CN101651248B - 射频识别标签天线、标签装置及通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种射频识别(RFID)标签天线、标签装置及通信系统。上述射频识别(RFID)标签天线包括一图案化导线回路，其具有多条纵向的导线段及一对横向的导线段连接各纵向的导线段端点，以构成一匹配网路。一对延伸的导线臂，借由两节段电性连接该图案化导线回路。一置晶座和一射频识别(RFID)晶片设置在其上，位于该对导线臂的中心。

Description

射频识别标签天线、标签装置及通信系统

技术领域

本发明关于一种射频识别(RFID)标签装置，特别关于一种射频识别(RFID)标签天线、标签装置及通信系统。

背景技术

射频识别(RFID)系统，或称射频辨识系统，在供应链管理、防伪、追踪等商业应用领域上有许多创新的发展，并且有更多的企业开始使用这种技术改善生产或管理流程。而RFID系统提供了强大的辨识功能，使供应链透明化，若将RFID技术与商业流程及应用程序加以集成，便更能有效地改变制造或零售业者与供货、配送等伙伴的供应链管理。晶片中还可纪录一系列信息，如产品别、位置、日期等，最大的好处是能提高物品管理效率，目前物品信息多记录在条码上，而再以扫描器扫描条码取得信息，而RFID标签只需在一定范围内感应，并可一次读取大量信息。

另一方面，传统RFID天线的设计以及应用上的缺点主要在于制作上的成本太高。目前在整个RFID系统的成本比例分布上以天线的导体成本占绝大多数的制作与材料成本。因此，近年来天线的制作成本已有许多制程的改进，例如利用导体银胶在卷带式(roll to roll)制程，或者以网版印刷等，以降低制作成本。在制程中，银胶的用量也就成为天线制作成本的关键。

美国专利第US 7,277,017号公开一种RFID标签，天线由偶极(dipole)天线以及中间的回路(loop)导体所组成，其目的在于设计回路(loop)导体，以提供电感值来消除由RFID晶片与连接到晶片的导体所产生的寄生电容。

图1为显示传统RFID标签的平面示意图。请参阅图1，在传统RFID标签10中，一天线图纹12形成在一基材11上。一IC晶片13设置在天线图纹12上。天线图纹12可做为一偶极(dipole)天线，其包括两单极图案121和122，自IC晶片13的位置向外延伸。天线图纹12还包括一校正回路图案123用以补偿或修正天线特性。校正回路图案123绕过IC晶片13的位置且连接两单极图案121和122。

图2为显示另一传统的RFID标签的平面示意图。在图2中，RFID标签10中，一天线图纹12形成在一基材11上。一IC晶片13设置在天线图纹12上。天线图纹12包括一回路天线(loop antenna)。两延伸段12a、12b自IC晶片13的位置向外延伸。延伸段12a、12b的两端分别连接IC晶片13和校正回路图案123。IC晶片13另连接一导电图纹16。校正回路图案123的两侧分别包括双图案123a和123b。其目的在于消除IC晶片13与天线图纹12之间的的寄生电容。

由于传统的RFID标签天线导体与IC晶片之间所产生的电容值甚小，如采用回路天线(loop antenna)产生电感，无法有效地消除导体与IC晶片之间的电容性。再者，传统的RFID标签天线设计无法调整阻抗匹配，使得欲控制天线谐振频段变得困难。

发明内容

本发明的实施例提供一种射频识别(RFID)标签天线，包括：一图案化导线回路，包括多条纵向的导线段及一对横向的导线段连接各纵向的导线段端点，以构成一匹配网路；一对延伸的导线臂，借由两节段电性连接该图案化导线回路；一置晶座和一射频识别(RFID)晶片设置在其上，位于该对导线臂的中心。

本发明的实施例还提供一种射频识别(RFID)标签装置，包括：一基板；一图案化导线回路设置在该基板上，该导线回路包括多条纵向的导线段及一对横向的导线段连接各纵向的导线段端点，以构成一匹配网路；一对延伸的导线臂在该基板上，借由两节段电性连接该图案化导线回路；一置晶座设置一射频识别(RFID)晶片在该基板上，位于该对导线臂的中心。

本发明的实施例再提供一种射频识别(RFID)标签通信系统，包括：一RFID标签装置；一基板；一图案化导线回路设置在该基板上，该导线回路包括多条纵向的导线段及一对横向的导线段连接各纵向的导线段端点，以构成一匹配网路；一对延伸的导线臂位于该基板上，借由两节段电性连接该图案化导线回路；及一置晶座设置一射频识别(RFID)晶片在该基板上，位于该对导线臂的中心；一读取天线感应该RFID标签装置；以及一微处理器处理并传送该读取天线的感测信号。

