CN102460477A - 近场耦合设备以及相关联的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文提供了可以有助于与转发器的通信的近场耦合设备。该近场耦合设备可以包括接地板、电介质基片、一个或更多个导电带和终端负载。导电带与接地板一起构成耦合元件。近场耦合设备还包括一个或更多个开关元件，以便将耦合元件与收发机选择性地连接和断开。连接的耦合元件定义了总特性阻抗。通过使用开关元件，可以改变连接的耦合元件的总特性阻抗与终端负载之间的比率，以便根据要处理的转发器的类型和位置，来调整沿着这些耦合元件的电磁场的分布。

Description

近场耦合设备以及相关联的系统和方法
技术领域
本发明涉及RFID(射频识别)系统，具体地说，涉及用于这种被配置为选择性地与一组相邻的转发器中的目标RFID转发器进行通信的系统的近场天线。
背景技术
不仅对于准确地管理资产和库存，而且在各种其它实际应用中，RFID技术正快速地变得非常重要。对于库存应用，RFID标签(其还称为转发器)正用于对零售商店、仓库、集装箱等等中的库存进行计数和识别，以允许对替代和补充货物进行更准确地记账和定购。此外，已经确定RFID技术的很多其它应用正变得越来越有利和/或合算。例如，RFID转发器正用于安全应用，以准许个人进入安全区域。RFID转发器还正用于车辆中，以便在保持车速的同时缴纳通行费。此外，甚至将RFID转发器植入到宠物中，以允许在宠物丢失的情况下准确地识别该宠物。因此，RFID技术正变得普遍存在于多种多样的应用中，并且该技术的新应用被持续不断地开发。
传统的RFID系统提供了从转发器到收发机或者从收发机到转发器的无线数据获取。在各种应用中，转发器可以是有源的(例如，电池供电的、电池辅助的或者电池支持的)或者无源的(例如，通过RF场进行激励)。传统的转发器包括有助于从收发机接收通信的天线。为了进行编码(例如，读、写)，收发机通过收发机的天线使转发器暴露于射频(RF)电磁场或者信号。在无源UHF转发器的情况下，RF电磁场激励转发器，从而使转发器能够通过重新反向辐射所接收的信号并且以称为后向散射的公知技术对场进行调制，来对收发机做出响应。在有源转发器的情况下，转发器可以通过向收发机发送独立供电的答复信号，来对该电磁场做出响应。通过这种方式，可以实现RFID技术的各种应用。
一些RFID应用使用可以在被用于系统之前被编码的转发器。在这方面，可以通过向转发器发送命令和/或数据(例如，唯一标识符)，来对转发器进行编码。可以使用多种方式来对转发器进行编码。在一些例子中，打印机可以配置有专门的印刷头或者可以用于对转发器进行编码的其它装置(例如，打印机-编码器)。编码过程可以涉及通过打印机-编码器的天线将转发器磁耦合到打印机-编码器，使得命令或者数据被发送给转发器以有助于实现该编码过程。一些传统的打印机-编码器可以对附加于或者嵌入在介质(例如，智能标签或者标记)上的转发器进行编码。当该介质通过打印机-编码器时，打印机-编码器被配置为对附加于该介质的转发器进行编码，使得这些转发器稍后可以与其它RFID系统和应用结合使用。
然而，在一些例子中，由于要被编码的转发器的对齐(justification)和类型的变化，因此在编码过程中可能发生错误(例如，不适当编码的转发器或者编码失败)。对齐是指该转发器相对于打印机-编码器的天线或者其它参考点的定位。编码错误主要源自于转发器在打印机-编码器所接收的介质上的非均匀定位或者方向。因此，转发器相对于打印机-编码器的天线的定位可能是不可预知的，并且打印机-编码器的天线所产生的电磁场对于转发器的编码来说可能不是有效的。因此，可能期望开发和实现可以说明转发器相对于近场耦合设备的定位的不可预知性的系统和天线。
发明内容
因此，本发明的示例性实施例提供了一种动态近场耦合设备，该动态近场耦合设备可以被配置为自适应地改变耦合强度和相对耦合位置。在一些实施例中，可以在打印机-编码器中包括近场耦合设备，以便提供对转发器的编码。根据各种示例性实施例，近场耦合设备可以包括一个或更多个导电带和终端负载。近场耦合设备还可以包括用于例如通过开关设备来自适应地改变耦合强度和相对耦合位置的各种模块。在一些示例性实施例中，可以通过选择一个或更多个耦合元件的总特性阻抗与终端负载阻抗的比率，来生成由近场耦合设备所产生的电磁场的方向图(pattern)。在一些实施例中，可以选择该比率，使得耦合元件的总特性阻抗大于或小于终端负载。
例如，根据本发明的实施例，提供了一种用于将收发机与目标转发器进行耦合的近场耦合设备。该近场耦合设备包括接地板、电介质基片、终端负载、第一导电带、第二导电带和开关元件。所述电介质基片接近所述接地板。第一导电带接近所述电介质基片、从端口端延伸到负载端并且连接到所述终端负载。所述第一导电带和所述接地板形成长度为一半波长或者其多倍的第一耦合元件。第二导电带接近所述电介质基片、从所述端口端延伸到所述负载端并且连接到所述终端负载。所述第二导电带和所述接地板形成长度为一半波长或者其多倍的第二耦合元件。所述开关元件用于选择性将所述第一耦合元件和第二耦合元件中的一个或更多个与所述收发机进行电连接。所连接的耦合元件定义所连接的耦合元件的总特性阻抗。在所述开关元件的第一配置中，所连接的耦合元件的总特性阻抗大于所述终端负载。在所述开关元件的第二配置中，所连接的耦合元件的总特性阻抗小于所述终端负载。
所述耦合元件的阻抗相对于彼此可以变化。举例而言，所述第一耦合元件在隔离时的阻抗可以约等于或者大于所述第二耦合元件在隔离时的阻抗。再举例而言，所述第一导电带的宽度可以约等于或者大于第二导电带的宽度。
所述近场耦合设备还可以包括一个或更多个额外的导电带。每一个额外的导电带可以形成长度为一半波长或者其多倍的额外的耦合元件。所述开关元件可以被进一步配置为选择性地连接所述额外的耦合元件，并且进一步调整所连接的耦合元件的总特性阻抗。
所述第一导电带和所述第二导电带中的每一个可以定义直线形状并且可以与另一个导电带平行。
