CN102119395A - 带有导电环状屏蔽体的rfid设备 - Google Patents

带有导电环状屏蔽体的rfid设备 Download PDF

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Abstract

射频识别(RFID)设备(10)包括环状天线(12)的导电环状屏蔽体(26)。屏蔽体可以叠盖导电环状天线。优选的操作频率可以是在超高频率(UHF)的频率范围内的频率或频率范围。导电环状屏蔽体提供分配的电容至环状天线，这使环状天线和导电屏蔽体的组合系统的电感降至允许(在期望的阻抗或阻抗范围)与RFID芯片阻抗匹配的电感水平。导电环的使用允许RFID设备利用具有比通常可能用于与RFID芯片进行阻抗匹配更大的面积的环状天线作为近场磁场通信设备而起作用。环状天线和导电屏蔽体环可以在介电材料层(24)的相对的主要表面上。

Description

带有导电环状屏蔽体的RFID设备
交叉引用相关申请
本申请要求2009年6月11日提交的美国申请号12/136,946的权益，该申请以其整体通过引用并入本文。
发明背景
发明技术领域
本发明的领域为射频识别(RFID)设备，以及构造和制造RFID设备的方法。
相关技术描述
射频识别(RFID)标签和签条(本文统称为″设备″)被广泛用于与带有识别码或其它信息的物体相关联。例如，RFID标签被用于与汽车安全锁相连接，用于控制进入建筑物，以及用于跟踪存货和包裹。RFID设备一般具有天线及类似物和/或数字电子器件的组合，数字电子器件可以包括例如通讯电子器件、数据存储器和控制逻辑电路。
如上所述，RFID设备一般被分为签条或标签。RFID签条是粘附地或者以其他方式使其表面直接连接到物体的RFID设备。相反，RFID标签通过其它方式固定到物体上，例如通过使用塑料紧固件、绳子或其它紧固方式。
一直期望有改进的RFID设备和部件。
发明概述
射频识别(RFID)设备具有与RFID芯片或插件耦合的环状天线，用于以UHF范围内的频率使用近场磁场进行通信。设备包括导电环，导电环与环状天线分离但与之电耦合。导电环辅助设备为天线与芯片之间的共振耦合提供阻抗匹配。环状天线封闭的空间可能如此之大以至于环状天线单独的电感过高而不能与RFID芯片共振耦合。导电环的存在也可以使天线的有效电感(天线与环系统结合的电感)降低至天线与芯片之间可能产生共振耦合的点。此外，导电环可以用作屏蔽体(shield)以阻止天线与RFID设备读取器或检测器之间的远场相对远程的耦合。因此，导电环可以有效地提供RFID设备的范围上限。
根据本发明的一个方面，RFID设备包括：RFID芯片，其具有输入电容，并具有预先确定的发送和接收信号操作的UHF频率或频率范围；RFID环状天线，其与RFID芯片电耦合，其中所述RFID环状天线具有大于1cm2的封闭区域，其中所述天线本身在所述频率或频率范围具有未改变电感，该未改变电感大于与输入电容达成共振的期望的电感或电感范围至少20％；以及导电环，其可操作地与所述RFID耦合，而不与所述RFID环状天线接触。RFID环状天线和所述导电环一起与芯片耦合，具有在所述期望的电感或电感范围的5％以内的改变电感。
根据本发明的另一个方面，构造RFID设备的方法包括以下步骤：选择RFID芯片，其具有输入电容，并具有预先确定的发送和接收信号操作的UHF频率或频率范围；选择RFID环状天线，其与RFID芯片电耦合，其中所述RFID环状天线具有大于1cm2的封闭区域，其中所述天线本身在所述频率或频率范围具有未改变电感，该未改变电感大于与输入电容达成共振的期望的电感或电感范围至少20％；以及选择导电环，其可操作地与所述RFID耦合，以使RFID环状天线的电感降低至所述期望的电感或电感范围的5％以内。
根据本发明的另一方面，形成RFID设备的方法包括以下步骤：在介电材料基底的主要表面上形成RFID环状天线和环状屏蔽体；将RFID芯片电耦合至所述RFID环状天线；以及折叠所述介电材料基底以便所述环状屏蔽体叠盖住所述RFID环状天线。
