转发器半导体Z _chip的输出阻抗适配，以便减少或最小化这两个元件之间的反射；

-使天线106的辐射效率最大化，

-使天线106与IC 105进行阻抗匹配，该阻抗匹配应当尽可能是宽带。

在下文中，将论述天线设计的不同参数，并描述为了允许快速的天线适配，这些参数的变化对输入特征(s₁₁、R_ant、X_ant)的影响。

正如已经描述过的内容，天线阻抗是由两个接近设置(closelylocated)的单谐振组成，这实质上是由两部分的导电元件102、103产生的。第一谐振是由在芯片105与短接元件104(具有近似的长度2l₀+d₀)之间的部分产生的。第二谐振是由在它的自由端与短接元件104(具有长度l₂)之间的第二导电元件103部分产生的。

通过改变天线106的尺寸，可以实现天线阻抗Z _ant与转发器芯片阻抗Z _chip的匹配。对于下面的参数修改，是参考图1实现的。换句话说，修改参数l₀、w₀、d₀、l₁、w₁、l₂和w₂。当然，除这些参数之外，可以实现另外的多个天线修改，这也可以对天线特性具有影响。也可以同时修改特殊的参数组合，这也可以对天线特性具有影响。因此，下面描述只涉及一种示例性参数修改的选择。该论述主要涉及一些特定的特性参数，这些参数允许可以同时或彼此独立地修改天线阻抗Z _ant(实部R_ant和虚部X_ant)的不同分量，以便允许与期望的芯片阻抗进行适配。

此外，该参数修改可以被局限于与上述单谐振相关的两个部分方面。在这个上下文中，产生第一谐振的结构也可以被认为是折叠偶极子的一种特殊形式，产生第二谐振的结构可以被认为是单极天线的一种特殊形式。这两种天线结构的组合可以具有RFID天线106的特殊宽带谐振频谱的效果，这两种天线结构是与使用结构l₁实现的耦合结构相结合。

在下文中，将描述对于RFID标签100的各种参数，如何修改天线结构106，以便获得天线阻抗Z _ant与集成电路105的阻抗Z _chip的匹配。

接着，将描述修改长度l₀的影响，该长度l₀也就是在第一导电元件102的第一端与提供欧姆短接元件104的导电元件102的位置之间的距离。长度l₀也可以被限定为在第二导电元件103的第一端与连接欧姆短接元件104的导电元件103的位置之间的距离。

假定所有的其它参数保持不变，在图5所示的框图500中描绘了天线阻抗Z _ant的特征和中频Δf的偏移。沿着框图的横坐标501，描绘了以毫米为单位的长度l₀。沿着纵坐标502，描绘了长度l₀的修改对于中频Δf偏移的影响，以及阻抗Z _ant的实部R_ant和虚部X_ant修改的相关性。第一曲线503描绘了实部R_ant的变化，第二曲线504显示了虚部X_ant的变化，第三曲线505描述了中频Δf的偏移。

从图5中可以看到，天线阻抗Z _ant的实部R_ant和虚部X_ant实质上与长度l₀的修改成比例相关。实部R_ant显示出比虚部X_ant稍微更强的相关性。

用于修改天线结构106的另外参数是距离d₀，d₀也就是在条型导体102、103之间的距离。这个参数可以对在天线结构106的金属化部分之间的电容耦合具有强烈影响。因此，这种耦合可以被用于修改天线阻抗Z _ant，并可以用于使天线阻抗Z _ant与芯片阻抗Z _chip相匹配。当减少距离d₀时，会增加在天线106的第一和第二金属化结构102、103之间的电容耦合。这就得到复数天线阻抗Z _ant的实部R_ant可以受电容特性的控制，而不是受电感特性的控制的结果，这样，实部R_ant变得更小。由于X_ant的变化，中频也可以作为d₀的函数发生偏移。比较天线阻抗Z _ant的实部R_ant和虚部X_ant的相对变化，可以认识到实部R_ant要比虚部X_ant对距离的变化更敏感(例如两倍的因子)。

在图6所示的框图600中描述了所描述的特征。沿着横坐标601，描绘了以毫米为单位的长度d₀，沿着框图600的纵坐标602，描绘了天线阻抗Z _ant的实部R_ant和虚部X_ant以及中频Δf的偏移。第一曲线603涉及阻抗Z _ant的实部R_ant，第二曲线604涉及阻抗Z _ant的虚部X_ant，第三曲线605涉及中频Δf的偏移。

