CN101378145B - 标签天线和标签 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种标签天线和标签，该标签天线由电介质隔板和天线图案组成，所述天线图案形成在所述隔板的其中一个表面上并且尺寸小于工作频率处的波长的一半，并且在其中形成适合于要安装的芯片的电阻部件和电容部件的狭缝图案。

Description

标签天线和标签

技术领域

本发明涉及RFID系统中使用的标签(即，无线IC标签)，并且更具体地说，涉及用于这种无线IC标签的标签天线，以及安装该标签天线和IC芯片的标签。

背景技术

RFID(射频标识)系统广泛地用于物体等的管理等。在这些系统中，读取器/写入器将无线电波发射到标签，该标签通过无线电波将标签内的信息返回到该读取器/写入器，从而该读取器/写入器读取该标签内的信息。无线电波的波段是UHF波段。在欧洲、美国和日本分别使用868MHz、915MHz和953MHz附近的频率。取决于标签内安装的芯片的性能，通信距离约为3m到5m，并且读取器/写入器的输出为1W的量级。

使用偶极天线作为这种无线IC标签的天线具有可获得良好方向性的优点。然而，当天线长度是无线电波的波长λ的一半时，天线的效率最大化。这导致了天线长度增加的问题，其进而使得不能减小标签的尺寸。另外，如果在这种正使用的偶极天线附近存在金属，则该标签的通信距离显著地减小。

例如，常规地，贴片天线用作为用于附着到金属的标签的天线。图1说明了这种贴片天线的常规实施例。在该图中，该贴片天线由贴片导体100、在电介质102背表面上的接地导体101、和在贴片导体100和接地导体101之间插入的电介质102组成。IC芯片安装在贴片导体100一侧的芯片安装部分103中。IC芯片的其中一个端电极连接到贴片导体100的位于前表面的适当部分，而另一端电极经由通孔连接到背表面(即，接地导体101)。

图2示出了图1中所示的贴片天线的通信距离的示例。例如，如果IC芯片的大小实现为1平方毫米，并且标签数量n是1，则在953MHz频率处获得3m的通信距离。然而，例如如果在近距离使用多个同样的标签，即如果标签数量n是2或3，则通信距离的特性曲线向低频侧移动，并且953MHz频率处的通信距离显著减小。

专利文献1到4公开了关于这种无线IC标签和用于这种标签的天线的常规技术。专利文献1公开了非接触IC标签，其可通过以类似于图1中所示的结构包括天线和反射板以及在它们之间插入的隔板(spacer)，来保持数据的读取/写入状态稳定，而与位于标签的背表面上的物质无关。

专利文献2公开了一种平面天线，通过在折叠结构中设置槽口而可减少阻抗，并且可将阻抗与50Ω馈线的阻抗进行匹配，而无需阻抗变换电路等。

专利文献3公开了用于设置贴片天线的技术，该贴片天线通过类似方式具有夹入电介质的接地面和天线表面，并且其中设置了用于使该电介质从该天线表面突出的孔，并且因从天线表面上的孔突出电介质而分割出的区域形成了用于发送/接收元件的匹配电路。

专利文献4公开了通过使用微带天线实现具有显著方向性的无线IC标签的技术，其中在位于电介质的前表面上的发射导体上的芯片的安装部分中形成钩形的狭缝。

然而，例如根据专利文献1，当读取距离最大化时天线表面和反射板之间的距离等于或大于30mm，并且隔板的厚度增加，导致难于减小IC标签的尺寸。而且，图1中所示的常规实施例和专利文献2到文献4公开的技术不能解决由于制造通孔而增加成本的问题，以及当在近距离中使用多个标签时通信距离减小的问题，并且难于在保持实用的通信距离的同时减小天线的尺寸。

[专利文献1]日本未审查专利申请公开2002-298106“非接触IC标签”

[专利文献2]日本未审查专利申请公开2006-140735“平面天线”

