CN102119453A - 用于rfid应用的具有多个相关贴片和共面接地件的宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本文描述了用于射频识别系统的天线，该天线包括参考接地部；天线馈电部；用于HP和UHF信号中的一个的中间场传送和接收的主贴片天线元件，其中，所述主贴片天线元件被电耦合到所述天线馈电部；以及用于HF和UHF宽带信号中的一个的中间场传送和接收的一个或多个附加贴片天线元件，其中，所述一个或多个附加贴片天线元件中的每一个被电连接到所述主贴片天线元件的边缘以便传送和接收HF和UHF信号中的一个。所述一个或多个附加贴片天线元件使HF和UHF信号中的一个的增益提高。

Description

用于RFID应用的具有多个相关贴片和共面接地件的宽带天线
相关申请
本申请要求于2008年6月6日提交的美国临时专利申请No.61/059,665的权益，并且是题为“RFID Patch Antenna with CoplanarReference Ground and Floating grounds”的2008年10月8日提交的美国专利申请No.12/247,994的部分继续，美国专利申请No.12/247,994要求2007年10月8日提交的美国临时专利申请No.60/978,389的权益，上述申请的公开内容整体地通过引用结合到本文中。
技术领域
本发明总体涉及低成本、低厚度、紧凑的宽带贴片天线，其具有两个或更多个相连的辐射元件和参考接地导体，全部在同一几何平面或在间距很小的平行平面中，并可选地包括贴片系统与接地导体之间的直接电短路连接(DC闭合短路电路)，以用于静电电荷的耗散。此类贴片天线或此类贴片天线的阵列在射频识别(RFID)应用中具有实用性，其中，经由贴片天线在读取器(收发器)与标签(转发器)之间传递UHF波段信号。本发明在RFID应用中特别有用，在所述RFID应用中，期望的是在诸如RFID智能货架、智能柜台面或其它RFID使能表面的表面上产生具有被很好地控制的定向UHF信号发射的空间，该空间包含许多RFID标签物品，并且使得能够使用来自附着于天线的RFID读取器的UHF信号可靠地读取该空间中的物品，同时降低UHF信号太弱而不能与RFID标签通信的空间中的无效区(null zone)或位置的影响范围和严重程度。具有其改进带宽的本发明在以下情况下特别实用，其中天线周围的环境中的物品和材料大大影响离开标签和读取器(收发机)的工作频率的常规窄带现有技术天线的谐振频率(即，使其失谐、或引起其严重移位)。
背景技术
射频识别(RFID)系统和其它形式的电子商品防盗越来越多地被用来跟踪其位置或布置具有某些经济、安全或其它意义的物品。在这些应用中，通常，转发器或标签被附着于要跟踪的物品或放置在要跟踪的物品内部，并且这些转发器或标签与收发机或读取器进行至少间歇性的通信，所述读取器经由读取器直接或间接地附着到的网络向人或软件应用程序报告标签(和物品(根据推理))位置。RFID应用的示例包括为商店内的拍卖提供的零售物品的跟踪、在商店后房内、在商店货架固定装置、显示器、柜台、外壳、柜子、壁橱、或其它固定装置上的那些物品的库存管理、以及对到达和通过销售点和商店出口的物品跟踪。还存在涉及仓库、配销中心、卡车、有蓬货车、装运集装箱、以及物品通过零售供应链时的其它物品储存或输送点的物品跟踪应用。RFID技术的另一应用领域涉及资产跟踪，其中，在一定环境中跟踪有价值的物品(不一定向公众出售)以防止盗窃、丢失、或错放、或保持资产保管链的完整性。RFID技术的这些应用仅仅是以示例的方式给出的，并且应当理解的是存在许多其它技术应用。
RFID系统通常使用读取器天线来向RFID标签发射用数字信号编码的电磁载波。由此，读取器天线是促进标签与读取器之间的通信，并影响该通信的质量的关键组件。可以将读取器天线视为换能器，其将来自读取器的载送信号的交流电流转换成适合位于标签中的相邻第二天线的载送信号的振荡电磁场或波，或者另选地，其还促进将载送信号的振荡电磁场或波(从标签发送或被标签修改)转换成载送信号的交流电流以便由读取器解调以及与读取器通信的相反处理。一般而言，读取器天线的谐振特性和调谐(和可调谐性)不仅由天线几何形状和尺寸、堆叠(材料分层)和构造、以及制造材料确定，而且由天线周围的环境的特性确定。理想地，RFID天线将具有大的带宽-即，将在以设计RFID标签和读取器工作的频率为中心或在该频率附近的相对宽的频率范围内有效地发射和接收信号。对于具有足够带宽的天线而言，由天线环境中的偶然并在很大程度上无法控制的变化引起的系统谐振特性的微小变化将不会导致天线远离设计频率的严重失谐。在RFID系统中使用的天线的类型包括贴片天线、缝隙天线、偶极天线、回路天线、以及许多其它类型和这些类型的变体。
在无源RFID系统的情况下，由电磁载波对RFID标签进行供电。一旦被供电，无源标签解译射频(RF)信号并通常是通过在电磁载波中产生定时的间歇性扰动来提供适当的响应。由读取器通过读取器的天线来感测编码标签响应的这些扰动。在有源RFID系统的情况下，标签包含其自己的电源(诸如电池)，其可以用来通过产生其自己的载波和编码RF信号来发起与读取器的RF通信，或通过增加标签的数据处理速率，或通过增加标签的响应中的功率，并因此增加标签与读取器之间的最大通信距离，来提高标签性能。