与长度l₀的修改对比，耦合距离d₀的修改所具有的优点是，可以以更强的方式影响天线阻抗Z_ant的实部R_ant。

除了所论述的沿着由部分长度l₀和l₁限定的相对金属结构102、103的整个长度，恒定地适配耦合距离d₀之外，也可以适合沿着延伸l₀和l₁来改变耦合距离，以便可以使距离d_x沿着长度l₀+l₁而不同。例如，沿着长度l₀的耦合距离d₁可以不同于沿着长度l₁的耦合距离d₂。

期望具有这样一种参数，该参数只对一种天线特性具有显著的影响，但不会影响其它特性。这种参数就是短接结构104的宽度w₀，将在下文对它进行论述。

当这种结构的宽度w₀被修改时，这对天线阻抗Z _ant的实部R_ant具有强烈影响。然而，在这种修改情况下，天线阻抗Z _ant的虚部X_ant几乎保持不变。

图7中显示了相应的图形描述。图7中所描绘的框图700显示出，沿着横坐标701，作为参数的欧姆短接元件104的宽度w₀。沿着纵坐标602，描绘了天线阻抗Z _ant的实部R_ant和虚部X_ant以及中频Δf的偏移。具体地，第一曲线703显示了对天线阻抗Z _ant的实部R_ant的强烈影响，其中第二曲线704和第三曲线705显示出对w₀相对小的影响和相关性，该第二曲线704描述了阻抗Z _ant的虚部X_ant，第三曲线705描述了中频Δf的偏移。

这样，欧姆短接元件104的宽度w₀提供了只选择调整天线阻抗Z _ant的实部R_ant的机会。换句话说，可行的设计优化是通过改变长度l₀和/或耦合距离d₀，对天线阻抗Z _ant的虚部X_ant进行适配。在进一步的步骤中，通过修改宽度w₀，可以使天线阻抗Z _ant的实部R_ant与天线阻抗Z _chip的实部R_chip达到适配。

在下文中，将论述单极天线的参数修改。除长度l₀之外，用于配置天线中频的合适参数可以是长度l₂。图8中显示了修改长度l₂对天线输入参数的影响，该天线输入参数是作为长度l₂的函数。

图8描述了具有横坐标801的框图800，沿着横坐标801，描绘了以毫米为单位的长度l₂。沿着框图800的纵坐标802，描绘了天线阻抗Z _ant的实部R_ant和虚部X_ant以及中频Δf的偏移。第一曲线803显示了阻抗Z _ant的实部R_ant，第二曲线804描述了阻抗Z _ant的虚部X_ant，第三曲线805显示了频率偏移Δf。

与宽度w₀相似，修改配合(fit)参数l₂具有的优点是，可以选择只修改阻抗Z _ant的虚部X_ant。从图中可以看到，虚部X_ant保持几乎不变(等于长度l₀≈145mm)。与上面描述的特征(宽度w₀的修改)对比，可以认识到实部R_ant真正的变化(在130mm≤l₂≤150mm之间的区域)实质上比较小，大约近似2倍。通过调整宽度w₀，这可以用于粗略调整实部R_ant。在进一步的步骤中，可以通过调整长度l₂进行精细调谐。

为了修改复数天线阻抗Z _ant的两个部分(R_ant，X_ant)，可以适配单极金属化的宽度w₂。当修改这个参数时，应当考虑到并没有对称地进行修改。换句话说，当改变宽度w₂时，距离d₀保持不变。这意味着，通过修改宽度w₂，并没有明显修改在导电元件102、103以及长度l₁之间的耦合。

图9中所示的框图900显示了修改宽度w₂对天线特性的影响。沿着横坐标901，描绘了以毫米为单位的宽度w₂，沿着纵坐标902，描绘了天线阻抗Z _ant的实部R_ant和虚部X_ant以及中频Δf的偏移。第一曲线903涉及天线阻抗Z _ant的实部R_ant，第二曲线904涉及天线阻抗Z _ant的虚部X_ant，第三曲线905涉及中频Δf的偏移。

实部和虚部显示了相反特征。当宽度w₂增加时，实部R_ant会增加，而阻抗Z _ant的虚部X_ant却减少。为了实现期望的天线阻抗Z _ant，因而可以使用这个特征(除已经提到的修改之外)。

接着，将论述耦合结构104的参数修改。正如已经描述的，为了使天线阻抗Z _ant与需要的芯片阻抗Z _chip相匹配，可以使用在天线的金属化结构部分之间的电容耦合。通过与单极平行的金属化，尤其可以修改单极的耦合。在这个上下文中，长度l₁和宽度w₁是特别重要的。