为完成前述和相关的目标，本发明包含在下文中充分描述和在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的一些示例性实施方式。但是，这些实施方式仅仅表示可以运用本发明原理的各种方式中的几种。当与附图结合考虑时，由以下本发明详细描述，本发明的其它目的、优势和新特征将变得明显。
附图简述
在附图中，不一定按比例：
图1是依据本发明的一个实施方式的RFID设备的平面图；
图2是图1的RFID设备的侧视图；
图3是可用作本发明的一个实施方式的一部分的环状天线的实例结构的平面图；
图4是图3的环状天线的模型；
图5是可用作本发明的一个实施方式的一部分的导电环的实例结构的平面图；
图6是图5的导电环的模型；
图7是图3的环状天线和图5的导电环的组合的模型；
图8是依据本发明的第二个实施方式的RFID设备的平面图；
图9是图8的RFID设备的侧视图；
图10是依据本发明的第三个实施方式的RFID设备在使RFID设备成为最终结构的折叠操作之前的平面图；和
图11是折叠操作之后图10的RFID设备的侧视图。
发明详述
射频识别(RFID)设备包括环状天线的导电环状屏蔽体。所述屏蔽体可以叠盖住导电环状天线，在环状屏蔽体中具有与耦合到RFID芯片的天线的一部分相对的缺口。环状天线可以封闭一个足够大的区域，以至于对于以预先确定优选的RFID芯片的操作频率进行的通信来说，环状天线单独具有的阻抗超过与RFID芯片最佳耦合所需的阻抗。优选的操作频率可以是在超高频率(UHF)的频率范围内的频率或频率范围。导电环状屏蔽体提供分配的电容至环状天线，这使环状天线和导电屏蔽体的组合系统的电感降至允许(在期望的阻抗或阻抗范围)与RFID芯片阻抗匹配的电感水平。导电环的使用允许RFID设备利用具有比通常可能用于与RFID芯片进行阻抗匹配的较大面积的环状天线作为近场磁场通信设备起作用。环状天线和导电屏蔽体环可以在介电材料层的相对的主要表面上。在另一实施方式中，RFID设备可以在相反方向上具有一对偏离并且叠盖RFID环状天线的导电环状屏蔽体。导电环状屏蔽体(一个或多个)可以有利地限制包括RFID环状天线的远场耦合。这可以有利地提供RFID设备范围的上限，阻止不期望的远程耦合和/或通信。
图1和图2显示了RFID设备10，其包括电耦合至RFID芯片14的环状天线12。RFID芯片14是或包括配置为与RFID设备10的外部设备(如读取器和检测器)通信的集成电路。环状天线12耦合至芯片14以发送和/或接收作为该通信的部分的信号。芯片14可以是插件或带状物(strap)的部分，一种包括用于制备芯片14和天线12之间的电连接的导电导线的结构。如本文所用的术语“芯片”应当被理解为指芯片本身或包括RFID芯片的插件或带状物。芯片14和天线12间的电连接一般是直接的(欧姆)电连接，尽管应该理解，间接电连接方法如电容性耦合可被用于芯片14和天线12之间的电耦合。
RFID芯片14跨过沿环状天线12的一边或一端的天线缺口15被连接至RFID天线12。在天线缺口15每一边，环状天线12的末端被电耦合至RFID芯片14上的各自触点。
芯片14具有优选的频率或频率范围，通过该优选的频率或频率范围，完成与RFID设备10的通信。用于操作RFID芯片14的优选频率或频率范围可包括超高频率(UHF)带内的一个或多个频率。优选的频率或频率范围可以是RFID芯片14具有特别有益特征的频率或频率范围。可选地，优选的频率或频率范围可以包括对于RFID设备操作而言标准的一个或多个不连续(discreet)频率或频率带。典型的UHF优选的通信频率的实例是915MHz。
RFID芯片14具有与之相关联的输入电容。典型地，RFID芯片14的输入电容的值是0.3pF到2.0pF。此外，一些RFID芯片具有多个输入，它们可以以串联或者以并联的方式连接，扩展可用的电容范围。例如，在上面的情况中，两个输入芯片可被配置为具有0.15pF(最低值的串联)或具有4pF(最高值的并联)。