尤其是对于无源RFID系统而言，在近场对比远场的性能方面，常常便于区别RFID系统及其天线的性能。“近场”和“远场”是相对的术语，并且其与术语“近”和“远”具有意义的载波的波长有关。当在应用中涉及的距离比载波的长度和天线尺寸大得多时，该应用是远场应用，并且常常可以将天线(在与天线相距很大距离处)视为点源(如在大多数电信应用中那样)。另一方面，当在应用中涉及的距离比波长和天线尺寸短得多时，天线(例如读取器天线和标签天线)之间的相关电磁相互作用是近场相互作用。在这种情况下，反应性电或磁分量支配EM场，并且两个耦合天线之间的相互作用通过场中的扰动发生。当感兴趣的应用涉及载波波长量级的距离时，情况更加复杂且不能被视为简单的近场或简单的远场。在本专利申请中，将这种情况称为“中间场”。
商用RFID系统所使用的两个公共频带是HF(13.56MHz)和UHF(约850至950MHz，特定的波段取决于所针对的国家)。由于RFID加标签消费物品上的标签通常被用于遍及供应链的许多应用(从制造和配销到最后的零售店场所)，零售店货架的功能要求仅仅是影响标签频率选择的几组因素中的一个。在供应链中存在对各种贸易伙伴而言感兴趣的许多因素和要求，并且在这种复杂的情况下，HF和UHF1两者都被广泛地用于跟踪智能货架、支架、柜子、及其它零售店、仓库、及其它商业固定装置之上和之中的加标签物品。美国专利7,268,742、6,989,796、6,943,688、6,861,993、6,696,954、6,600,420、和6,335,686全部涉及RFID天线对智能货架、柜子、及相关固定装置的应用。13.56MHz波具有刚好在22米(72英尺)之上的波长，而在RFID应用中使用的UHF辐射的波长约为三分之一米，或约12英寸。由于涉及对货架、柜子、支架、柜台、及其它此类固定装置上或中的加标签物品的跟踪和监督的物品层级的RFID应用的距离特性在几英尺(例如，0.5英尺至几英尺)的量级上，所以显而易见的是当使用UHF技术时，天线相互作用是近场、远场、和中间场的。在这种情况下，读取器天线类型的不良选择、或适当类型的不良设计可能导致整体RFID系统的性能不良和应用故障。这种情况的原因之一是在中间场情况下，从读取器天线发射的电和磁场在相关表面(例如，保持加标签物品的零售店货架的表面)上显著变化。该场可能在一个位置上是强的，并且在距离几英寸的另一位置上弱得多(因为UHF辐射的波长只有几英寸)，并且UHF系统的一般性质比在13.56MHz应用中观察到的复杂得多。因此，在其中在货架及其它储存固定装置上的RFID物品跟踪中使用UHF的情况下，读取器天线的设计变得关键。
无源RFID系统的检测范围通常在近距离内(例如，对于UHFRFID系统而言通常小于几英尺)受到信号强度的限制。由于无源UHFRFID系统中的该读取范围限制，许多应用利用便携式读取器单元，其可以手动地在一组加标签物品周围移动以便检测所有标签，特别是在加标签物品被保存在明显比装配有一个固定天线的不动或固定读取器的检测范围大的空间中的情况下。然而，便携式UHF读取器单元受到多个缺点的影响。第一个涉及与扫描活动相关联的人力劳动的成本。固定基础设施一旦被支付费用，操作起来比人力系统便宜得多，人力系统具有与之相关联的进行的劳务成本。另外，便携式单元常常导致关于被读取的标签的精确位置的不确定性。例如，用户可以记录读取器位置，但是对于给定应用而言，可能并未足够好地获知读取事件期间的标签位置。也就是说，便携式RFID读取器的使用常常导致仅几英尺的空间分辨率确定性，并且许多应用要求获知关于几英寸的空间分辨率内的加标签物品的位置。与用于固定读取器和天线系统的情况相比，便携式RFID读取器还可能更容易被丢失或偷窃。
作为便携式UHF RFID读取器的替换，可以使用用足以检测更大数目的加标签物品的功率驱动的大型固定读取器天线。然而，此类天线可能是难使用的，从美学观点上使人不愉快的，并且辐射功率可能超过容许的法定或规章极限。此外，这些读取器天线常常位于商店中或空间短缺的其它位置，并且使用此类大型读取器天线是昂贵且不方便的。另外，应注意的是，当使用单个大型天线来测量大的区域时(例如，一组零售店货架、或整个柜子、或整个柜台等)，不可能将加标签物品的位置分辨至货架固定装置上的特定点或其小的分区。在某些应用中，可能期望以几英寸的空间分辨率获知加标签物品的位置(例如，如果在货架上存在许多小的物品且期望使手动搜索和拣选的时间最小化)。在这种情况下，单个大型读取器天线的使用是不期望的，因为常常无法以期望的空间分辨率对物品进行定位。
另选地，可以使用全自动化移动天线系统。美国专利7,132,945描述了采用移动或扫描天线的货架系统。这种方法使得可以测量相对大的区域并且还消除对人力劳动的需要。然而，如在结合了活动部分的机器中常常观察到的那样，将活动部分引入到商用货架系统中可能由于系统成本较高、安装复杂性较大、以及维护成本较高、以及系统停机时间的不方便而证明是不切实际的。形成射束的智能天线可以用窄射束且在没有活动部分的情况下对空间进行扫描。然而，如果与无源天线相比，作为有源设备，其通常是大且昂贵的。