为使本发明能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1为显示传统RFID标签的平面示意图；

图2为显示另一传统的RFID标签的平面示意图；

图3为显示根据本发明的一实施例的RFID标签天线的平面示意图；

图4为显示根据本发明另一实施例的RFID标签天线的平面示意图；

图5为显示根据本发明实施例的RFID标签天线的等效电路示意图；以及

图6为显示根据本发明实施例的RFID标签通信系统的示意图。

主要元件符号说明

传统的部分(第1、2图)

10～传统RFID标签；

11～基材；

12～天线图纹；

12a、12b～两延伸段；

13～IC晶片；

16～导电图纹；

121和122～两单极图案；

123～校正回路图案；

123a和123b～双图案。

本案部分(第3～6图)

300～射频识别(RFID)标签装置；

301～基板；

312～天线图纹；

313a、313b～横向的导线段；

315a-315f～纵向的导线段；

316a和316b～两节段；

318～图案化导线回路；

320～置晶座；

325a和325b～延伸的导线臂；

326a和326b～第二段导体；

400～射频识别(RFID)标签装置；

401～基板；

412～天线图纹；

413a、413b～横向的导线段；

415a-415h～纵向的导线段；

416a和416b～两节段；

418～图案化导线回路；

420～置晶座；

425a和425b～延伸的导线臂；

435a和435b～平行的导线臂；

426a和426b～第二段导体；

430a和430b～节点；

a～节点相距导线臂的中心的距离；

L1-L6～电感；

450～RFID晶片；

500～射频识别(RFID)标签通信系统；

510～RFID标签装置；

520～读取天线；

530～微处理器；

321～射频识别(RFID)晶片；

421～射频识别(RFID)晶片。

具体实施方式

以下以各实施例详细说明并伴随着附图说明的范例，做为本发明的参考依据。在附图或说明书描述中，相似或相同的部分均使用相同的图号。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各元件的部分将分别描述说明，值得注意的是，图中未示出或描述的元件，为所属技术领域中普通技术人员所熟知的形式，另外，特定的实施例仅为公开本发明使用的特定方式，其并非用以限定本发明。

本发明的主要特征及形态在于，提供一种射频识别(RFID)标签天线、标签装置及通信系统。由于RFID标签的成本绝大部分仍在天线的设计上，因此业界亟需降低天线的制作成本。此外，在天线设计的导体材料包括铝、铜蚀刻制程、网印银胶制程，并结合卷带式(roll to roll)制程。本发明实施例的RFID标签天线增益可达1.42dBi以上。再者，该RFID标签天线具有一特殊的阻抗匹配网路可在阻抗匹配的位置作一调整，便于控制天线谐振频段。

图3为显示根据本发明的一实施例的RFID标签天线的平面示意图。请参阅图3，射频识别(RFID)标签装置300，包括一基板301和一天线图纹312形成基板301上。该基板301的材质为一硬质基板、一软性基板、一纸张、一布料或上述材料的复合材料。例如基板材料可由玻纤材料(FR4)或是PET、PI等高分子材料构成的软硬基板。根据本发明另一实施例，该基板301可为高介电常数材料或高导磁系数材料。该天线图纹312不限定于形成在基板301的表面上，其亦可选择性地嵌入在该基板301中。

天线图纹312包括一图案化导线回路318设置在该基板301上，该导线回路318包括多条纵向的导线段315a-315f及一对横向的导线段313a、313b连接各纵向的导线段端点，以构成一匹配网路(matching network)。应注意的是，各纵向的导线段315a-315f的宽度和间距可视实际天线特性需求而定。一对延伸的导线臂325a和325b设置在该基板上，可做为一偶极(dipole)天线，并借由两节段316a和316b电性连接该图案化导线回路318。该对延伸的导线臂325a和325b可为一对具斜角的偶极天线，其宽度分别由中心向外逐渐变细。根据本发明实施例，天线图纹312还包括一对第二段导体326a和326b分别与各斜角的偶极天线325a和325b的一细端连接，且该第二段导体与该斜角的偶极天线可实质上垂直，或以任意角度延伸，并且其中该对第二段导体的长度与宽度与该射频识别(RFID)晶片的阻抗及频率响应相关。一置晶座320设置一射频识别(RFID)晶片321在该基板上，位于该对导线臂325a和325b的中心。

为符合射频识别(RFID)晶片内部的阻抗匹配，本发明实施例衍生出天线阻抗匹配网路(impedance matching network)并借由两节段电性连接具斜角的偶极天线，以达到天线最佳化的阻抗匹配，产生良好的谐振的效应。