RFID环状天线12封闭闭合区域16。环状天线12可以具有多种合适形状的任一种，例如是环形或矩形。
RFID环状天线12可以是单匝(single-turn)环，如图1和2所示。可选地，环状天线可以具有多个匝。众所周知，在环状天线中具有多个匝增加了由天线接收的信号的电压。
RFID环状天线12在介电材料层24的第一主要表面22上。介电材料层24可以由多种合适介电材料的任一种制成，用于支持环状天线12。合适材料的例子包括纸和多种合适的聚合物材料。
环状天线12可被形成或放置在介电材料层24以及多种合适的熟知方式的任一种上。举几个实例，RFID环状天线12可以从金属层刻蚀得到，可以是图案装饰的金属沉积，如通过物理沉积或化学沉积，或可以是印制在第一主要表面22上的导电材料。环状天线14可以由多种合适导电材料的任一种制成。
导电环26位于介电材料层24的第二主要表面28上，在第一主要表面22相对侧上。如以下更详细解释的，导电环26是由导电材料制成的结构，其用于改变RFID环状天线12的电感。导电环26不与RFID环状天线12直接接触。导电环26也不与RFID环状天线12进行直接(欧姆)电联系。而是，导电环26与RFID环状天线12电容耦合，以改变RFID环状天线12的电感。
导电环26叠盖住RFID环状天线12。在所示的实施方式中，RFID环状天线12和导电环都基本上为平面结构，其中环状天线12和导电环26在基本上平行的主要表面22和28上。导电环26在以下意义上叠盖RFID环状天线12：与天线12的平面垂直的RFID环状天线12的突出部几乎全部(大于90％)在导电环26内。环状天线12和导电环26可以由多种方法的任一种制成，如刻蚀、切割、从蒸汽或液体选择性沉积金属，或者冲压。
导电环26具有导电环宽度30，其大于RFID环状天线12的天线宽度34。宽度30和34的比例可以在1.5和15之间，尽管应该理解，可以使用其它宽度。在任何情况下，宽度30应该如此大以便有效地使导电环26作为连续的导电平面进行操作。足够的中心开口必须保持在导电环26中以使导电环26如期望地操作。导电环宽度30可以被选择以对给定的RFID环状天线12的电感达到期望的效果，如以下进一步所描述的。
导电环26具有第一导电环部分36和第二导电环部分38，第一导电环部分36位于RFID芯片14和RFID环状天线12的连接臂之下，第二导电环部分38在导电环26相对侧上。第二导电环部分38具有导电环缺口40——导电环26的臂末端之间的空隙。存在与导电环缺口40相关联的电容。导电环缺口40具有缺口宽度44，其可以被选择以获得RFID环状天线14和导电环26的组合系统的期望结果。应当理解，尽管导电环缺口可以是简单的矩形，但是也可以使用其它形状如波浪形或曲线形，或者叉型指状，以改变跨环缺口的电容。
RFID环状天线12和导电环26由于介电材料层24的存在而彼此分离。介电材料层24具有厚度48。厚度48可以变化以获得环状天线12和导电环26的组合的期望特征。典型地，环状天线12和导电环26之间的间距是运行波长的非常小的分数，如在1mm以下，或者小于运行波长的大约1/300th。在配置导电环26和天线12时，可以使用电磁模拟器以检测两个结构之间的相互作用。
图3-7图解说明模拟天线12与导电环26之间的相互作用的实例。当与RFID芯片连接时，具有图3所示的实例结构的环状天线12(1mm宽，20mm×20mm)被模拟为感应体，如图4所示。图5所示的导电环26(3mm宽度)被模拟为感应体和电容器，如图6所示。环状天线12和导电环26的组合系统被模拟为如图7所示。环状天线12和导电环26之间的电容性连接基于这两种结构在介电常数为3的、50μm厚的介电分离器对侧的重叠。
当单独考虑天线时，环状天线12的阻抗Z为59.57nH。在900MHz频率时，这与0.524pF的电容共振。
当如图E中所模拟的与导电环26耦合时，环状天线12给耦合芯片提供7.63nH的阻抗Z。在900MHz频率时，这与4.09pF的电容共振。