为了克服上文所述的方法的缺点，在某些UHF RFID应用中使用小天线的固定阵列。在这种方法中，跨越较大区域的许多读取器天线经由某种交换网络被连接到单个读取器或读取器组，如例如在美国专利7,084,769中描述的。涉及RFID使能货架、柜子、外壳、支架、或其它固定装置之中或之上的小的加标签物品的跟踪和库存审查的智能货架及其它类似应用可以使用小天线的固定阵列。在智能货架和类似应用中的跟踪加标签固定物品时，小天线的固定阵列相比于便携式读取器、具有单个大型固定天线的系统、以及移动天线系统而言具有多个优点。首先，天线本身是小的，并因此要求相对少的功率来测量每个天线周围的空间。因此，在每次一个地询问这些天线的系统中，系统本身要求相对少的功率(通常比1瓦少得多)。此外，通过询问大型阵列中的每个小天线，系统因此可以以相对少的功率测量大的区域。并且，由于在天线阵列中使用的UHF天线通常是小的，并且(由于其有限的功率和小于1～3英尺的范围)测量具有特定已知空间位置的小空间，则必然由阵列中的指定天线读取的加标签物品也被定位至1～12英寸的相同空间分辨率。因此，使用小天线的固定阵列的系统可以比便携式RFID读取器和使用少量相对大的天线的系统更精确地确定加标签物品的位置。并且，由于阵列中的每个天线是相对小的，所以将天线隐藏在货架或其它储存固定装置内部更加容易，因此改善美观性并使来自外部破坏事件(例如，孩子的好奇心驱使的操作、或一般人进行的恶意活动)的损坏最小化。并且，固定天线阵列不涉及活动部分，并因此没有遇到如上所述的与活动部分相关联的缺点。并且，与在此类天线阵列中使用的那些类似的小天线在单个天线元件出现故障时更换起来更便宜(相对于更换单个大型天线的成本而言)。并且，固定天线阵列不要求特殊的手工劳动来执行对加标签物品的扫描，并且因此不具有与之相关联的与便携式读取器和天线系统、或与移动手推车方法相关联的手工劳动的高成本。
在智能货架和类似应用中，通常由于经济和美学原因重要的是：在天线阵列中使用的天线简单、成本低、易于改造成现有基础设施、易于在天线附近躲过人们的视野，并且可以快速地安装和连接该天线。利用使总的天线厚度最小化的天线结构更容易地满足这些应用要求。也就是说，薄或不引人注目(low profile)的天线更容易隐藏，并且更易于配合到现有基础设施中而不要求对现有基础设施的特殊修改。并且，减小天线厚度往往降低天线成本，因为在较薄的天线中使用较少的材料。由于成本和安装方便性的原因，还期望具有将RF馈电电缆或导线附着于天线的最简单的可能方法。优选地，应在一个位置上、一个表面上进行该附着，而不需要孔或特殊通道、导线、或通过天线基板的导电过孔。重要的是，UHF天线的设计允许在天线之间和周围没有“死区”(或小区域)的情况下对天线附近的空间中的RFID标签进行读取，在“死区”中发射场太弱而不能促进天线与读取器之间的通信。对在智能货架和类似应用中使用的天线的另一要求是其具有以多种标签天线取向(即，标签取向独立性、或至少接近该理想情况的性质)读取物品的能力。
可以在诸如上述那些的天线系统中使用的传统贴片天线、缝隙天线、偶极天线、及其它常见UHF天线类型常常包含多个层。美国专利6,639,556示出具有此分层结构和用于RF馈送的中心孔的贴片天线。美国专利6,480,170还示出在中间电介质的相对侧具有参考接地部和辐射元件的贴片天线。多层天线设计可能导致过大的制造成本和过大的天线厚度(使天线安装期间的现有基础设施的改造复杂，并使得更加难以将天线从视野中隐藏)。多层天线设计还往往使连接导线(例如天线与读取器之间的同轴电缆)的附着形式复杂，因为在不同的层上出现信号载波和参考接地部的连接。
对于UHF智能货架应用而言，贴片天线是好的天线类型选择，因为从贴片天线发射的场主要在与天线的平面正交的方向上，因此天线可以位于货架表面上或内部，并就在货架之上的区域中产生RFID有效空间，并相对容易地读取位于货架表面上的加标签物品。当然，其前提是特定贴片天线设计对于给定的方便且实际的功率输入而言提供足够大的带宽和辐射效率以在天线周围产生可以可靠地且一致地读取加标签物品的足够大的空间。在现有技术中描述的传统贴片天线具有在电介质材料的顶部上制造的导电材料的主辐射元件。在电介质材料下面(即在其相反侧)通常设置参考接地元件，其为相对于由天线发送或接收的信号被电接地的平面导电材料层。在现有技术中众所周知的典型贴片天线设计中，天线主辐射元件和参考接地元件处于被电介质材料(其在某些情况下仅仅是空气隔离层(spacer))分开的平行平面中。并且，在通常的情况下，主放射元件和参考接地元件以一个直接在另一个之上的方式或以在它们各自的平行平面中一个基本上与另一个交叠的方式制造。传统多层贴片天线设计的缺点是在天线与RFID读取器之间的载送信号的屏蔽电缆或对绞线的连接必须在由电介质材料分开的两个独立的层上附着到天线，因此在电介质层中需要连接孔或过孔。
辐射元件与参考接地导体之间的间隙的尺寸(即，电介质层厚度)是传统贴片天线中的关键设计参数，因为对于给定电介质材料而言，此间隙的厚度在很大程度上决定了天线的带宽。随着间隙的减小，带宽变窄。如果天线的带宽过窄，则在给定应用中的天线的调谐变得非常困难，并且在正常操作期间环境中的无法控制的变化(例如，金属物体、人手、或其它物品或材料被非预期地以及随机地引入到被天线监视的区域中)可能导致与过窄带宽组合的谐振频率的移位，引起天线的显著失谐和RFID标签检测和读取中的故障。因此，对于给定应用而言，出于实际原因，在传统贴片天线设计中存在接地平面与辐射元件之间的距离的下限，并且这约束了天线的总厚度。