所述第一导电带和所述第二导电带可以被配置为产生电磁场，并且能够在所述目标转发器移动通过所述电磁场时激励所述目标转发器。
在另一个实施例中，提供了一种包括处理器的装置。该处理器可以被配置为：接收转发器类型和转发器位置对齐的指示；以及至少根据所述转发器类型和所述转发器位置对齐来连接近场耦合设备的一个或更多个耦合元件，以相对于所述近场耦合设备的终端负载来配置所述耦合元件的总特性阻抗。
被配置为连接所述一个或更多个耦合元件的处理器还可以包括：被配置为连接所述一个或更多个耦合元件，以便将所述耦合元件的总特性阻抗配置为大于或小于所述终端负载。例如，被配置为连接所述一个或更多个耦合元件的处理器可以包括：被配置为连接所述一个或更多个耦合元件，以便当所述转发器类型描述环状型转发器并且所述转发器位置对齐是边缘对齐的时将所述耦合元件的总特性阻抗配置为大于所述终端负载。
被配置为连接所述一个或更多个耦合元件的处理器还可以包括：被配置为通过控制与所述一个或更多个耦合元件相关联的各个开关设备，来连接所述一个或更多个耦合元件。
所述处理器可以被进一步配置为：通过向所述近场耦合设备的端口提供信号的传输，来对一个或更多个转发器进行编码。
根据另一个实施例，提供了一种方法。该方法可以包括：接收对转发器类型和转发器位置对齐的指示；以及至少根据所述转发器类型和所述转发器位置对齐来连接近场耦合设备的一个或更多个耦合元件，以便相对于所述近场耦合设备的终端负载来配置所述耦合元件的总特性阻抗。
连接所述一个或更多个耦合元件的操作可以包括：连接所述一个或更多个耦合元件，以便将所述近场耦合设备的耦合元件的总特性阻抗配置为大于或小于所述终端负载。例如，连接所述一个或更多个耦合元件可以包括：连接所述一个或更多个耦合元件，以便当所述转发器类型是环状型转发器并且所述转发器位置对齐是边缘对齐的时将所述耦合元件的总特性阻抗配置为大于所述终端负载。
连接所述一个或更多个耦合元件的操作可以包括：被配置为通过控制与所述一个或更多个耦合元件相关联的各个开关设备，来连接所述一个或更多个耦合元件。
该方法还可以包括：通过向所述近场耦合设备的端口提供信号的传输，来对一个或更多个转发器进行编码。
附图说明
图1示出了根据本发明的示例性实施例的打印机-编码器的侧视图；
图2示出了根据本发明的示例性实施例的介质单元在打印机-编码器中的馈送路径的侧视图；
图3a示出了根据本发明的示例性实施例的长而窄的偶极型转发器的示例；
图3b示出了根据本发明的示例性实施例的长而窄的偶极型转发器的另一个示例；
图3c示出了根据本发明的示例性实施例的长而窄的偶极型转发器的另一个示例；
图3d示出了根据本发明的示例性实施例的长而窄的偶极型转发器的另一个示例；
图3e示出了根据本发明的示例性实施例的长而宽的两端口IC偶极型转发器的示例；
图3f示出了根据本发明的示例性实施例的长而宽的端口IC偶极型转发器的另一个示例；
图4a示出了根据本发明的示例性实施例的小的环状型转发器的示例；
图4b示出了根据本发明的示例性实施例的小的环状型转发器的另一个示例；
图4c示出了根据本发明的示例性实施例的小的环状型转发器的另一个示例；
图4d示出了根据本发明的示例性实施例的小的环状型转发器的另一个示例；
图4e示出了根据本发明的示例性实施例的小的环状型转发器的另一个示例；
图4f示出了根据本发明的示例性实施例的小的环状型转发器的另一个示例；
图5a示出了根据本发明的示例性实施例的近场耦合设备的示意图；
图5b示出了根据本发明的示例性实施例的另一种耦合设备的示意图；
图5c示出了根据本发明的示例性实施例的另一种耦合设备的示意图；
图5d示出了根据本发明的示例性实施例的另一种耦合设备的示意图；
图6a是沿着偶极型天线的长度的电流分布的图示说明；
图6b是偶极型天线的磁场强度分布和电场强度分布的说明；
图7a是根据本发明的示例性实施例、在Ansoft HFSS软件上仿真的磁场分布的说明，其中，最大场强位于具有比终端负载阻抗更低的特性阻抗的半波长耦合设备的中心附近；
图7b是根据本发明的示例性实施例、在Ansoft HFSS软件上仿真的沿着具有比终端负载阻抗更高的特性阻抗的半波长耦合设备的磁场强度和电场强度的图示说明；
图7c是根据本发明的示例性实施例、在Ansoft HFSS软件上仿真的磁场分布的说明，其中，最大磁场强度位于具有比终端负载阻抗更高的特性阻抗的半波长耦合设备的纵向边缘附近；
图8是根据本发明的示例性实施例的边缘对齐网格的馈送路径的俯视图的说明；
图9是根据本发明的示例性实施例的中心对齐网格的馈送路径的俯视图的说明；以及
图10示出了根据本发明的另一个示例性实施例的近场耦合设备的示意图。
具体实施方式
下面参照附图来更充分地描述本发明，在附图中，示出了本发明的一些而不是所有实施例。当然，本发明可以以多种不同的形式体现，并且不应解释为受到本文阐述的实施例的限制；相反，提供这些实施例使得本发明将满足适用的法律规定。贯穿全文的相同附图标记是指相同元件。本文所使用的术语“示例性”并不是用于表达任何定性评估，而是仅仅用于表达例子的说明。
本发明的示例性实施例涉及一种用于使RFID收发机能够与转发器进行通信的装置，其中该转发器可以混合在多个相邻的转发器之中或者放置在多个相邻的转发器附近。对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，下面描述与目标转发器进行通信的本发明的各种示例性实施例，在一些例子中，其几乎不需要转发器的电磁隔离。然而，本发明的一些示例性实施例可以使用例如占用空间的屏蔽壳体、消声室、或者相对更复杂、耗时或昂贵的冲突管理技术。