[专利文献3]日本未审查专利申请公开2006-237674“贴片天线和RFID嵌体”

[专利文献4]日本未审查专利申请公开2006-311372“无线IC标签”

发明内容

本发明的目的是设置低成本的标签天线，其中在保持与读取器/写入器的实用通信距离的同时可减小可附着到金属的标签的尺寸，并且即使当在近距离中使用多个标签时也可以防止通信距离显著减小。

根据本发明的标签天线是用于向读取器发送/从写入器接收无线电波的标签的天线，并且由电介质隔板和在隔板的其中一个表面上形成的天线图案组成。天线图案的尺寸小于对应于工作频率的λ/2的共振长度，并且具有尺寸上适合于要安装的芯片的电阻部件和电容部件的狭缝图案。

在根据本发明的优选实施方式中的天线图案中，形成狭缝图案和切口部分，并且包括对应于该狭缝图案和该切口部分的天线发射电阻和电感，该芯片的电感和电容部件满足工作频率处的共振条件，并且天线发射电阻和芯片的电阻部件在大小上相同。

根据本发明的标签是这样的标签，其中要安装的芯片安装在上述天线图案上。

如上所述，在根据本发明的标签中，天线图案的尺寸小于工作频率处的λ/2的共振长度，并且包括至少一个用于匹配要安装的芯片的电阻部件和电容部件的狭缝图案。

根据本发明，可通过使得天线图案小于λ/2的共振长度来减小标签的尺寸，由此可设置在保持通信距离的同时可附装到金属的标签。不再需要天线图案和金属反射板之间连接的通孔，由此可减少成本。另外，根据本发明的标签的尺寸小于λ/2的共振长度，并且即使在近距离中布置标签时在标签天线之间也不会出现干扰。结果，可防止通信距离显著减小。

附图说明

图1说明了标签天线的常规实施例的结构；

图2说明了当在近距离中布置常规实施例的标签天线时的通信距离；

图3示出了根据第一优选实施方式的标签天线的基本结构；

图4说明了在标签天线和IC芯片的阻抗之间的匹配；

图5说明了在天线贴片上的电流分布；

图6示出了图4中所示的天线发射电阻的计算结果；

图7示出了图4中所示的电感的计算结果；

图8示出了标签天线到IC芯片的反射系数的计算结果；

图9示出了标签天线的增益的计算结果；

图10示出了标签天线的通信距离的计算结果；

图11示出了当在近距离中布置多个标签时通信距离的计算结果；

图12说明了对应于图11的并且其中在近距离中布置多个标签的状态；

图13说明了根据第二优选实施方式的标签天线的制造步骤；

图14说明了根据第三优选实施方式的标签天线的制造步骤；和

图15示出了作为根据第三优选实施方式的产品的标签天线的结构。

具体实施方式

图3说明了根据本发明第一优选实施方式的标签天线的基本结构。在该图中，通过在作为前表面导体的天线贴片(Cu)1和背表面导体(Cu)2之间插入电介质隔板3来形成标签天线。假设电介质隔板3的相对介电常数εr的值等于或大于10。这里，假设该值为12。

在天线贴片1一侧安装IC芯片的整个标签尺寸例如被假设为54mm(宽度)×39mm(深度)×4mm(高度)。假设该尺寸基本上由电介质隔板3的尺寸决定，并且作为前表面导体的天线贴片1的面积小于电介质3的面积。而且假设通过蚀刻敷铜的电介质隔板的前表面上的铜板来制造根据第一优选实施方式的标签天线的天线贴片1。

在作为前表面导体的天线贴片1上，在如图3中所示的x坐标中心0附近形成狭缝4，并且在天线贴片1的平行于x轴的一侧和狭缝4之间设置槽口。该槽口用作为芯片安装部分5。即，通过分别将IC芯片的两个连接端子连接到槽口的两端处的金属部分来安装IC芯片。结果，作为RFID标签来操作该整体。