应注意的是，射频识别(RFID)标签的天线图纹312可采用在任意不同的导体材质，例如铜、铜胶、银胶，铝等不同的导体材料，可达到频率响应(902～928MHz)与频宽(50MHz)，亦可达到频率响应(860～960MHz)。

图4为显示根据本发明另一实施例的RFID标签天线的平面示意图。请参阅图4，射频识别(RFID)标签装置400，包括一基板401和一天线图纹412形成基板401上。该基板401的材质为一硬质基板、一软性基板、一纸张、一布料或上述材料的复合材料。例如基板材料可由玻纤材料(FR4)或是PET、PI等高分子材料构成的软硬基板。根据本发明另一实施例，该基板401可为高介电常数材料或高导磁系数材料。该图案化导线回路412不限定于形成在基板401的表面上，其亦可选择性地嵌入到该基板401中。

天线图纹412包括一图案化导线回路418设置在该基板401上，该导线回路418包括多条纵向的导线段415a-415h及一对横向的导线段413a、413b连接各纵向的导线段端点，以构成一匹配网路(matching network)。应注意的是，各纵向的导线段415a-415h的宽度和间距可视实际天线特性需求而定。一对延伸的导线臂设置在该基板上，可做为一偶极(dipole)天线，并借由两节段416a和416b电性连接该图案化导线回路418。该对延伸的导线臂为一对平行的偶极天线425a、435a及425b、435b，各平行的偶极天线之间相距一特定距离。其中该平行的偶极天线425a、435a及425b、435b之间分别具有一节点430a和430b连接，且该节点相距该对导线臂的中心的距离a与该射频识别(RFID)晶片的阻抗及频率响应相关。根据本发明实施例，天线图纹412还包括一对第二段导体426a和426b分别与偶极天线425a和425b的一端连接，且该第二段导体与该偶极天线可实质上垂直，或以任意角度延伸，并且其中该对第二段导体的长度与宽度与该射频识别(RFID)晶片的阻抗及频率响应相关。一置晶座420设置一射频识别(RFID)晶片421在该基板上，位于该对导线臂425a和425b的中心。

图5为显示根据本发明实施例的RFID标签天线的等效电路示意图。在图5中，导线回路的各纵向的导线段可为多条垂直金属导体(可调整电感长度以及垂直导体的数量)，其电感分别表示为L1、L2、L3、L4，与电感与电感之间的互感L5，并且与天线的L6电感形成一共同的阻抗，与RFID晶片450的阻抗形成共轭匹配，增加天线的谐振响应，以及天线的传输效率。

图6为显示根据本发明实施例的RFID标签通信系统的示意图。在图6中，一种射频识别(RFID)标签通信系统500，包括一RFID标签装置510，一读取天线感应该RFID标签装置520，以及一微处理器530处理并传送该读取天线的感测信号。上述射频识别(RFID)标签通信系统500在UHF频段上的有许多的应用，例如供应链管理、门禁管制卡、仓储管理系统等。再者，在Gen2规范里有双模感应的功能，因此开启了被动式RFID远、近距离的双模感应模式。本发明各实施例在于保持天线效能、降低天线的成本并且提高天线的适应性。针对这些需求，设计一特殊适应性匹配网路，可针对各UHF中心频率为可任意调整的RFID，做一适应性的调整，即匹配该RFID的复数阻抗，因而达到共轭匹配，以及最大能量传输。

本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (16)

1.一种射频识别标签天线，包括：

一图案化导线回路，包括多条纵向的导线段及一对横向的导线段连接各纵向的导线段端点，形成多个相邻且相连接的矩形导线段，以构成一匹配网路，其中该多个矩形导线段包含一个第一矩形导线段与至少一对第二矩形导线段，该第一矩形导线段位于该图案化导线回路的中心，该些第二矩形导线段对称设置于该第一矩形导线段的两侧；

一对延伸的导线臂，分别连接该图案化导线回路的该第一矩形导线段的一边的两端，其中该第一矩形导线段的该边与该第一矩形导线段的两侧形成垂直角，该对延伸的导线臂为一对斜角的偶极天线，其宽度分别由该对延伸的导线臂的中心向外逐渐变细；

一置晶座和一射频识别晶片设置在其上，位于该对导线臂的中心；以及

一对第二段导体分别与各斜角的偶极天线的一细端连接，且该第二段导体与该斜角的偶极天线实质上垂直，或以任意角度延伸，以及其中该对第二段导体的长度与宽度与该射频识别晶片的阻抗及频率响应相关；