首先，将论述长度l₁对天线阻抗Z _ant的影响。图10中所示的框图1000显示了相应的相关性。

图1000具有横坐标1001和纵坐标1002，沿着横坐标1001，描绘了长度l₁，沿着纵坐标1002，描绘了天线阻抗Z _ant的实部R_ant和虚部X_ant以及中频Δf的偏移。从图1000中可以看到，虚部X_ant保持几乎不变，而实部R_ant强烈地依赖于耦合长度l₁。图10显示了独特的特性：当增加长度l₁时，实部R_ant增加到最大值，而当长度l₁进一步增加时，实部R_ant又减少。为了具有相对的宽带匹配，可以调整长度，以使操作状态接近图10中曲线1003的最大值。

其次，将论述修改金属化宽度w₁对天线特性的影响。当修改这个参数时，应当注意到并没有对称地进行修改。换句话说，通过宽度w₂的改变，距离d₀保持不变。这又意味着宽度w₁的修改并没有明显改变在导电元件102、103的各自长度l₁之间的耦合。

图11中所示的图1100描述了相应的特征。沿着横坐标1101，描绘了以毫米为单位的宽度w₁，沿着纵坐标1102，描绘了天线阻抗Z _ant的实部R_ant和虚部X_ant以及中频Δf的偏移。

第一曲线1103显示了天线阻抗Z _ant的实部R_ant的特征，第二曲线1104显示了天线阻抗Z _ant的虚部X_ant的特征。第三曲线1105显示了中频偏移Δf与宽度w₁的相关性。

在图11中可以看到，实部R_ant和虚部X_ant显示出在很小宽度下的不同特征。相关的变化是相反的，这意味着如果虚部X_ant减少，实部R_ant会增加。这种情况在宽度w₁等于大约2mm时出现。如果宽度w₁进一步增加，两个曲线将显示相同的相关性，并减少相应的值。

在下文中，将描述天线设计的更多示例性实施例。例如，系统可以被适用于使用不允许欧姆短接电路104的半导体元件。作为转发器半导体的内部结构(设计)的结果，有些IC可能不与包含电子(DC)短接电路(例如折叠偶极子或环形天线)的天线结构相连。这是由于这种电路可能对半导体的直流电压电源具有负面影响，转发器将不能工作的事实造成的。为了解决这种问题，可以使用如图2中所示的电容耦合，替换图1中天线设计的欧姆短接电路104。这就为高频信号提供了有效的“短接”(也就是耦合将尽可能的大)，其中直流部分不可以通过这种电容耦合(也就是具有最小损耗和非常高的隔离)。这可以使用不同技术来实现。一种可行的技术是使用电容器202来替换电子欧姆短接电路104，例如使用SMD元件(表面安装器件)。可替换地，可以使用电容耦合结构来替换电子或欧姆短接电路104，例如使用以水平和垂直的方式彼此间隔一定距离排列的金属化结构。

此外，可以使用特定材料来修改该耦合。正如所显示的，为了使天线Z _ant的阻抗与IC的特定芯片阻抗Z _chip相匹配，通过改变在天线的金属化结构部分之间的电子或电容耦合，就可以修改天线的阻抗Z _ant。这尤其可以通过改变在金属化结构之间的距离来实现。另外或可替换地，为了提高电容耦合，可以使用具有相对介电常数值ε_r＞1的材料，填充在金属化耦合结构之间的间隙。此外，可以在载体材料中嵌入耦合结构部分，以便增加ε_r的“有效”值，这是由于这种情况下导电材料被嵌入在具有介质特性的载体材料中。

在下文中，将参考图12至图14，论述金属化结构的几何配置的实例，这些金属化结构被配置为彼此间隔一定距离进行排列，以便形成电容耦合结构。

图12显示了根据本发明实施例的天线结构的电容耦合结构1200的横截面图，其中耦合结构的第一金属化结构1202被提供为在载体基底1201上沉积的金属化层。使用具有相对高的介电常数值ε_r的介电层1204，覆盖第一金属化结构1202，这样就形成了对第一金属化结构的保护层，同时提供了用于在随后(following)形成电容器的电容介质。在介电层1204的部分上和在重叠第一金属化结构1202的部分上，通过沉积导电材料层来形成第二金属化结构1203，这样就实现了在层顺序1202至1204的重叠部分中形成电容器。根据图12，第一金属化结构1202、介电层1204和第二金属化结构1203在垂直方向上重叠。接着，参考图13，将描述根据本发明其它实施例的天线结构的电容耦合结构1300。