对传统贴片天线的厚度的另一约束源于辐射效率(作为电磁辐射发射的进入天线的总电能的比例(fraction))。如果参考接地部与辐射元件之间的电介质厚度或间隙过小，则辐射效率将过低，因为到天线的太多能量作为流入电介质和周围环境的热量而被浪费。
上述讨论表明：(1)在UHF智能货架和类似应用中可以有效地使用贴片天线设计，并且(2)贴片类型的天线的使用甚至会是更加有利的，并且如果存在克服由高带宽和辐射效率的要求产生的对天线厚度的约束的某种方式，则更加完全地满足智能货架的前述实际要求。并且，发现简化馈电电缆或导线的附着的贴片天线的新设计将是有利的。另外，发现以下的新天线设计将是有利的，其与对于传统贴片天线设计可能的情况相比更加均匀地且在包含天线的货架的更大面积的表面上(即在辐射元件平面之上的区域中)散布UHF辐射。如上所述，UHF发射的相对短的波长(约12英寸)可能向希望能够在货架的任意位置处有效地且一致地读取标签的UHF智能货架的设计者提出挑战。更好的UHF天线设计将使此问题最小化，并且允许直接在天线的边缘之上和周围的区域中的更好的“场散布”或“场成形”。在题为“RFID Patch Antenna with Coplanar Reference Ground andFloating grounds”的2008年10月8日提交的美国专利申请No.12/247,994中描述了此类改进的贴片天线设计。在该专利申请中描述的实施例涉及在同一平面中或在间隔紧密的平行平面中具有辐射元件和参考接地元件的贴片天线设计，使得在第一平面的辐射元件与第二平面的参考接地元件之间不存在实质性的交叠。也就是说，辐射元件和接地元件可以是并排的，而不是以辐射元件在接地元件之上的形式堆叠。该发明在如前述专利申请中所述的其各种实施例中克服了传统贴片天线设计的上述限制，并得到在不牺牲带宽和辐射效率的情况下薄得多的新贴片天线。并且，与传统贴片天线方法相比，本发明能够实现更简单的天线馈电电缆附着。并且，本发明能够实现在天线周围的更均匀分布的UHF场，这使得避免死区更容易，并使得智能货架设计师能够在天线周围均匀地对场进行散布或成形。在RFID智能货架应用中以及类似的应用(其中期望用位于通常导致传统贴片天线的调谐困难的小物理空间中的低功率RFID信号对相邻定位的多个RFID标签进行询问)中，该发明在其各种实施例中、特别是除参考接地元件之外还实现浮置接地元件且该浮置接地元件位于保持主辐射元件和参考接地部的平面下面的那些实施例中，得到优异的天线增益、带宽、和调谐鲁棒性。
本发明通过添加直接电连接到主辐射元件的附加、辅助辐射元件来扩展题为“RFID Patch Antenna with Coplanar Reference Groundand Floating grounds”的2008年10月8日提交的美国专利申请No.12/247,994的思想。这些一个或多个辅助辐射元件位于包含主辐射元件的同一平面中，并在一个或多个边缘处被导电迹线附着于主辐射元件。这些辅助辐射元件可以具有与主辐射元件类似的尺寸和形状，或者其可以稍微更窄并具有更高的纵横比。向前述专利申请中所述的共面天线设计添加所述一个或多个辅助辐射元件提供多个优点。首先，带宽增加。其次，可以设计更薄的天线以满足给定的带宽要求。最后，天线辐射增益增加(即，需要较少的功率来对空间进行扫描)。
发明内容
根据实施例，提供了用于设置在储存固定装置(例如货架、柜子、抽屉、或支架)内以便在例如RFID读取器与RFID标签或应答器之间传送和接收RF信号的读取器天线。
在一个特定方面描述了一种用于射频识别系统的天线，该天线包括参考接地部；天线馈电部；用于HP和UHF信号中的一个的中间场传送和接收的主贴片天线元件，其中，所述主贴片天线元件被电耦合到所述天线馈电部；以及用于HF和UHF宽带信号中的一个的中间场传送和接收的一个或多个附加贴片天线元件，其中，所述一个或多个附加贴片天线元件中的每一个被电连接到所述主贴片天线元件的边缘以便传送和接收所述HF和UHF信号中的一个。所述一个或多个附加贴片天线元件使HF和UHF信号中的一个的增益增强。
在另一方面，提供了用于ESD保护的DC连接。
所述的读取器天线可以被放置在多种结构中，包括但不限于这样的结构，其中，对于每个天线而言，天线的主辐射天线元件和参考接地元件位于同一物理或几何平面内，或位于被电介质分层分开的两个平行的间距紧密的平面中，在辐射天线元件与参考接地元件之间几乎没有交叠，并且其中，一个或多个辅助辐射天线元件被放置为邻近于以及位于包含主辐射元件的同一平面中，或在一个或多个间距紧密的平行平面中，在主和辅助辐射元件之间没有或几乎没有交叠，并且使得每个辅助辐射元件被导电迹线电连接到所述主辐射元件的边缘。
并且，作为选择，可以在与辐射天线元件的几何平面平行的平面中或在与该平面相同的平面中包括一个或多个浮置接地平面以改善、控制或优化天线周围的电或磁场强度或形状。
在优选实施例中，RFID使能储存固定装置装配有多个贴片天线，每个贴片天线具有与各贴片天线的主和辅助辐射元件共面或基本上共面的其自己的参考接地元件。
此外，在另一实施例中，使用其中由监督控制系统来选择、激活、和另外管理天线的智能网络来实现这些RFID使能固定装置。
附图说明
在结合附图查看对本发明的特定实施例的以下说明时，本发明的这些及其它方面和特征将变得对于本领域的技术人员来说显而易见，在附图中：
图1示出现有技术的典型贴片天线设计。