本发明的多个示例性实施例可以用于对无源或有源转发器进行编码(例如，读或写操作)，其中，该转发器附加于例如正通过打印机-编码器馈送的介质的一部分上、装配线上的或库存管理中心中的项目上或者各种其它环境(其包括转发器彼此紧邻的环境)中。在各个实施例中，可以将一个或更多个转发器安装在介质(例如，可以在衬垫(liner)或载体上携带的标签、票、卡、其它介质形式等等)的一部分上或者嵌入到介质的一部分中。在可替换的无衬垫实施例中，可以不需要衬垫或者载体。本文将这种具有RFID能力的标签、票、标记、其它介质形式等等统称为“介质单元”、“智能介质单元”或者“RFID智能卡”。对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，可能期望在与其相应的转发器进行通信之前、之后或者期间，将诸如文本、编号、条形码、图形等等的记号打印到这些介质单元上。
可以从本发明的实施例中的一个或更多个中受益的RFID系统的示例是具有RFID能力的打印机系统，本文还将其称为“打印机-编码器”或者RFID打印引擎应用器。在共同拥有的美国专利No.6,848,616、7,137,000、7,398,054和7,425,887以及美国出版物No.2007/0216591、2007/0262873、2008/0074269、2008/0117027和2008/0238606中公开了打印机-编码器的示例，其通过引用的方式被并入本文。
图1示出了可以配置为对一系列或一连串介质单元124进行打印和/或编码的RFID打印机-编码器120的示例。打印机-编码器120可以包括多个组件，例如印刷头128、压盘滚筒129、剥离(peeler)条132、滚筒136、色带卷带盘140、色带供卷筒141、收发机142、控制器145和诸如近场耦合设备150等的RFID耦合设备。打印机-编码器120的配置还可以定义馈送路径130、介质退出路径134和载体退出路径138。
如上所述，介质单元可以包括可以由基片衬垫或网格122携带的标签、卡等等。网格122可以被定向为沿着馈送路径130并且位于印刷头128和压盘滚筒129之间，以允许将记号打印到介质单元124上。色带供卷筒141可以包括沿着某个路径延伸的热感打字带(为了清楚说明起见，没有示出)，使得该色带的一部分位于印刷头128和介质单元124之间。印刷头128可以对色带的一部分进行加热并将其压到介质单元124上，以便将记号打印到介质单元124上。色带卷带盘140可以被配置为接收并缠绕已使用的色带。可以将使用所描述方式的打印称为热转移打印。可以使用多种其它打印技术，其包括但不限于：直接热敏打印、喷墨打印、点阵打印、电子照相印刷、激光等等。
在打印之后，介质单元网格122可以进入到介质退出路径134，在介质退出路径134处，可以从网格122移除介质单元。例如，在一个示例性实施例中，可以使用剥离条132将预先裁切的介质单元124从网格122中剥离，以便将介质单元与支架123分离，如图所示。在其它示例性实施例中，可以将一组多个介质单元一起剥离，并向下游传送到内嵌的切割机以进行后续分离(没有示出)。对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，可以使用各种其它已知的介质单元移除技术。
在诸如介质单元124由网格122进行支撑的所描绘的实施例等的应用中，网格122一旦与介质单元分离，就可以由滚筒136或者其它设备定向为沿着朝向载体退出路径138的路径。可以将用于沿着打印机-编码器的整个馈送路径传送或者引导介质单元的网格的技术和结构称为运输系统。
收发机142和近场耦合设备150可以被配置为通过由例如处理器进行控制，来与介质单元上的目标转发器进行通信。收发机142和/或近场耦合设备可以由硬件和/或软件配置的处理器进行控制，使得可以通过处理器来提供通信信号，以例如对转发器进行编码。在一些示例性实施例中，当附加于介质单元124的转发器沿着馈送路径130通过近场耦合设备150时，可以对该转发器进行编码。
收发机142可以被配置为生成和发送RF通信信号，其中该RF通信信号可以通过位于介质馈送路径130和相应的介质单元附近的近场耦合设备150来进行广播。为了本说明书的目的，可以将收发机142和近场耦合设备150统称为构成通信系统的至少一部分。收发机142生成的或者无源转发器重新辐射的(或者有源转发器生成的)通信信号可以处于超高频(UHF)频段。然而，本发明的一些实施例还可以被配置为：使用分配用于RFID通信的各种其它各个频带(例如、但不限于：甚高频(VHF)、高频(HF)等等)来进行操作。如下面更详细解释的，RFID询问系统在收发机和位于预定区域(本文也将其称为编码区域)内的介质单元的目标转发器之间的相互耦合链路上，生成用于该转发器激励的电磁场，使得可以从该转发器读取数据和/或向该转发器写入数据。
通常，RFID系统中的收发机(例如，收发机142)可以是被配置为通过使用天线或者紧邻的近场耦合设备，来生成、处理和接收电信号的设备。本领域技术人员将清楚的是，诸如读取器、发射机、接收机或者发射机-接收机之类的类似设备可以用于本发明，或者作为本发明的一部分。此外，本申请和所附权利要求书中使用的术语“收发机”指代上面所述的设备和能够生成、处理或者接收电和/或电磁信号的任何设备。
图5a至图5d描绘了可以用于管理收发机-转发器数据通信的近场耦合设备150的各种示例性实施例。近场耦合设备150可以由收发机使用或者另外与收发机结合使用(图5a至图5d中没有示出)。近场耦合设备150可以包括一个或更多个终止的辐射元件或者导电带530、540a-h。导电带530、540a-h可以电连接到端口500(例如，输入/输出端口、RF端口等等)和终端负载510。导电带530、540a-h可以是可开关的导电带，使得导电带530、540a-h可以通过开关设备520a-h连接到端口500或者终端负载510。
端口500可以(可能通过一个或更多个开关设备)将收发机连接到一个或更多个导电带。此外，可以使用端口500来向导电带530和540提供信号，以便通过这些导电带进行无接触通信。终端负载510可以在第一终端处可能通过一个或更多个开关设备520a-h连接到所述一个或更多个导电带，并且可以在第二终端处接地。