在图13中，显示了根据本发明其它实施例的天线结构的电容耦合结构1300的平面图。使用邻近第二金属化结构1302的第一金属化结构1301，构成电容耦合结构1300。在这个邻接部分中，第一金属化结构1301具有多个第一指状结构1301a，第二金属化结构1302具有多个第二指状结构1302a。第一指状结构1301a和第二指状结构1302a被配置为形成交叉指型结构，以便获得曲折式的电容耦合部分1303。根据曲折式电容耦合部分的可替换结构，可以采用将它们沿着图13的垂直方向排列，从而形成交叉指型结构的方式，来提供第一和第二金属化结构1301和1302的指状结构。根据这个可替换的曲折式配置，第一和第二金属化结构实质上沿着图13的水平方向排列。

参考图14，描述了根据本发明其它实施例的折叠偶极子天线的电容耦合结构1400。正如在图14的平面图中的显示，电容耦合结构1400具有第一金属化结构1401和第二金属化结构1402。第一金属化结构1401和第二金属化结构1402形成断开的折叠偶极子天线结构。在第一金属化结构1401的端部分，显示了第一螺旋形结构1401a。此外，在第二金属化结构1402的端部分，显示了第二螺旋形结构1402a。第一螺旋形结构1401a和第二螺旋形结构1402a使用下述方式被电容耦合，即，提供了螺旋形电容耦合部分1403，该螺旋形电容耦合部分用于将第一金属化结构1401与第二金属化结构1402进行电容耦合。

最后，应当注意术语“包括”并不排除其它元件或步骤，“一”或“一个”并不排除复数。另外，可以组合与不同实施例相联系的描述元件。应当注意到，权利要求书中的参考标记将不被解释为是限制该权利要求书的范围。

Claims

1.一种天线结构(106)，包括：

-第一导电元件(102)，它具有第一端和第二端，

-第二导电元件(103)，它具有第一端和第二端，

-耦合结构(104)，通过在第一端和第二端之间的位置处电连接导电元件(102、103)，所述耦合结构短接第一导电元件(102)与第二导电元件(103)，

-其中集成电路(105)可连接在第一导电元件(102)的第一端与第二导电元件(103)的第一端之间。

2.根据权利要求1的天线结构(106)，其中，第一导电元件(102)的第二端和第二导电元件(103)的第二端被断开。

3.根据权利要求1的天线结构(106)，其中，第一导电元件(102)和第二导电元件(103)被实现为实质上条形的元件，这些条形的元件实质上彼此平行地排列。

4.根据权利要求1的天线结构(106)，其中，第一导电元件(102)和第二导电元件(103)被实现为实质上条形的元件，这些条形的元件具有不同的长度。

5.根据权利要求1的天线结构(106)，其中，耦合结构(104)适于欧姆耦合第一导电元件(102)与第二导电元件(103)。

6.根据权利要求1的天线结构(106)，其中，耦合结构(201)适于容性耦合第一导电元件(102)与第二导电元件(103)。

7.根据权利要求1的天线结构(106)，其中，配置导电元件(102、103)的材料和/或尺寸，以使天线结构(106)的天线阻抗值Z _ant实质上等于集成申路(105)的芯片阻抗的复共轭Z _chip。

8.根据权利要求7的天线结构(106)，其中，配置耦合结构(104)连接导电元件(102、103)的位置，以使天线结构(106)的天线阻抗Z _ant值实质上等于集成电路(105)的芯片阻抗Z _chip的复共轭。

9.根据权利要求3和权利要求7的天线结构(106)，其中，选择包括以下参数的组中的至少一个参数，以使天线结构(106)的天线阻抗Z _ant值实质上等于集成电路(105)的芯片阻抗Z _chip的复共轭：导电元件(102、103)和耦合结构(104)中的至少一个的宽度(w₀、w₁、w₂)、导电元件(102、103)中至少一个的长度(l₀、l₁、l₂)以及导电元件(102、103)之间的距离(d₀)。

10.根据权利要求1的天线结构(106)，其中，该天线结构被实现为折叠偶极子天线。

11.一种转发器(100)，包括：

-基底(101)，

-设置在基底(101)上和/或基底(101)中的、根据权利要求1的天线结构(106)，

-集成电路(105)，它被连接在第一导电元件(102)的第一端与第二导电元件(103)的第一端之间。

12.一种制造天线结构(106)的方法，该方法包括步骤：

-设置具有第一端和第二端的第一导电元件(102)，

-设置具有第一端和第二端的第二导电元件(103)，

-通过借助耦合结构(104)在第一端和第二端之间的位置处电连接导电元件(102、103)，短接第一导电元件(102)与第二导电元件(103)，以及

-适配导电元件(102、103)，以使在第一导电元件(102)的第一端与第二导电元件(103)的第一端之间可连接集成电路(105)。