图2示出如先前专利申请中描述的具有共面参考接地部的贴片天线。
图3示出其中辅助辐射天线元件已被置于主辐射天线元件附近并连接到主辐射天线元件的贴片天线的示例。
图4示出具有共面参考接地部和具有高纵横比矩形形状的共面辅助辐射天线元件的贴片天线的示例。
图5示出具有共面参考接地部和具有高纵横比矩形形状的两个共面辅助辐射天线元件的贴片天线的示例。
图6示出到天线贴片和参考接地平面的同轴电缆连接的详图。
图7示出另选辐射天线元件形状的示例。
图8示出具有天线尺寸标签的在计算机模拟中使用的传统贴片天线。
图9示出以图8所示的尺寸示出的传统贴片天线设计的回波损耗图。
图10示出关于作为传统贴片天线的天线基板(电介质层)厚度的函数的带宽的计算机模拟结果。
图11示出具有天线尺寸标签的在计算机模拟中使用的具有共面参考接地部的双贴片天线。
图12示出图11所示的双贴片天线的回波损耗图。
图13示出具有沿不同方向取向的辐射元件天线的贴片天线的示例。
图14示出具有沿不同方向取向的天线元件的贴片天线阵列的示例。
图15示出具有辐射天线元件的另选布置的贴片天线阵列的示例。
具体实施方式
现在将描述本发明的实施例和应用。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以实现其它实施例并对公开的实施例进行改变。虽然本文所公开的实施例已被特别地描述为应用于RFID系统领域，但应显而易见的是可以在具有相同或类似问题的任何技术中实施本发明。
在以下说明中，对构成其一部分并例示多个实施例的附图进行参考。应理解的是，在不脱离所提供的说明的范围的情况下可以使用其它实施例并进行结构和操作改变。
图1是示出来自现有技术的贴片天线的图。在该设计中，支撑电介质材料100将辐射电线元件110(电介质的顶面)与参考接地元件120(电介质的底面)分离。馈电点135需要电介质中的孔，使得馈电电缆(未示出)的接地元件可以附着到参考接地部120。本文所述的每个辐射天线元件也称为贴片天线元件，因为其是使用贴片天线构造形成的并用于HF和UHF信号的传送和接收，特别是用于如本文所讨论的波长量级的中间场传送。如本文进一步描述的，这些天线元件由在薄绝缘片上印刷、蚀刻、或以其它方式制造的铜或某种其它导电金属或墨的薄片形成。
图2是图示依照在上文通过引用结合于此并要求其优先权的专利申请的实施例的示例性贴片天线组件的图。在该发明的此实施例中，使用类似于一般在印刷电路板中使用的第一支撑电介质材料100来支撑辐射天线元件110和参考接地元件120。在另一实施例中，辐射天线元件可以是在薄绝缘基板上印刷、蚀刻、或以其它方式制造的铜或某种其它导电金属或墨(例如，用于贴片天线和参考接地部的铜及在聚酯薄膜上形成的迹线元件)，所述薄绝缘基板例如薄塑料片，该塑料片(图2未示出)本身在需要时被放置在诸如特定设计厚度(例如，2或3mm)的泡沫塑料的适当电介质材料100的顶部上，或者还用于安装在具有适当电介质材料的货架上。在图2中，浮置接地部130是被层压到电介质材料的顶面或底面或层压到在电介质层100上面或下面的某个其它方便载体表面(图2未示出)的固体金属片、金属箔。另选地，浮置接地部130可以是同一电路板或其它电介质材料层100的下侧上的印刷或蚀刻导体，所述电介质材料层100支撑辐射天线元件110和参考接地元件120。在本发明的实施例中，在支撑浮置接地部130的电介质材料与支撑辐射天线元件110和参考接地元件120的电介质材料之间存在空气填充的空间或间隙。在实施例中，由非导电支撑体来保持空气空间或间隙的尺寸，所述非导电支撑体将两个印刷电路板的边缘保持在固定的间隔距离。在另一实施例中，元件110、120和130全部在诸如泡沫塑料的单个电介质材料的两侧制造。天线贴片110、参考接地部120和浮置接地部130通常由固体铜金属镀层构成，但是本领域的技术人员应立即清楚的是可以将其它类型的导电材料用于天线组件的这些元件。在点150处向天线馈送信号，在点150处，在实施例中，如图所示，已经将同轴电缆140与被焊接至辐射天线元件的电缆芯导体和被焊接至参考接地元件的电缆屏蔽网附着。在实施例中，天线贴片110与浮置接地部130之间的总间隔在2和3mm之间，但是也可以使用更大或更小的间隔。容易馈送是此结构的明显优点，因为辐射天线元件110和参考接地元件120在同一平面中并相互接近地设置。
图3是图示依照实施例的示例性贴片天线组件的图。这里，辅助辐射天线元件360已被添加并经由导电迹线370实体地附着于主辐射天线元件110。在实施例中，辅助辐射天线元件被设置在主辐射元件附近并与主辐射元件共面。在其它实施例中，可以将辅助辐射元件设置在一个或多个间隔紧密的平行平面中，在主辐射元件和辅助辐射元件之间没有交叠或几乎没有交叠。应认识到，在另选实施例中，迹线370可以不一定被连接到辐射元件的边缘。该连接可以在辐射元件内部，并且其位置可以改变。
在本发明中，可以将辅助天线元件放在主天线元件的三个开放侧的任何一个上。图3示出这些位置中的一个，但不应将其视为以任何方式限制本发明。辅助辐射元件的形状和比例可以类似于主辐射元件(如图3所示)，或者其可以具有不同的形状或比例，如图4所示，其中，辅助辐射天线元件460已经经由迹线470连接到主辐射天线元件110。虽然相对于图3的设计而言，辐射带宽被略微减小，但具有此高纵横比的辅助辐射天线元件的优点是天线设计更紧凑。