在天线贴片1上，例如在与其上设置有狭缝4的一侧相对的一侧上设置切口部分6。图3中所示的整个标签天线表示为如将在随后描述的电阻和电感的等效并联电路。上述狭缝4主要用于调节电感，而切口部分6用于调节等效电阻。

该优选实施方式假设标签的工作频率是如上所述的953MHz。在此时，空气中的波长λ近似为315mm，从而λ/2的值近似为157mm。然而，因为通过其中天线贴片1形成在或附着到电介质隔板3上的结构来发送/接收无线电波，所以实际波长变得短于波长λ。

通常，与空气中的波长相比，无线电波在相对介电常数为ε_r的电介质内的波长如下：

$1/\sqrt{\mathrm{\ϵr}}.$

在图3中所示的结构中，在天线贴片1的外围不仅存在电介质隔板3而且还存在空气。因此，波长λ取中间值，并且λ/2的值例如在70mm到80mm的量级。

该优选实施方式的特征在于使得标签天线的尺寸(例如，天线贴片1在平行于狭缝4的方向上的宽度)小于图3中的λ/2的值。在该方向上电介质隔板3的宽度是54mm，并且考虑到制造裕量，在该方向上天线贴片1的宽度自然小于54mm，并且因此变得短于λ/2。在这个意义上，图3中所示的天线贴片1被称为小贴片。在使用小贴片的结构中，天线的发射效率变得稍微低于使用λ/2的共振的情况下的发射效率。然而，从减小尺寸和减少成本的角度来看，该结构是更优选的。

如上所述，如专利文献1所公开，当隔板厚度等于或大于30mm时读取距离最大化。然而在该优选实施方式中，如果电介质隔板的厚度大，则标签天线无法执行适当的操作。因此，厚度必须落入1mm到10mm的范围。

图4说明了图3中所示的标签天线和IC芯片的阻抗。这里，假设由具有1400Ω的电阻R_c和0.7pF的电容C_c的等效并联电路来表示图3中所示的芯片安装部分5中安装的IC芯片。为了在该芯片和该标签天线之间匹配，必须在电感L_a和该IC芯片的电容C_c之间满足共振条件，并且当由天线发射电阻R_a和电感L_a的并联电路表示标签天线的等效电路时，天线发射电阻R_a和IC芯片的电阻R_c的值必须相等。当满足共振条件时，在工作频率f_o、电感L_a和电容C_c之间如下关系表达式成立。

$f_o=1/2\mathrm{\π}\sqrt{L_a{C}_a}.$

在图3中，标签天线的等效电感L_a基本上由围绕狭缝4的金属部分的长度(作为芯片安装部分5的槽口的长度除外)决定。因此，主要不是由宽度而是由狭缝4的总长度决定电感L_a。另外，作为芯片安装部分5的槽口的周围的整体决定了天线发射电阻R_a。通过在天线贴片1上设置切口部分6，并且通过调节切口部分6的尺寸，将天线发射电阻R_a调节为几乎与该芯片的输入电阻R_c的值相等。例如还可以根据天线贴片1或狭缝4的尺寸来进行所述阻抗的匹配，而不设置切口6。

图5说明了根据第一优选实施方式的标签天线的电流分布。电流沿参照图3描述的狭缝4的方向(即，沿水平方向)流动，并且发射充分的无线电波。如果天线贴片1在水平方向上的宽度例如在对应于如上所述的λ/2的70mm到80mm的量级，随着λ/2共振而流过大电流。然而在该优选实施方式中，宽度等于或小于54mm并且短于λ/2。因此，电流量略有减小。然而，相对大的电流在标签中心附近流动。在天线贴片1的两个水平端侧处的电流大小变为0。

假设在图5中所示的天线贴片1的电流分布中调节狭缝4的长度S₂，和深度方向中切口部分6的深度S₁，使得如参考图4所描述的电感L_a和电容C_c满足工作频率处的共振条件，并且天线发射电阻R_a和芯片的电阻R_c变为相等。如上所述，天线发射电阻R_a的值主要由切口部分6的深度S₁决定，而电感L_a的值主要由狭缝4的长度S₂的值决定。例如，这里水平方向上切口部分6的宽度是不变的。也可通过改变该宽度来调节天线发射电阻R_a的值。