近场耦合设备150还可以包括电介质基片550和接地板560。电介质基片550可以具有第一表面和与第一表面相反的第二表面。导电带530和540可以附加于电介质基片550的第一表面上。接地板560可以附加于电介质基片550的第二表面上。接地板560可以具有多种形状。例如，接地板560通常可以是矩形或者圆形，和/或对应于近场耦合设备的整体形状或者遵循一个或更多个导电带的形状。接地板560可以是由铜、金、银、铝或者其组合、掺杂硅或锗、或者任何导电材料构成。电介质基片550的一般形状可以随应用而变化。例如，电介质基片550可以是相对较大的印刷电路板的一部分。电介质基片550可以由各种绝缘材料制成或构成，其包括但不限于：塑料、玻璃、陶瓷或者诸如罗杰斯材料、Isola材料、或编织玻璃纤维增强环氧树脂层压板之类的组合(其通常称为“FR4”或阻燃4)。此外，空气也可以用作为绝缘材料。本领域技术人员将清楚的是，可以使用这些或其它材料来实现或者使用特定的介电常数。例如，更高的介电常数值或者电容率可以允许耦合器50的尺寸(其包括电介质基片的厚度和导电带的长度)的进一步减小。
在编码操作期间，随着来自收发机的电信号通过导电带中的一个或更多个，这些导电带和接地板作为耦合元件进行操作。可以定义耦合元件的半波长段，使得耦合元件的特性阻抗不需要与终端负载阻抗匹配或者不匹配。因此，近场耦合设备150可以作为一个或更多个半波长不匹配耦合元件进行操作，而不是作为驻波辐射天线或者磁场生成线圈进行操作。由于近场耦合设备150的结构，因此导电带中的通过电流产生主要集中在近场耦合设备的近场区域中的电磁场。
具体而言，如图6b、7a和7c所示，本发明的示例性近场天线实施例所产生的波辐射可以创建从所述一个或更多个导电带的边缘发出的近场效应，如下面进一步描述的。该近场效应可以与通过编码区域的目标转发器进行耦合，如下面参照图2进一步描述的。为了本发明和所附权利要求书的目的，术语“近场效应”是指一个或更多个相对集中的电磁场(其通常还被称为“泄漏”电磁场)，如L.O.McMillian等人于1997年在Progress inElectromagnetics Research、PIER 17、23-337的“Leaky Fields on Microstrip”中以及与Tsirline共同拥有的美国专利No.7,398,054和与Tsirline等人共同拥有的美国专利出版物No.2005/0045724、2007/0262873和2007/0216591中进一步描述的，其通过引用的方式被完整地并入本文。可以对依赖于这种泄漏电磁场的耦合器或者天线耦合器(其称为近场耦合设备)的有效范围进行限制，这是因为随着与近场耦合设备的距离增加，这些场以指数速率下降。这种有限的范围可以减少从近场耦合设备发出的电磁场对位于期望的编码区域之外的转发器进行激励的可能性。
例如，图2示出了相对于近场耦合设备150的馈送路径130的简化视图。如图2所示，近场耦合设备150包括导电带530和540、电介质层550和接地板560。沿着馈送路径130行进的介质单元124可以包括转发器220并且附加于网格(没有示出)上。由近场耦合设备150产生的电磁场具有近场强度和远场强度。如上面所解释的，近场耦合设备150可以被配置为产生具有与远场中的强度不同的近场中的强度的电磁场。在一些示例性实施例中，远场中的强度可能太弱而不能激励转发器或者与转发器进行通信，而近场中的强度可能足够强以激励转发器。换言之，近场耦合设备150可以被配置为产生这样的电磁场，即，其具有太弱而不能激励转发器的远场中的强度以及足以激励转发器的近场中的强度。
随着介质单元124和转发器220沿着馈送路径130移动，转发器220可以到达耦合设备150的近场能量足够用于进行转发器编码的位置，即，转发器可以到达该转发器处于由近场耦合设备所产生的电磁场的近场之中并且该场强足以对转发器进行激励的位置。在耦合设备150的近场中，沿着转发器最初被激励的馈送路径130的与诸如撕裂条(tear bar)、打印线等的任何参考点(例如，所示出的实施例中的点210)最近的距离可以定义转发器的“编码起始距离”。
此外，根据各种示例性实施例，可以将近场耦合设备的编码范围200定义为：所述起始距离到不能再进行转发器编码过程的第二点或者位置，即，转发器获得与近场耦合设备150不足够的耦合并且到达电磁场强度不能激励该转发器的位置的位置。编码范围取决于近场耦合设备的特性和转发器的形状因素(即，物理尺寸)二者。在一些示例性实施例中，近场耦合设备150的编码范围可以是两到三英寸。编码起始点210和编码范围200可以一起定义可以使用近场耦合设备在转发器和收发机之间发生通信的编码区域。在一些实施例中，编码区域可以约等于或小于转发器的形状因素，因此，近场耦合设备能够一次仅对一个转发器进行编码。下面的参数可以定义用于特定类型转发器的打印机编码性能：(1)相对于打印机中的参考点(例如，印刷头)的编码起始点；(2)编码范围；以及(3)确保对转发器进行成功编码必需的RF工作功率电平。
在诸如便携式和紧凑型系统(例如，RFID打印机-编码器)等的一些应用中，近场耦合设备可以在印刷头附近或邻近。例如，近场耦合设备可以距离印刷头足够近，并具有使一些类型的转发器的编码区域中的至少一部分与印刷头重叠的较短的编码范围(例如，相对于印刷头或者撕裂条的编码起始距离可以是0)，这可以允许系统对最短的可能标签进行编码，或者在标签之间维持最短的节距。换言之，系统可以被配置为使得该系统可以在收发机与介质单元的转发器进行通信的同时将记号打印到同一介质单元上。为了维持系统的整体紧凑性设计，近场耦合设备和印刷头的紧邻是必须的或者期望的。
可以结合本发明的实施例使用的转发器的类型或种类可以变化。图3a至图3f示出了可以根据本发明的各个方面实现的第一类或第一组转发器。由于转发器的天线的结构，因此可以将图3a至图3d中描绘的示例性转发器称为长而窄或者长的偶极型转发器。图3e和图3f中描绘的示例性转发器可以称为长而宽的。图4a至图4f示出了可以根据本发明的各个方面实现的第二类或第二组转发器。由于转发器的天线的结构，因此可以将图4a至图4f中描绘的示例性转发器称为项目级或者小环状型转发器。诸如“长而窄”、“长而宽”、“大”和“小”之类的术语旨在指示与RFID系统和转发器的工作波长相比或者与转发器的相对尺寸相比的转发器的相对大小。举例而言，大偶极型可以约为3英寸长(即，偶极型的最大尺寸)并且可以约为3-6英寸宽，小环状型可以约为1英寸长和1英寸宽。