根据各种实施例，贴片天线可以相当小，并在薄基板上形成。结果，其易于受到可能损坏电路组件的静电电荷积聚的影响。例如，触摸贴片天线可能产生能够损坏被耦合到贴片天线的RF组件的静电放电(ESD)脉冲。图4图示通过安全地耗散积聚电荷来提供ESD保护的DC短路连接410。特别地，DC短路连接410减少主辐射天线元件110与参考接地元件120之间的静电电荷的积聚，并且还通过强烈地抑制影响带内和带外通信的三次谐波信号来改善天线性能。
可以在与主辐射天线元件110和参考接地元件120相同的平面中提供DC短路连接410。相反，诸如微带天线的常规贴片天线可以通过PCB基板将地连接到贴片的中心，该中心由于贴片的对称性而是虚拟地。根据各种实施例，有利的是，提供与贴片和地共面的DC短路连接410，因为可能不可能或不期望通过基板来设置接地连接路线。
在实施例中，可以添加附加辅助辐射天线元件以进一步增加辐射带宽。图5示出经由迹线470和570连接到主辐射天线元件110的两个辅助辐射天线元件460和560。应认识到存在其中添加附加辅助天线元件的其它实施例。图5仅仅是以示例的方式提供的，并且并不意图限制本发明的范围和应用。
图6更详细地示出同轴电缆140到天线贴片110和参考接地部120的连接点150。同轴电缆140包括被绝缘体663分离的芯导体664和屏蔽体662。在电缆连接150中，芯导体664用焊料668连接到主辐射天线110。并且，屏蔽体662用焊料666连接到参考接地元件120。对于本领域的技术人员来说显而易见的是本可以用任何其它适当的传输线来代替本发明的图中所示的同轴电缆140，包括本发明所针对的应用中所需的能够载送信号和参考电压的微带线、共面线、或导线组，并且可以在不脱离本发明的精神的情况下进行此替换。
可以以任意图案或几何形状(例如，正方形、矩形、圆形、自由流等)来实现本发明的主辐射天线元件和辅助辐射天线元件。在图7中示出这些另选形状中的多种，包括矩形形状710、具有沿着一条对角线的修整拐角的矩形形状720、具有狭缝的矩形形状730、具有两个正交狭缝的矩形形状740、圆形形状750、具有狭缝的圆形形状760、以及具有两个正交狭缝的圆形形状770。这些另选例仅仅是以示例的方式示出的，并且不意图限制本发明的范围和应用。经修整或有角度的拐角(例如用于天线形状720的那些)和狭缝(例如在图7的天线形状730、740、760和770中使用的那些)导致天线周围的更圆形极化的场并改进标签可读性。本发明的主辐射天线元件和辅助辐射天线元件可以由金属板、金属箔、印刷或喷溅的导电墨或涂料、导电聚合物材料、金属导线网、或其它功能上等效的材料(例如，膜、板、金属薄片等)、或具有适当导电性的任何其它均质或复合材料构成。天线基板100的材料是电介质材料(例如，通常用于印刷电路板的材料)或导电性可忽略的任何其它材料(包括可以在层压或分层结构中使用的两种或更多种不同类型的此类导电性可忽略的材料的组合)。
被示为电缆140的传输线可以在任一端具有或沿着其长度设置诸如电容器或电感器的调谐组件(未示出)。根据本领域技术人员众所周知的惯例，基于天线的期望的匹配和带宽特性来选择这些调谐组件的大小(例如，电容或电感)。
可以对以下各项中的每一项进行单独调整或一起进行调整，以优化天线辐射带宽、辐射增益、辐射图案、辐射效率以及天线极化：主辐射天线元件和辅助辐射天线元件以及参考接地元件的形状、主辐射天线元件和辅助辐射天线元件以及参考接地元件之间的相对位置、导电迹线的位置和宽度、主辐射天线元件和参考接地元件的馈电位置、主辐射天线元件和辅助辐射天线元件和/或参考接地元件中的狭槽、狭缝、或其它空隙的尺寸和位置、以及浮置接地元件的存在与否、其尺寸和形状、辐射天线元件和浮置接地元件之间的电介质材料及其厚度、以及主辐射天线元件与浮置接地部之间的电连接或“短路”的位置或存在。并且，可以调整天线及其各种组件的上述特性、特别是天线元件形状、狭槽、狭缝和切割拐角的特性以达到期望的天线尺寸。例如，狭缝或狭槽的细节、或切割拐角的性质还对天线的频率响应具有显著的影响，并且可以用来增加天线的带宽。可以观察到添加具有对角线拐角切口的一个辅助正方形辐射元件向天线特性贡献两个固有谐振频率，同时添加具有高纵横比的一个辅助辐射元件可以贡献一个谐振频率。结果，辅助辐射元件的引入扩展了天线的辐射带宽。众所周知的是贴片天线的带宽随着电介质基板厚度的减小而减小。根据本发明添加一个或多个辅助辐射天线元件允许在不牺牲天线带宽的情况下使用更薄的基板。由于来自天线元件的辐射电磁场的组合效果(建设性和破坏性干涉)，辅助辐射元件的另一优点是提高增益。
对于现有技术的典型天线设计而言，在天线下面放置金属物体改变天线的谐振频率并会导致严重的失谐。本发明已经大大地缓解了这个问题。由于受约束的电磁场，即使在天线结构下面接近地放置金属板或其它导电物体(诸如金属零售品或储物架)，本发明的实施例的天线结构也表现得很好。由于为金属货架引入的浮置接地部充当反射器，所以辐射只能沿着一个方向发生。因此，天线具有较高的增益，但是通常具有减小的带宽。
执行详细的计算机模拟来证明本发明相对于现有技术的某些优点。