图6和图7示出了天线发射电阻R_a和电感L_a的计算结果，通过调节切口部分6的深度S₁和狭缝4的长度S₂而改变它们。图6示出了当切口部分6的深度S₁的值用作为参数时，天线发射电阻R_a相对于狭缝的总长度S₂的计算结果。从该图形证明了通过将切口部分6的深度S₁的值调整为7mm，可使得该天线发射电阻R_a的值几乎等于该芯片电阻R_c的值，而不必考虑狭缝4的总长度S₂的值。

图7示出了当切口部分6的深度S₁的值用作为参数时，电感L_a相对于狭缝4的总长度S₂的计算结果。从该图形证明了如参考图6所述当将深度S₁的值调整为7mm时，通过将狭缝4的长度S₂的值调整为12mm，电感L_a获得了40nH的电感值，该电感值连同芯片的0.7pF的电容C_c一起满足了工作频率处的共振条件。图6和图7仅示出了计算结果。实际上，通过在上面获得的值附近稍微调节切口部分6的实际深度和狭缝4的实际长度(即，7mm的深度S₁和12mm的总长度S₂)，可获得标签天线实用的足够特性。

图8示出了天线到芯片的反射系数S11，其对应于以该方式确定的S₁和S₂的尺寸。953MHz工作频率处的反射系数的值为-11.7dB的量级。这证明获得了充分的匹配。

图9示出了根据第一优选实施方式的标签天线的增益的频率特性。在953MHz工作频率处获得1dBi量级的增益。这里，dBi是例如当在一点发射无线电波时电场分布变为完整的球形的情况下的增益单位。

图10示出了基于图8和图9，对通信距离的计算结果。基于以下假设获得该计算结果，即，芯片的工作功率、读取器/写入器的输出和在读取器/写入器一侧的天线增益分别是-9dBm、1W和6dBi，并且在953MHz的工作频率处获得数值约为3m的通信距离。这里，dBm是表示功率×10³分贝的值。

图11和图12说明了当布置了根据第一优选实施方式的多个标签天线时的通信距离。图11示出了当如图12中所示布置标签天线时通信距离的计算结果。

通常，即使各个标签附着到各个物体上，取决于物体的布置，也存在在相当近的距离中存在多个标签的可能性。图12示出了这种极端的情况。如果当天线贴片的长度等于λ/2时多个标签布置在近距离中，则在邻近标签的无线电波之间出现干扰，并且它们的通信距离显著减小。在RFID系统中，在近距离中使用多个标签有很大的可能性。从实用的观点来看，即使在这种情况下也能防止通信距离减小是至关重要的。

在图11中，当仅使用一个标签(即n为1)时和当n为2或3时，在953MHz的工作频率处的通信距离等于或大于3m。从该图形证明了在图12中所示的极端布置中，多个标签的通信距离也未减小。这归功于在第一优选实施方式中天线贴片1的尺寸(即，水平方向上的长度)短于λ/2的效果。

下面参考图13到图15描述第二和第三优选实施方式。第二和第三优选实施方式中包括天线贴片的标签天线的基本结构类似于第一优选实施方式的基本结构。然而，它们的制造步骤不同于第一优选实施方式的制造步骤。

图13说明了根据第二优选实施方式的标签天线的制造步骤。在图3中所示的天线贴片1的制造步骤中，第一优选实施方式假设通过蚀刻敷铜的板(该敷铜的板预先附于电介质隔板3)的表面的金属部分来制造天线贴片。在图13中所示的第二优选实施方式中，通过制作例如作为预先滚压的金属片的天线图案片10，并且通过将天线图案片10和反射板11分别附装于作为电介质隔板的陶瓷树脂12的上表面及其下表面，来制造标签天线。结果，相比于第一优选实施方式中通过蚀刻敷铜的板所实现的结构，可减少标签天线的成本。