通常，在近场耦合设备的工作频带或频谱的中心处(或者在工作频率处)，不管由所述一个或更多个导电带和接地板的结构所构成或定义的一个或更多个耦合元件的特性阻抗如何，具有长度为一半波长或者其多倍的一个或更多个耦合元件的端口阻抗都基本等于终端负载阻抗。因此，在一些实施例中，所述一个或更多个耦合元件的长度可以是一半波长或者其多倍(即，该长度可以基本等于N*λ/2，其中N可以等于1、2、3、4、5、...)，并且终端负载可以被配置为与源阻抗相匹配，以便基本匹配源阻抗和输入阻抗。
在一些示例性实施例中，可以基于将在RFID系统中使用的通信信号的预先确定的波长和电介质基片的电容率，来确定导电带530和540的长度。在这方面，导电带530和540的长度可以是半波长(或半波)或者半波的整数倍。在一些示例性实施例中，导电带530和540a-h可以被配置为呈现半波偶极天线的属性。
耦合元件的特性阻抗可以由该耦合元件的横截面结构来定义。对于耦合元件是导电带和接地板的实施例来说，横截面可以主要由导电带的宽度和厚度以及到接地板的距离来定义。由于对于具有长度为一半波长或者其多倍的实施例来说，其在中心工作频率处，对近场耦合设备的端口阻抗没有影响或者具有最小影响，因此可以规定导电带的尺寸以实现与目标转发器的适当耦合，同时终端负载被配置为维持近场耦合设备和收发机之间的阻抗匹配。例如，可以减小或者增加导电带的宽度，以产生近场耦合设备的期望工作带宽。通常，认为耦合元件的阻抗与终端负载的值(例如，50Ohm)越近，带宽就越宽或者具有某种限制的截止频率就越高。可以修改终端负载的阻抗，以匹配源阻抗(例如，RF信号源阻抗、收发机阻抗、系统阻抗)。
由导电带产生的电磁场方向图可以集中在这些导电带和接地板之间，因此，这些导电带上的场强相对较低。当与终端负载相比，耦合元件(其由一个或更多个导电带和接地板构成)的总特性阻抗更低时，则磁场分量的最大强度近似处于这些耦合元件或近场耦合设备的中心，并且电场分量的最大强度近似处于这些耦合元件或近场耦合设备的边缘，如图6a和图6b中所示。图7a示出了与具有小于终端负载的耦合元件的总特性阻抗的耦合元件相邻的磁场强度的表示。参照图7a，应当注意的是，在耦合元件的中心附近或者在耦合元件的中心处，磁场强度最大。
根据本发明的示例性实施例，虽然耦合元件的特性阻抗和终端负载阻抗之间的关系可以变化，但是为了使耦合元件的中心处的磁场最大，耦合元件的总特性阻抗可以低于终端负载。此外，使用基本等于源阻抗并且大于或者低于耦合元件的特性阻抗的负载来终止耦合元件形成了本领域所公知的“带通滤波器”。带通滤波器是被配置为在不降低幅度或功率的情况下传送具有特定频率或者具有特定带宽的信号的设备。例如，近场耦合设备可以具有902MHz-928MHz的工作频带以及915MHz的中心工作频率。再举一个例子，工作频带可以是从870MHz到953MHz。
当与终端负载的阻抗相比，所述一个或更多个耦合元件的总特性阻抗更大时，磁场分量的最大强度可以处于耦合元件的边缘，并且电场分量的最大强度可以处于耦合元件的中心。图7b示出了沿着具有大于终端负载的特性阻抗的半波长耦合元件的电场分布和磁场分布的相对强度的图形表示。此外，图7c示出了与具有大于终端负载的特性阻抗的耦合元件相邻的磁场强度的另一个二维表示。参照图7c，应当再次注意，由于与终端负载相比，耦合元件的特性阻抗更大，因此磁场强度在该耦合元件的末端处或者通过该末端时最大。在由本申请的发明者之一创作的“UHF RFIDAntennas for Printer-Encoders-Part 1：System Requirements”，High FrequencyElectronics，Vol.6，No.9，September 2007，pp.28-39中，进一步详细讨论了耦合元件(例如，微带和带状传输线)的电场分量和磁场分量的分布，故通过引用的方式将该文献完整地并入本文。
因此，近场耦合设备150的一个或更多个耦合元件的总特性阻抗与近场耦合设备150的终端负载之间的比率(其可以称为“阻抗比”)的选择可以允许由近场耦合设备150形成的电场方向图和磁场方向图的变化。因此，通过调整阻抗比，可以控制最大电场或者磁场的位置。涉及转发器的编码的各种测试已经确定，当接近相对较强的磁场分量时，一些转发器被激励，或者需要应用于近场耦合设备的较少RF功率。具体而言，已经发现，诸如图4a到图4c中所描绘的环型转发器以及诸如图4d至图4f中所描绘的具有小环型元件的微型偶极型转发器对于磁场分量敏感。因此，在例如编码过程期间，期望基于环型或者其它类型转发器的位置，来调整最大磁场的位置。
根据本发明的示例性实施例，可以使用用于修改阻抗比的各种单元。例如，开关设备520可以被配置为选择性地连接相关联的导电带，从而在近场耦合设备150的连接的耦合元件的总特性阻抗中引入改变。本文所使用的术语“连接的”或“连接”是指导电带或耦合元件电连接到端口500和终端负载510，使得耦合元件通过端口500从收发机接收信号，并且广播这些信号。开关设备520可以是电极(Pole)的具有50Ohm阻抗的RF开关以及能够建立或中断与耦合元件的电连接的每一个掷开关设备。在一些示例性实施例中，开关设备520可以是机械开关、晶体管、PiN二极管等等。开关设备520可以由处理器(例如，软件和/或硬件配置的处理器，其包括现场可编程门阵列(FPGA))、控制器、其它组合逻辑等等来进行控制。在这方面，处理器可以被配置为获取和执行计算机可读存储介质上存储的程序指令，以便对开关设备520进行控制。