图8示出了具有带切割拐角(用于产生圆形极化场并增强带宽)的正方形辐射天线元件和在辐射天线元件的平面下面的平面中的正方形参考接地元件的现有技术贴片天线的特定实施例。图8中的距离A是4.65英寸，并且距离B是1.3英寸。注意，以45度角实现拐角切口。距离C(参考接地元件的边缘长度)是8英寸。图8中的两个平面之间的距离D是0.5英寸。图8中的天线的馈电点位于距离辐射元件的侧边2.975英寸(距离E)且距离辐射元件的前沿0.415英寸(距离F)处。在模拟中，使用空气作为两个平面之间的电介质基板。将铜用于辐射元件和参考接地部。假设围绕天线的材料是空气。图9示出了用于所述天线的作为频率的函数的以dB为单位的回波损耗。
图10示出了带宽(在915MHz的中心频率下)随着电介质基板厚度的减小而减小，其中，使用了空气基板。例如，对于0.5英寸的空气基板，带宽在-7dB下约为14.8％且在-10dB下约为10.5％。从图10注意到当电介质基板厚度减小至1/8英寸时，带宽在-10dB的回波损耗下仅约为4％，并且在-7dB的回波损耗下约为5％。
图11示出具有共面参考接地部120、共面主辐射天线元件110、以及与主辐射天线元件相同尺寸和形状的单个共面辅助辐射天线元件360的贴片天线(分成上下两半)的具体示例。由计算机使用以下元件尺寸来模拟此天线(参考图11)：A(主辐射元件和辅助辐射元件的长度)＝5.96in；B＝0.85in；G＝0.75in；C(迹线370相对于中心线的偏移量)＝0.1in；D＝0.44in；E(参考接地部120的馈电迹线的宽度)＝0.24in；F(主辐射元件110的馈电迹线的宽度)＝0.24in；H＝1.14in；I＝0.1in，以及J＝5.60in。注意，主辐射天线元件和辅助辐射天线元件是正方形的(即，其长度等于其宽度)。并且，注意，对参考接地部和主辐射元件的两部分馈电的迹线之间的间隔距离是0.01in。执行模拟，假设在浮置接地平面(图11未示出)在包含辐射和参考接地元件的平面下面0.125英寸。假设该0.125in的间隙具有交联泡沫的电介质性质。
图12示出图11的天线的计算机模拟的结果。辅助辐射元件的引入导致了附加谐振峰。也就是说，图12示出了三个峰值，而对应于没有辅助辐射元件的共面天线的前述专利申请(美国专利申请No.60/978,389)的图11仅示出两个峰值。可以使用图12所示的数据来计算图11的双辐射元件天线的带宽。在-7dB的回波损耗下，带宽从890MHz延展至970MHz，其对应于8.5％的带宽(参考930MHz的中心频率)。在-10dB的回波损耗下，带宽是7％。因此，对于本发明的双辐射天线元件而言(例如，图11所示)，当在相等的电介质基板厚度下相比较时，带宽比图8所示的现有技术天线大了约75％。
在本发明的另一实施例中，售货架的金属本身可以用作浮置接地部，或者，另选地，可以将货架构造为使得公共的金属片用作浮置接地平面以及用于天线组件或天线组件阵列的物理支撑体、以及可以放置在固定装置上的物体，诸如拥有RFID标签的零售物品。
图13示出了具有沿不同方向取向的辐射天线元件以改善极化的贴片天线的示例。特别地，由于DC短路连接410的存在，在辐射天线元件110与辅助辐射天线元件460之间相对相移已改变。使辅助辐射天线元件460相对于辐射天线元件110旋转例如90度可以遍及整个频带提供具有良好的圆极化比的天线。
图13仅示出具有大的圆极化带宽的一个结构，当然，通过改变单个贴片的圆极化取向(左旋或右旋)、通过改变两个贴片之间的相对相移(单个贴片的取向、以及连接470的位置和长度)，存在其它可用结构。
图13还示出了采用类似于具有DC短路连接410的图4中所述的方式、但还包括凹陷连接117，经由1-0117连接到辅助辐射天线元件460的DC短路410。使用凹陷连接117是为了在贴片天线元件110的边缘处提供狭槽，以便DC短路连接在较接近于贴片天线元件110的中心的位置处连接到贴片天线元件110，从而使得能够在没有因迹线410的添加而影响天线性能的情况下将虚拟接地部连接到地，因为辐射主要是沿着贴片的边缘。此外，图13示出了供应RF信号和地的天线馈电部115，并且天线馈电部115相对于图11可以更详细地看到。
图14示出了贴片天线阵列的示例。在实施例中，阵列中的每个天线可以沿着相同的方向取向。例如，第一天线(即，包括元件110A和460A)和另一天线(即，包括元件110B和460B)沿着相同的方向取向。此外，每个天线可以包括沿着不同的方向取向(如图13所示)的辐射天线元件。每个天线还可以以左旋圆极化或右旋圆极化进行辐射。
图15示出了具有辐射天线元件的另选布置的贴片天线阵列的示例。在实施例中，可以将第一天线(即，包括元件110A和460A)相对于另一天线(即，包括元件110B和460B)旋转180度。当然，天线阵列可以包括比所示的两个更多的天线。由对于不同的情况可以改变的应用方案来确定天线的物理取向和圆极化取向。
根据各种实施例，每个天线包括经由DC短路连接410到地120的其自己的路径。
本发明明确地包括并涵盖通过改变本说明书中描述的实施例的一个或多个特征而可以设想的所有实施例，所述特征包括辐射天线元件尺寸、形状、厚度、空隙、狭缝、或狭槽形状、参考接地元件尺寸、形状、在被辐射天线元件占据的平面的二维空间中的设置、将辐射天线元件与参考接地元件分离的距离、信号馈送线或电缆附着到辐射天线元件和参考接地元件的位置和方式、一个或多个浮置接地元件的存在与否、浮置接地平面的尺寸、形状或厚度、浮置接地部与辐射天线元件之间的间隔距离、用来将辐射天线元件与参考接地部和浮置接地部分离的电介质材料、用来制造辐射天线元件、参考接地部和浮置接地部的导电材料、在阵列中使用的天线组件的数目、或用来容纳并保护天线组件或天线组件阵列的材料和结构。