图14说明了根据第三优选实施方式的标签天线的制造步骤。相比于图13中所示的第二优选实施方式，图14中所示的标签天线的结构的不同点是还将聚氨酯树脂(polyurethane resin)13和14附于天线图案片10的上表面和下表面。聚氨酯树脂13和14旨在改进包括IC芯片的天线贴片的耐环境特性。通过贴附聚氨酯树脂13和14，可设置即使在腐蚀性环境中或在高温下也不会无法操作的标签。

图15示出了作为根据参照图14描述的第三优选实施方式的产品的标签结构。在该图形中，天线图案片10(即，天线贴片)由聚氨酯树脂13和14夹在中间并且附于陶瓷树脂12的上表面，并且反射板11附于陶瓷树脂12的下表面。

至此，已详细描述了该优选实施方式中的标签天线和标签的特性。当标签附于金属时，导体(即，位于电介质隔板的背表面(下表面)上的反射板)不再是必不可少的。

另外，假设参照图3描述的芯片安装部分布置于x坐标为0点附近(即，在天线贴片的中心附近)。然而，例如对于在标签的上表面上打印条形码或字符来说，芯片突出有时可能是障碍。因此，芯片安装部分和用于形成电感的狭缝可朝天线贴片的末端移置。

如上详细所述，本发明的实施方式可设置非常小的标签，其尺寸是54mm×39mm×4mm，并且即使附于金属时其也可实现约3m的通信距离。该标签不需要用于连接上表面和下表面的通孔。另外，唯一要做的是调节所述狭缝的长度和所述切口部分的深度，以用于阻抗匹配，使得减少了调节所需的工时和成本。此外，即使在近距离中布置多个标签，也可获得与使用一个标签的情况等同的通信距离。这对于建立高性能的实用RFID系统起了很大作用。

Claims (8)

1.一种用于对读取器/写入器发送/接收无线电波的标签的标签天线，该标签天线包括：

电介质隔板；和

天线贴片，其形成在所述电介质隔板的其中一个表面上并且在平行于狭缝方向的宽度小于工作频率处的波长的一半，并且在天线贴片中形成所述狭缝以及切口部分，所述狭缝被调整为具有满足所述标签天线的电感和要安装的芯片的电容之间的所述工作频率处的共振条件的长度，所述切口部分被调整为在深度方向具有深度以使得所述标签天线的天线发射电阻和所述芯片的电阻在大小上相同。

2.根据权利要求1所述的标签天线，其中

用耐环境保护部件覆盖所述天线贴片。

3.根据权利要求1所述的标签天线，其中

在所述电介质隔板的另一表面上形成金属反射板。

4.根据权利要求1所述的标签天线，其中

所述电介质隔板由陶瓷树脂制成。

5.根据权利要求1所述的标签天线，其中

所述电介质隔板的厚度范围从1mm到10mm。

6.根据权利要求1所述的标签天线，其中

所述天线贴片是通过蚀刻附装到所述电介质隔板前表面的金属板而形成的。

7.根据权利要求1所述的标签天线，其中

在所述狭缝和天线贴片的一侧之间设置槽口，并且要安装的所述芯片的两个端子连接到所述天线贴片位于所述槽口两端处的金属部分。

8.一种对读取器/写入器发送/接收无线电波的标签，该标签包括：

芯片；

电介质隔板；和

天线贴片，其形成在所述电介质隔板的一个表面上并且在平行于狭缝方向的宽度小于工作频率处的波长的一半，并且在天线贴片中形成所述狭缝以及切口部分，所述狭缝被调整为具有满足所述标签天线的电感和要安装的芯片的电容之间的所述工作频率处的共振条件的长度，所述切口部分被调整为在深度方向具有深度以使得所述标签天线的天线发射电阻和所述芯片的电阻在大小上相同。

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