图5a示出了基于阻抗比的修改而具有自适应场方向图的近场耦合设备150的一个示例性实施例。图5a的近场耦合设备150包括形成两个耦合元件531和541a的两个导电带530和540a。在隔离时(即，当该耦合元件是唯一连接的耦合元件时)，每一个耦合元件的特性阻抗可以是相等的。相等的特性阻抗可以由于例如导电带530和540a具有相等宽度而产生。可以通过打开或关闭开关设备520a，来修改图5a的近场耦合设备150的连接的耦合元件的总特性阻抗(即，第一连接的耦合元件531和第二连接的耦合元件541a的特性阻抗的并联组合)。近场耦合设备150的连接的耦合元件的总特性阻抗可以在开关设备520a打开时具有第一值并且在开关设备520a关闭时具有第二值。例如，与终端负载510相比，第一值可以更大，从而在耦合元件531的末端附近导致最大磁通量。与终端负载510相比，第二值可以更小，从而在耦合元件531和541a的中心附近导致最大磁通量。
图5b示出了基于阻抗比的修改而具有自适应场方向图的近场耦合设备150的另一个示例性实施例。图5b的近场耦合设备150包括任意数量的导电带，其可以包括导电带530、540b、540c和540d。这些导电带中的每一个与接地板一起构成耦合元件531、541b、541c和541d。在彼此之间隔离时，每一个耦合元件的特性阻抗可以是相等的。在导电带由相同的物质(例如，铝)形成的示例性实施例中，可以通过以每一个导电带具有相同的尺寸的方式形成这些导电带，来使这些耦合元件的特性阻抗相等。可以通过打开或关闭开关设备520(例如，开关设备520a、520b和/或520c)，来修改一个或更多个耦合元件的总特性阻抗。因此，近场耦合设备150的连接的耦合元件的总特性阻抗可以基于开关设备250的配置而变化。因此，由图5b的近场耦合设备150产生的电场方向图和磁场方向图可以包括：在这些耦合元件的末端附近或者从该处向外延伸的最大磁场强度、这些耦合元件的中心附近的磁场强度或者位于所述末端和中心之间的最大磁场强度。
图5c示出了基于阻抗比的修改而具有自适应场方向图的近场耦合设备150的另一个示例性实施例。图5c的近场耦合设备150包括两个导电带530和540e以及接地板560，其一起形成两个耦合元件531和540e。当彼此之间隔离时，耦合元件531和541e的特性阻抗可以是不同的。特性阻抗的差别可以由于例如导电带530和540a具有不同宽度而产生。可以通过打开或关闭开关设备520e，来修改图5c的近场耦合设备150的连接的耦合元件531和541e的总特性阻抗(即，连接的耦合元件531和耦合元件541e的特性阻抗的并联组合)。连接的耦合元件的总特性阻抗可以在开关设备520e处于打开配置(即，导电带540e是未连接的)时具有第一值并且在开关设备520e是关闭配置(即，导电带540e是连接的)时可以具有第二值。例如，与终端负载510相比，第一值可以更大，从而在耦合元件531的末端附近导致最大磁场强度。与终端负载510相比，第二值可以更小，从而在耦合元件531和541e的中心附近导致最大磁场。
图5d示出了基于阻抗比的修改而具有自适应场方向图的近场耦合设备150的另一个示例性实施例。图5d的近场耦合设备150包括任意数量的导电带(其可以包括导电带530、540f、540g和540h)和接地板560，其一起形成耦合元件531、541f、541g和541h。在隔离时，每一个耦合元件的特性阻抗可以是彼此不同的。例如，由于导电带530、540f、540g和540h的宽度可以不同，因此在隔离时，每一个耦合元件的特性阻抗可以彼此不同。可以通过打开或关闭开关设备520(例如，开关设备520f、520g和/或520h)，来修改图5b的近场耦合设备150的连接的耦合元件的总特性阻抗(即，连接的耦合元件531、541f、541g和541h的特性阻抗的并联组合)。基于开关设备250的配置，近场耦合设备150可以具有可变的阻抗比。因此，由图5d的近场耦合设备150产生的电场和磁场方向图可以形成：在连接的耦合元件的末端附近或者从该处向外延伸的最大磁场强度、连接的耦合元件的中心附近的磁场强度或者更集中在所述末端和中心之间的磁场强度。
图5a至图5d示出了本发明的示例性近场耦合设备实施例，其通常包括直线且平行的导电带。举例而言，这些导电带的传导材料可以是铜、金、银、铝或者其组合、掺杂硅或锗等等。本领域技术人员将清楚的是，本发明的示例性耦合设备还可以包括非平行、非直线或者锥形轮廓的导电带。例如，本发明的一些实施例可以包括一系列连接的导电带。为了本说明书和所附权利要求书的目的，术语“非直线轮廓”是指在方向上具有一个或更多个转弯或改变的一段导电线或导电带。非直线部分可以具有严格定义的转折点，以呈现为Z字形结构，或者可以具有相对平滑的转折点，以呈现为波纹结构。在与Tsirline等人共同拥有的美国专利No.7,398,054和美国专利出版物No.2005/0045724中，描述了使用Z字形结构的各种其它示例性近场耦合设备，其通过引用的方式完整地并入本文。在与Tsirline等人共同拥有的美国专利申请出版物No.2007/0262873和2008/0238606中，描述了使用锥形轮廓的各种其它示例性近场耦合设备，其通过引用的方式完整地并入本文。
然而，在图5a至图5d中示出的实施例中，耦合元件采用了微带线的形式。在其它实施例中，耦合元件可以采用其它传输线结构的形式，例如，带状线、槽线或鳍线。例如，近场耦合设备的各种其它示例性实施例可以使用带状线结构，如与Tsirline等人共同拥有的美国专利申请出版物No.2007/0216591和2007/0262873中进一步描述的，其通过引用的方式完整地并入本文。在其它实施例中，耦合元件可以采用平面波导的形式，例如，图10所示的共面波导(CWG)1000。再举一个例子，近场耦合设备的各种其它示例性实施例可以使用CWG结构，如于2007年12月18日提交的与Tsirline等人共同拥有的美国专利申请No.11/959,033中进一步描述的，其通过引用的方式完整地并入本文。如上面所并入的参考文献中进一步描述的，对于近场耦合设备，传输线的导电带和接地板或者CWG结构作为传输线进行操作，而不是作为驻波辐射天线或者磁场产生线圈进行操作。