本发明还涵盖用单个天线组件(即具有单个贴片天线)来代替天线组件阵列的所有实施例。
还应注意的是，可以构造天线组件占用两个不同平面的各种天线组件阵列。例如，可以构建其中某些组件位于第一几何平面内部、且组件的剩余部分位于与第一几何平面正交的第二几何平面内部的天线组件阵列。该实施例仅仅是以示例的方式给出的，并且应注意的是两个平面不需要一定是正交的。并且，可以设想可以在天线组件的设置中使用多于两个的几何平面。在其中例如将被天线询问的RFID标签的取向是未知的、或已知是随机的或变化的某些应用中，此类天线组件的多平面阵列可以改善阵列的鲁棒性。另外，该应用可能要求特定电或磁场极化，所述电或磁场极化可以通过在多个平面中设置天线组件产生。在本发明中明确地包括对于在多个平面中设置多个天线组件而言可以设想的所有实施例。
虽然在本文中结合本发明的示例性实施例公开特定电路、组件、模块或其尺寸，但应显而易见的是可以在实现本发明的各种实施例时使用任何其它结构或功能等效电路、组件、模块或尺寸。因此，应理解的是本发明不限于本文所公开(或从本公开显而易见的)特定实施例。

Claims (21)

1.一种供在具有射频RF信号的射频识别系统中使用的天线，包括：
参考接地部；
天线馈电部；
用于RF信号的中间场传送和接收的主贴片天线元件，其中，所述主贴片天线元件被电耦合到所述天线馈电部；以及
用于RF信号的中间场传送和接收的一个或多个附加贴片天线元件，其中，所述一个或多个附加贴片天线元件中的每一个被电连接到用于RF信号的传送和接收的主贴片天线元件的边缘，以及其中，所述一个或多个附加贴片天线元件使RF信号的增益提高。
2.如权利要求1所述的天线，还包括在其上面形成了所述主贴片天线元件和所述一个或多个附加贴片天线元件的薄绝缘基板。
3.如权利要求2所述的天线，其中，所述薄绝缘基板是聚酯薄膜。
4.如权利要求2所述的天线，其中，所述RF信号是HF和UHF宽带信号中的一个，并且其中，所述薄绝缘基板与所述一个或多个附加贴片天线元件组合地提供用于HF和UHF宽带信号中的一个的足够带宽。
5.如权利要求1所述的天线，其中，一个或多个附加贴片天线元件被旋转成相对于所述主贴片天线元件具有不同的取向。
6.如权利要求5所述的天线，其中，在所述主贴片天线元件与所述一个或多个附加贴片天线元件之间，所述不同的取向是90度。
7.如权利要求1所述的天线，还包括在其上面形成了所述参考接地部、所述主贴片天线元件、以及所述一个或多个附加贴片天线元件作为共面电导体的薄绝缘基板。
8.如权利要求1所述的天线，其中，所述主贴片天线元件和所述一个或多个附加贴片天线元件被布置在多个间距紧密的平行平面中且基本上不交叠。
9.如权利要求1所述的天线，其中，所述主贴片天线元件具有与所述一个或多个附加贴片天线元件不同的纵横比。
10.如权利要求1所述的天线，其中，所述一个或多个附加贴片天线元件包括至少两个贴片天线元件，每个贴片天线元件被电连接到主贴片天线元件的边缘。
11.如权利要求1所述的天线，还包括与所述主贴片天线元件和所述一个或多个附加贴片天线元件中的每一个基本上平行并交叠的浮置接地部。
12.如权利要求1所述的天线，还包括在所述主天线元件的边缘与所述参考接地部之间的DC短路连接，其中，在所述主贴片天线元件与所述参考接地部之间的DC短路连接基本上不干扰RF信号，其中，所述DC短路连接提供用于静电脉冲从所述主贴片天线元件到所述参考接地部的静电放电路径。
13.如权利要求12所述的天线，还包括与所述主贴片天线元件和所述一个或多个附加贴片天线元件中的每一个基本上平行并交叠的浮置接地部。
14.如权利要求1所述的天线，其中，所述参考接地部、所述天线馈电部、所述主贴片天线元件和所述一个或多个附加贴片天线元件一起形成了天线组件，并且还包括多个天线组件，从而提供天线阵列。
15.如权利要求14所述的天线，其中，在公共薄绝缘基板上形成所述多个天线组件。
16.如权利要求14所述的天线，其中，所述天线组件中的一个被旋转成相对于所述多个天线组件中的其它天线组件具有不同的取向。
17.一种供在具有射频RF信号的射频识别系统中使用的天线，包括：
参考接地部；
天线馈电部；
用于RF信号的中间场传送和接收的贴片天线元件，其中，所述贴片天线元件被电耦合到所述天线馈电部；以及
在所述贴片天线元件的边缘与所述参考接地部之间的DC短路连接，其中，所述贴片天线元件与所述参考接地部之间的DC短路连接基本上不干扰RF信号，其中，所述DC短路连接提供用于静电脉冲从所述贴片天线到所述参考接地部的静电放电路径。
18.如权利要求17所述的天线，其中，所述DC短路连接包括凹陷连接，其中，所述贴片天线元件的边缘被开槽，使得所述DC短路连接在较接近于所述贴片天线元件的中心的位置处连接到所述贴片天线元件。
19.如权利要求18所述的天线，其中，所述参考接地部和所述主贴片天线元件是共面导电体。
20.如权利要求19所述的天线，还包括与所述贴片天线元件基本上平行并交叠的浮置接地部。
21.权利要求17的天线，还包括在其上面形成了所述贴片天线元件的薄绝缘基板。
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