其中该第一矩形导线段的该边具有一开口。

2.根据权利要求1所述的射频识别标签天线，其中该对延伸的导线臂为一对平行的偶极天线，各平行的偶极天线之间相距一特定距离。

3.根据权利要求2所述的射频识别标签天线，其中该平行的偶极天线之间具有一节点连接，且该节点相距该对导线臂的中心的距离与该射频识别晶片的阻抗及频率响应相关。

4.根据权利要求1所述的射频识别标签天线，其中该图案化导线回路的材质包括一电镀铜、一电镀铝、一银胶或一铜胶。

5.根据权利要求1所述的射频识别标签天线，其中该图案化导线回路的材质包括一蚀刻铜或一蚀刻铝。

6.一种射频识别标签装置，包括：

一基板；

一图案化导线回路设置在该基板上，该导线回路包括多条纵向的导线段及一对横向的导线段连接各纵向的导线段端点，形成多个相邻且相连接的矩形导线段，以构成一匹配网路，其中该多个矩形导线段包含一个第一矩形导线段与至少一对第二矩形导线段，该第一矩形导线段位于该图案化导线回路的中心，该些第二矩形导线段对称设置于该第一矩形导线段的两侧；

一对延伸的导线臂位于该基板上，分别连接该图案化导线回路的该第一矩形导线段的一边的两端，其中该第一矩形导线段的该边与该第一矩形导线段的两侧形成垂直角，该对延伸的导线臂为一对斜角的偶极天线，其宽度分别由该对延伸的导线臂的中心向外逐渐变细；

一置晶座设置一射频识别晶片在该基板上，位于该对导线臂的中心；以及

一对第二段导体分别与各斜角的偶极天线的一细端连接，且该第二段导体与该斜角的偶极天线实质上垂直，或以任意角度延伸，以及其中该对第二段导体的长度与宽度与该射频识别晶片的阻抗及频率响应相关；

其中该第一矩形导线段的该边具有一开口。

7.根据权利要求6所述的射频识别标签装置，其中该基板的材质为一硬质基板、一软性基板、一纸张、一布料或上述材料的复合材料。

8.根据权利要求6所述的射频识别标签装置，其中该基板为高介电常数材料或高导磁系数材料。

9.根据权利要求6所述的射频识别标签装置，其中该图案化导线回路是嵌入在该基板中。

10.根据权利要求6所述的射频识别标签装置，其中该对延伸的导线臂为一对平行的偶极天线，各平行的偶极天线之间相距一特定距离。

11.根据权利要求10所述的射频识别标签装置，其中该平行的偶极天线之间具有一节点连接，且该节点相距该对导线臂的中心的距离与该射频识别晶片的阻抗及频率响应相关。

12.根据权利要求6所述的射频识别标签装置，其中该图案化导线回路的材质包括一电镀铜、一电镀铝、一银胶或一铜胶。

13.根据权利要求6所述的射频识别标签装置，其中该图案化导线回路的材质包括一蚀刻铜或一蚀刻铝。

14.一种射频识别标签通信系统，包括：

一射频识别标签装置；

一基板；

一图案化导线回路设置在该基板上，该导线回路包括多条纵向的导线段及一对横向的导线段连接各纵向的导线段端点，形成多个相邻且相连接的矩形导线段，以构成一匹配网路，其中该多个矩形导线段包含一个第一矩形导线段与至少一对第二矩形导线段，该第一矩形导线段位于该图案化导线回路的中心，该些第二矩形导线段对称设置于该第一矩形导线段的两侧；

一对延伸的导线臂于该基板上，分别连接该图案化导线回路的该第一矩形导线段的一边的两端，其中该第一矩形导线段的该边与该第一矩形导线段的两侧形成垂直角，该对延伸的导线臂为一对斜角的偶极天线，其宽度分别由该对延伸的导线臂的中心向外逐渐变细；

一对第二段导体分别与各斜角的偶极天线的一细端连接，且该第二段导体与该斜角的偶极天线实质上垂直，或以任意角度延伸，以及其中该对第二段导体的长度与宽度与该射频识别晶片的阻抗及频率响应相关；

一置晶座设置一射频识别晶片在该基板上，位于该对导线臂的中心；

一读取天线感应该射频识别标签装置；以及

一微处理器处理并传送该读取天线的感测信号；

其中该第一矩形导线段的该边具有一开口。

15.根据权利要求14所述的射频识别标签通信系统，其中该对延伸的导线臂为一对平行的偶极天线，各平行的偶极天线之间相距一特定距离。

16.根据权利要求15所述的射频识别标签通信系统，其中该平行的偶极天线之间具有一节点连接，且该节点相距该对导线臂的中心的距离与该射频识别晶片的阻抗及频率响应相关。

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