根据本发明的各种实施例，可以调整电磁场的方向图，以便与参照图2所描述的编码区域中的目标转发器的布置、方向或其它需求相对应。例如，如上所讨论的，在打印机-编码器中，转发器220可以附加于或者嵌入到如图2中所示的一连串单个介质单元124中。然而，介质单元124的大小和形状或者转发器220在介质单元124中的布置可以根据该介质单元配置而变化。通过修改阻抗比来改变电磁场的方向图，近场耦合设备150可以适应不同位置或方向的转发器220和/或不同类型的转发器(例如，偶极和环形)，而几乎不用改变近场耦合设备150的编码范围200或者几乎不需要RF功率调整。
图8示出了根据本发明的各种实施例的介质单元相对于近场耦合设备150的示例性布置。可以相对于馈送路径130交叉地布置近场耦合设备150，使得近场耦合设备的一个或更多个导电带的长度与馈送路径130正交。介质单元124在打印机-编码器中的对齐可以称为边缘对齐(其还称为边对齐)或者中心对齐。图8示出了边缘对齐系统的示例，并且具体地说，左边缘对齐系统。此外，介质单元所附加于的网格可以具有较窄的宽度，例如，小于6英寸。在一些实施例中，网格的宽度可以是2英寸。在边缘对齐的系统中，可以在近场耦合设备150的边缘附近或者与该边缘对齐放置介质单元124并且因此转发器220。在该示例中，可以在近场耦合设备150的左侧附近放置介质单元124和转发器220。因此，被配置为在近场耦合设备的边缘附近具有最大磁场强度的近场耦合设备150可能是期望的，特别是由于图8的转发器220可以代表有利地对较强的磁场做出响应的环形转发器(例如，图4a至图4c中所描绘的那些)。因此，可以配置近场耦合设备的开关设备，使得与终端负载的阻抗相比，近场耦合设备的连接的耦合元件的总特性阻抗可以更大。
图9示出了中心对齐系统或者中心对齐转发器定位系统的示例。在中心对齐系统中，介质单元124并且因此转发器220可以位于耦合设备150的导电带的中心附近。因此，通过控制近场耦合设备150的开关设备，可以修改阻抗比。在一些实施例中，即使磁场最大值可能在近场耦合设备150的边缘附近，所述一个或更多个连接的耦合单元的、比终端负载的阻抗更大的总特性阻抗可以足以与中心对齐转发器(例如，长而窄或者大的偶极型转发器，如图3a至图3f中所描绘的那些)进行通信，其中该转发器可以由图8的转发器220来表示。然而，也可以使用具有所述一个或更多个连接的耦合元件的、比终端负载的阻抗更小的总特性阻抗的近场耦合设备来与中心对齐转发器进行通信。因此，在处理长而窄和大的偶极型转发器的中心对齐系统时，来自耦合设备的电场和磁场分量可以最佳地与转发器的中心对齐，以有助于实现强耦合，并因此通过该耦合设备实现转发器和收发机之间的可靠通信。在一些例子中，长而窄或者大的偶极型转发器可以相对于耦合设备来说足够大，使得即使在边缘对齐系统中转发器也可以足够靠近导电带的中心，以便与中心对齐系统相比，不对近场耦合设备与在边缘对齐系统中的转发器进行通信的能力造成显著的差别。
本发明的另一个方面是用于针对特定的介质单元配置来修改打印机-编码器的近场耦合设备150的电磁场分布或方向图的方法。该方法包括：如图1所示，加载打印机-编码器120，其中，介质单元124的网格122具有嵌入或者连接的转发器，以及如图2所示，将至少一个介质单元124推进到编码区域200。可以根据本发明的示例性实施例来使用用于改变近场耦合设备150的属性的各种方法。
在一个示例性实施例中，打印机-编码器120可以包括传感器或者用于检测和辨别介质单元类型(例如，具有环型转发器还是大的偶极型转发器的介质单元)的其它模块。在一些示例性实施例中，收发机可以例如通过第二或者补充天线与例如介质的卷筒上的特定、另外的标识转发器或者该介质的第一转发器进行通信，以确定介质单元类型。此外，打印机-编码器120可以包括可以识别介质单元的对齐或者交叉位置的传感器。在一些实施例中，包含在打印机-编码器120中的处理器可以被配置为检测或接收关于介质单元类型和对齐(例如，转发器的交叉位置和其它转发器放置参数)的数据或信息。在一些示例性实施例中，用户可以通过要由处理器接收的用户界面向打印机-编码器输入介质单元类型和对齐(例如，转发器的交叉位置和方向)。基于介质单元类型和对齐，处理器可以被配置为通过控制开关设备来修改近场耦合设备150的阻抗比。可以修改阻抗比，以生成期望的电磁场方向图。
在另一个示例性实施例中，为了针对加载的介质单元的配置，或者更具体地说，转发器在介质单元的标签上和编码区域中的方向，来配置近场耦合设备，可以执行调谐周期。由于具有转发器的样本(sample)介质单元可以处于编码区域中，因此收发机可以产生测试信号，并且通过近场耦合设备来发送该信号。处理器可以命令开关设备通过激励或连接导电带来执行多种可能的组合。为了确定连接的或者未连接的导电带的“优选辐射集”，可以监控每一个组合，以确定连接的或者未连接的导电带的哪些组合(本文将其称为“辐射集”)允许用于目标转发器的可靠编码过程。此外，处理器可以调节信号的功率电平，以确定哪一个组合以最低的功率电平提供可靠的编码过程。可以将导致以最低功率电平进行可靠的编码过程的组合确定为针对该特定介质单元配置的优选辐射集。本说明书和所附权利要求书中使用的“可靠的编码过程”意味着收发机通过近场耦合设备以通过由该近场耦合设备所产生的电磁场方向图与目标转发器进行有效通信同时使与非目标转发器进行的无意通信最小化并且降低比特差错率的能力。
一旦知道了优选的辐射集，就可以针对该介质单元配置来配置辐射集，并且打印机-编码器可以继续进行介质单元的正常处理和编码(例如，写和读操作)。执行调谐周期的时间或频率可以变化。例如，一旦针对特定的介质单元配置知道了优选辐射集，就可以在打印机-编码器中所包括的存储器设备中存储该优选辐射集的数据和信息。当使用该特定的介质单元配置时，操作员能够通过键盘(没有示出)向打印机-编码器输入该配置信息，从而允许处理器在无需重新执行调谐周期的情况下设置优选的组合。此外，可以对处理器进行编程，以便在某个事件(例如，打印机-编码器的开启、介质单元的加载、某一时间量的流逝)之后或者在已经处理了预定数量的介质单元之后，运行调谐周期。