RFID设备10被配置为主要使用磁场与其它设备耦合，并且主要在近场进行操作。术语″近场″和距离设备较远的″远场″对比使用。两个术语都描述天线(或者任何其它的电磁辐射源)周围的场。在三区域模型中，远场是Maxwell方程中的主项与1/r成比例的地方，其中r是离天线(或其它辐射源)的距离。近场包含感应场(reactive field)或菲涅耳带(Fresnel zone)，其中主项与1/r3成比例，以及近辐射场(near radiation field)或过渡区，其中主项与1/r2成比例。近场和远场之间的界限常取为(并且在本文可以考虑为)离天线的距离等于λ/2π，其中λ是由天线发出的辐射的波长。关于近场和远场之间的边界的进一步细节可见于Capps，Charles，″Near field or far field？，″EDN，August 16，2001，在www.edn.com/contents/images/150828.pdf可得到。
″邻近耦合(proximity coupling)″或″邻近场耦合(proximity field coupling)″发生在超出近场耦合、超出感应性近场和辐射性近场的范围，以包括更远的区域，其中足够的能量可以经由分配的读取结构被转移至操作标签。如上所述，近场和远场之间的界限通常取为离开天线的距离等于λ/2π，其中λ是天线发出的辐射的波长。但是，应该认识到，取决于所分配的天线设计和经过耦合器的功率输入，可得到足够的能量以在远大于该能量的范围运行设计为由经磁场或电场耦合进行耦合的RFID设备。通常理解的是，经由主要单场组件通电、保留近场耦合的有利特征的区域可能离读取系统超出大约3个波长的距离，尽管耦合随着距离快速下降。因此邻近耦合可以被定义为远离读取系统延伸超出发射能量大约3个波长的范围。
通过使用磁场进行耦合，性能很大程度上并不因如水等电介质的存在而受影响。通过设计合适的读取器天线，磁耦合可有利地被准确地控制。另一优势是，近场磁耦合具有与到第三功率(power)的距离成反比的强度。这导致天线和设备的读取范围中完全的中断。使用UHF频率还可以使RFID设备比适合在更低频率下运行的设备成本更低。
但是，使用磁场用于近场耦合的一个优点是当天线尺寸增加时，天线的电感增加到可能与连接的RFID芯片产生共振耦合的值以上。RFID芯片14在0.4pF到1.6pF的范围内具有输入电容。为了在典型的UHF频率例如915Hz下运行，相应的达到共振匹配的电感将下降到18.9nH到75.6nH的范围内。被环状天线12包围的区域16足够大以使环状天线12单独的电感增加到期望的电感值范围以上。1mm线宽、20mm×20mm的环具有59.57nH的电感，其令人满意地在900MHz下以0.524fF共振。30mm×30mm的环具有103.7nH的电感，其将在900MHz下以300fF共振，这在期望的范围以上。所以对于1mm的线宽来说，大于约9cm2的封闭区域16将迫使天线12在所期望的电感值范围以上。但是应当理解，实际的限制也取决于所选择的线宽。因此在UHF频率或优选用于运行RFID芯片14的频率下，将RFID环状天线12单独耦合至RFID芯片14并不允许在天线12和芯片14之间有共振或阻抗匹配的耦合。
单独使用RFID环状天线12所遇到的另一问题是，带有大闭合区域16的相对大的天线结构成为优选频率或用于发射和接收信号的频率的波长的重要部分。这可导致RFID环状天线12开始作为远场天线运行。这种远场信号比近场信号衰减的更慢，是到RFID设备10的距离的平方的函数。但是，近场信号与距离的立方成反比，远场信号与距离的平方成反比。因此，具有近场磁场通信的期望可能被不期望的远场功能所破坏。
将理解的是，可以期望限制RFID设备10的读取范围以将与RFID设备的相互作用限制到一些期望的区域或空间。例如，可以期望只检测通过没有安装RFID设备读取器或检测器的入口的RFID设备。在这种情况下，远程可读性可以是可靠的，因为远程可读性将导致在入口外的RFID设备的检测。