本发明所属领域的技术人员在了解上面的描述和相关联的附图中给出的教导的益处之后，本文所阐述的本发明的多种修改和其它实施例将变得显而易见。因此，应当理解的是，本发明并不受限于所公开的特定实施例，并且修改和其它实施例应当包括在所附权利要求书的范围之内。虽然本文使用了特定术语，但是它们仅以通用和描述性方式使用，而不是用于限制性目的。

Claims (20)

1.一种用于将收发机与目标转发器进行耦合的近场耦合设备，所述近场耦合设备包括：
接地板；
接近所述接地板的电介质基片；
终端负载；
第一导电带，其接近所述电介质基片，从端口端延伸到加载端并且连接到所述终端负载，所述第一导电带与所述接地板一起形成长度为一半波长或者其多倍的第一耦合元件；
第二导电带，其接近所述电介质基片，从所述端口端延伸到所述加载端并且连接到所述终端负载，所述第二导电带与所述接地板一起形成长度为一半波长或者其多倍的第二耦合元件；以及
至少一个开关元件，其用于选择性将所述第一耦合元件和所述第二耦合元件中的一个或更多个与所述收发机进行电连接，所连接的耦合元件定义所连接的耦合元件的总特性阻抗，在所述开关元件的第一配置中，所连接的耦合元件的所述总特性阻抗大于所述终端负载，并且在所述开关元件的第二配置中，所连接的耦合元件的所述总特性阻抗小于所述终端负载。
2.根据权利要求1所述的近场耦合设备，其中，所述第一耦合元件在隔离时的阻抗约等于所述第二耦合元件在隔离时的阻抗。
3.根据权利要求1所述的近场耦合设备，其中，所述第一导电带的宽度约等于所述第二导电带的宽度。
4.根据权利要求1所述的近场耦合设备，其中，所述第一耦合元件在隔离时的阻抗大于所述第二耦合元件在隔离时的阻抗。
5.根据权利要求1所述的近场耦合设备，其中，所述第一导电带的宽度大于所述第二导电带的宽度。
6.根据权利要求1所述的近场耦合设备，还包括：
一个或更多个额外的导电带，每一个额外的导电带形成长度为一半波长或者其多倍的额外的耦合元件，所述开关元件被进一步配置为选择性地连接所述额外的耦合元件，并且进一步调整所连接的耦合元件的所述总特性阻抗。
7.根据权利要求1所述的近场耦合设备，其中，所述第一导电带和所述第二导电带中的每一个定义直线形状并且与另一个导电带平行。
8.根据权利要求1所述的近场耦合设备，其中，所述第一导电带和所述第二导电带被配置为产生电磁场，并且能够在所述目标转发器移动通过所述电磁场时激励所述目标转发器。
9.一种包括处理器的装置，所述处理器被配置为：
接收转发器类型和转发器位置对齐的指示；以及
至少根据所述转发器类型和所述转发器位置对齐来连接近场耦合设备的一个或更多个耦合元件，以配置所述一个或更多个连接的耦合元件和所述近场耦合设备的终端负载之间的阻抗比。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述处理器被配置为连接所述一个或更多个导电带包括：
被配置为连接所述一个或更多个耦合元件，以便将所述耦合元件的所述总特性阻抗配置为大于所述终端负载。
11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述处理器被配置为连接所述一个或更多个导电带包括：
被配置为连接所述一个或更多个耦合元件，以便当所述转发器类型描述环型转发器并且所述转发器位置对齐是边缘对齐时，将所述耦合元件的所述总特性阻抗配置为大于所述终端负载。
12.根据权利要求9所述的装置，其中，所述处理器被配置为连接所述一个或更多个耦合元件包括：
被配置为连接所述一个或更多个耦合元件，以便将所述耦合元件的所述总特性阻抗配置为小于或大于所述终端负载。
13.根据权利要求9所述的装置，其中，所述处理器被配置为连接所述一个或更多个耦合元件包括：
被配置为通过控制与所述一个或更多个耦合元件相关联的相应开关设备，来连接所述一个或更多个耦合元件。
14.根据权利要求9所述的装置，其中，所述处理器被进一步配置为：
通过向所述近场耦合设备的端口提供RF功率传输，来对一个或更多个转发器进行编码。
15.一种方法，包括：
接收转发器类型和转发器位置对齐的指示；以及
至少根据所述转发器类型和所述转发器位置对齐来连接近场耦合设备的一个或更多个耦合元件，以配置所述耦合元件的所述总特性阻抗和所述近场耦合设备的终端负载之间的阻抗比。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，连接所述一个或更多个导电带包括：
连接所述一个或更多个耦合元件，以便将所述近场耦合设备的所述耦合元件的所述总特性阻抗配置为大于所述终端负载。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，连接所述一个或更多个耦合元件包括：
连接所述一个或更多个耦合元件，以便当所述转发器类型是环型转发器并且所述转发器位置对齐是边缘对齐时，将所述耦合元件的所述总特性阻抗配置为大于所述终端负载。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，连接所述一个或更多个导电带包括：
连接所述一个或更多个耦合元件，以便将所述耦合元件的所述总特性阻抗配置为小于或大于所述终端负载。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，连接所述一个或更多个耦合元件包括：
被配置为通过控制与所述一个或更多个耦合元件相关联的相应开关设备，来连接所述一个或更多个耦合元件。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括：
通过向所述近场耦合设备的端口提供信号的传输，来对一个或更多个转发器进行编码。
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