这些问题都可通过合适的导电环26的宽度、导电环缺口宽度44、导电环26的结构的其它方面和RFID环状天线12和导电环26间的距离(在示例性实施方式中，介电材料厚度48)来解决，所有这些可以被选择以适当配置导电环26。导电环26可被可操作地耦合至RFID环状天线12以使RFID环状天线12和导电环26的结合阻抗低于环状天线12单独的阻抗。对于可见的二者之间的小间距，预期环状天线12和导电环26之间的主要耦合是电容性的。但是，如果电流被引入导电环26中，那么它会产生磁场并且发生一些磁场耦合。环状天线12和导电环26之间的可操作耦合的实际机理取决于二种结构的尺寸和间距，并且可以具有磁场和电场方面(相互的电感和电容)。导电环26可以相对于天线环12具有限定的共振，这造成对RFID设备10和合适的读取器之间主要磁场耦合的控制效果。天线环12和导电环26一起提供期望的减小电感(低于RFID环状天线12单独的电感)至RFID芯片14的触点。导电环26的存在允许获得期望的共振耦合或阻抗匹配耦合。
可以至少部分地通过模拟一种或多种建议的结构的预期行为来确定导电环26的结构。模拟本身可以使用电磁模拟器如Ansoft HFSS进行。该方法包括改变尺寸和参数以获得期望的阻抗以及预知的远场和近场传播特征。最优化时，某些参数将比其它的更容易改变和/或更实用地改变。例如，基底介电常数K值将相对地固定。同样，环状天线12和导电环26之间的间距(介电材料14的厚度)也可以相对固定，因为由于经济的原因可以期望使用标准的基底材料。但是，环状天线12和导电环26的线宽和总长度可以较不受限制。长度可以主要受设备要求的总尺寸的限制。宽度可以部分地受制造设备使用的方法限制。特别地，如果通过模切形成线，那么我们具有1mm宽度的下限和有限的半径，所以半径应该大于约0.75mm。
图8和9显示可选的实施方式，RFID设备110具有耦合至RFID芯片114的RFID环状天线112。环状天线112可以具有类似于上述RFID设备10(图1)的环状天线12的特征，包括具有天线缺口115和封闭区域116。
RFID环状天线112和RFID芯片114被夹在一对介电材料层122和124之间。介电材料层122和124可以具有类似于介电材料层24(图1和2)的特征。各自的导电环126和128位于介电材料层122和124的各自主要表面132和134上。主要表面132和134与环状天线112隔开。因此介电材料层122和124在各自的导电环126和128之间以及RFID环状天线112和RFID芯片114之间。导电环126和128可以具有类似于导电环26(图1和2)的特征。
导电环126和128可以进行类似于上述导电环26的那些功能。导电环126和128可以减少RFID环状天线112的电感，这允许RFID环状天线112和RFID芯片114之间共振耦合。此外，导电环126和128可以为RFID环状天线112提供电屏蔽。这可以减少涉及天线112的远场耦合，并且因此可以为RFID设备110的可读范围提供有效的上限。
应当理解，使用在相反的方向与环状天线112分开的两个导电环126和128可以提供更有效的屏蔽，避免涉及RFID设备110的远场电场相互作用。导电环126和128可以基本上彼此相同，或者可选地可以在材料和/或结构上不同。
图10和11阐述另一实施方式，使用在介电基底220上折叠的RFID设备210。最初在介电基底220的同一主要表面222上形成RFID环状天线212和导电环226。这示于图10，RFID芯片或插件214耦合至RFID环状天线212。然后沿折叠线230折叠介电基底220以产生图11中所示的结构。折叠线230位于RFID环状天线212和导电环226之间。结果是，在最终结构中，RFID环状天线212和导电环226位于折叠的介电基底220的相对面上。通过使用合适的粘合剂或其它合适的机构，介电基底220可以保持在图6所示的折叠的结构中。
RFID设备210的各组件的结构和功能可以与本文描述的其它RFID设备的相应部分的结构和功能相似。应当理解，由于最初在介电基底220的同一主要表面222上形成RFID环状天线212和导电环226的能力，制造RFID设备210可以更简单和更经济。
尽管已经参照一些优选实施方式显示和描述了本发明，但是明显的是，在阅读和理解了本说明书和附图后，本领域技术人员可以想到等价的变化和改进。特别是关于上述元件(组件、装配、设备、组成等)完成的各种功能，除非另外指明，即使在结构上不等同于完成本发明所述的示例性实施方式中的功能而公开的结构，用于描述这些元件的术语(包括“手段”的提及)意图与任何完成所述元件的指定功能的元件相对应(即，功能等同物)。此外，虽然仅参照几个所阐述的实施方式中的一个或多个在以上描述了本发明的具体特征，但这些特征可以与其它实施方式的一个或多个其它特征组合，因为可以期望用于并有利于任何给定的或特定的应用。

Claims (18)

1.RFID设备，其包括：
RFID芯片，其具有输入电容，并具有预先确定的发送和接收信号操作的UHF频率或频率范围；
RFID环状天线，其与所述RFID芯片电耦合，其中所述RFID环状天线具有大于1cm2的封闭区域，其中所述天线本身在所述频率或频率范围具有未改变电感，所述未改变电感大于与所述输入电容达成共振的期望的电感或电感范围至少20％；以及
导电环，其可操作地与所述RFID耦合，而不与所述RFID环状天线接触；
其中，所述RFID环状天线和所述导电环一起与芯片耦合，具有在所述期望的电感或电感范围的5％以内的改变电感。
2.权利要求1所述的RFID设备，进一步包括在所述RFID环状天线和所述导电环之间的介电材料。
3.权利要求2所述的RFID设备，
其中所述介电材料是介电层；并且
其中所述RFID环状天线和所述导电环在所述介电层的相对的主要表面上。
4.权利要求3所述的RFID设备，其中所述介电层的厚度为1mm或更小。
5.权利要求3所述的RFID设备，其中所述介电层是折叠层，在折叠所述折叠层之前，所述RFID环状天线和所述导电环在所述折叠层的同一侧。
6.权利要求1所述的RFID设备，其中所述导电环叠盖所述RFID环状天线的至少90％。
7.权利要求6所述的RFID设备，其中所述导电环的宽度至少1.5倍于所述RFID环状天线的宽度。
8.权利要求7所述的RFID设备，其中所述导电环的宽度在所述RFID环状天线的宽度的1.5和15倍之间。
9.权利要求7所述的RFID设备，进一步包括与所述RFID环状天线的至少90％重叠的其它导电环。
10.权利要求9所述的RFID设备，其中所述导电环基本上彼此平行，在所述RFID环状天线的相对侧上偏移。
11.权利要求1所述的RFID设备，其中所述导电环中具有导电环缺口。
12.权利要求11所述的RFID设备，其中所述导电环缺口在与所述导电环的一部分相对的导电环的一侧上，所述导电环的该部分离所述芯片耦合至所述RFID环状天线处最近。
13.构造RFID设备的方法，所述方法包括：
选择RFID芯片，其具有输入电容，并具有预先确定的发送和接收信号操作的UHF频率或频率范围；
选择RFID环状天线，其与所述RFID芯片电耦合，其中所述RFID环状天线具有大于1cm2的封闭区域，其中所述天线本身在所述频率或频率范围具有未改变电感，所述未改变电感大于与所述输入电容达成共振的期望的电感或电感范围至少20％；以及
选择导电环，其可操作地与所述RFID耦合，以使所述RFID环状天线的电感降低至所述期望的电感或电感范围的5％以内。
14.权利要求13所述的方法，其中所述选择导电环包括模拟。
15.权利要求14所述的方法，其中所述模拟包括用电磁模拟器进行模拟。
16.权利要求13所述的方法，其中所述选择导电环包括限制远场范围。
17.权利要求13所述的方法，其中所述选择包括选择导电环的宽度以实现减小所述RFID环状天线的电感。
18.形成RFID设备的方法，所述方法包括：
在介电材料基底的主要表面上形成RFID环状天线和环状屏蔽体；
将RFID芯片电耦合至所述RFID环状天线；以及
折叠所述介电材料基底以便所述环状屏蔽体叠盖所述RFID环状天线。
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