CN103107416B - 射频辨识标签天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种射频辨识(radio frequency identification，RFID)标签天线，包括：一基板，具有一第一表面与一第二表面；一馈入结构，设置于该第一表面；以及一回旋形结构，设置于该第二表面；其中该馈入结构对应于该回旋形(rotation)结构，以形成一谐振电路结构。

Description

射频辨识标签天线
技术领域
本发明为一种标签天线，尤其涉及一种射频辨识(radio frequencyidentification，以下简称RFID)标签天线，其可有效地缩小标签天线的尺寸，进而使此标签天线易于整合于印刷电路中并内藏于电子商品。
背景技术
无线射频识别是一种通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。随着无线射频识别技术的普及，许多手持式电子装置均内建有无线射频识别天线，以记录有关于该装置的信息。
无线射频识别天线依工作频率可分为低频天线、高频(high frequency，HF)天线、超高频(ultra high frequency，UHF)天线以及微波(microwave)天线。低频天线的工作频率是125KHz至134KHz，高频天线的工作频率是13.56MHz，超高频天线的工作频率是介于868MHz至955MHz之间，而微波天线的工作频率是2.45GHz至5.8GHz。一般而言，内建于手持电子装置中的无线射频识别天线为超高频天线，而超高频无线射频识别天线是通过辐射(radiation)的方式进行传输。
图1a显示传统的射频辨识标签10及其阻抗匹配的方法。如图1所示，射频辨识标签10具有一天线本体101及一耦合回形圈102，且天线本体101与耦合回形圈102皆设置于一基板103的一表面上，且耦合回形圈102具有两个馈入点102a与102b。该耦合回形圈102因阻抗匹配的缘故，其本身是一个小型电感，几乎不具有辐射功能(该小型耦合回形圈102通常小于天线本体101的30％)，使天线的输入阻抗带有足够的感抗(inductive reactance)，以消除芯片所带有的容抗(capacitive reactance)，从而达成共轭匹配，如果达成匹配其输入端口(input port)反射损失(return loss)将如图1b所示，其阻抗特性如图2所示(其中天线的输入阻抗的实部以Ra表示，虚部以Xa表示，芯片的输入阻抗的实部以Rc表示，虚部以Xc表示。)。
由上述可知，传统的射频标签天线会使天线主体容易受到外在因素的干扰，亦不能有效缩减大小来装置在小型电子产品中。
发明内容
在一实施例中，本发明提供一种RFID标签天线，包括：一基板，具有一第一表面与一第二表面；一馈入结构，设置于该第一表面；以及一回旋形(rotation)结构，设置于该第二表面；其中该馈入结构对应于该回旋形结构，以形成一谐振电路结构。
在一实施例中，本发明提供一种制作RFID标签天线的方法，包括：提供一基板，且该基板具有一第一表面与一第二表面；以及分别设置一馈入结构与一回旋形结构于该第一表面与该第二表面；其中该馈入结构对应于该回旋形结构，以形成一谐振电路结构。
附图说明
图1a为传统先前技艺射频辨识标签的示意图；
图1b为传统射频辨识标签天线的工作频宽示意图；
图2为传统射频辨识标签天线与芯片的阻抗匹配示意图；
图3为根据本发明的一实施例的一RFID标签天线；
图4a～图4b为图3的细部结构图；
图5的流程图为根据本发明的一实施例的一制造RFID标签天线的方法；
图6a～图6b显示应用本发明的调整间隙的特性曲线图；
图7a～图7b显示应用本发明的调整长度的特性曲线图；
图8a～图8b显示应用本发明的调整宽度的特性曲线图；
图9为应用本发明的能量反射系数图。
【主要元件符号说明】
10           射频辨识标签
101          天线本体
102          耦合回形圈
102a，102b   馈入点
103          基板
3            RFID标签天线
300        基板
300a       第一表面
300b       第二表面
301 馈入结构
301a、301b  输入端口
302 回旋形结构
303 谐振电路结构
304 芯片
305 接地面
gap         间隙
W，w1       宽度
L           长度
S501～s502  步骤
具体实施方式
为本领域技术人员能对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认知与了解，下文特将本发明的装置的相关细部结构以及设计的理念原由进行说明，以使得本领域技术人员可以了解本发明的特点，详细说明陈述如下：
图3为根据本发明的一实施例的一RFID标签天线3，包括：一基板300，其具有一第一表面300a与一第二表面300b；一馈入结构301，设置于该第一表面300a；以及一回旋形结构302，设置于该第二表面300b；其中该馈入结构301对应于该回旋形结构302，以形成一谐振电路结构303。另外，馈入结构301及回旋形结构302所组成的RFID签天线3，可整合于一基板上，且该基板包括至少二层印刷电路。此外，馈入结构301及回旋形结构302可以视为一组谐振电路结构303，故谐振电路结构可等效为具有电源、电阻R1、R2，电感L1、L2与电容C1的等效电路。在实际设计与需求上，可通过调整谐振结构，进而使谐振频率锁定在所需要的UHF频段(例如，922～928MHz)。
图4a～图4b为图3的细部结构图。如图4a所示，可清楚看到上层(第一表面300a)的馈入结构301，且馈入结构301具有至少一输入端口，而于本实施例中，馈入结构301具有一第一输入端口301a与一第二输入端口301b，且第一与第二输入端口301a，301b设置于馈入结构301之上。一般而言，第一与第二输入端口301a与301b通常设置在馈入结构302的中央，但不受限于此。在本实施例，馈入结构301为一矩形的回路馈入结构，且此回路馈入结构具有一开口H。虽然于本实施例，馈入结构301的形状设为矩型回路结构，但是实际上，馈入结构301的形状可根据实际的设计与需求而有所变化。另外，RFID标签天线3还包括一芯片304，其设置于该馈入结构301的输入端口301a与301b之上。此外，通过调整馈入结构301的宽度W，进而调整RFID标签天线的一输入阻抗并与芯片304形成一阻抗匹配。如图4b所示，可清楚看到下层(第二表面300b)的回旋形结构302，且回旋形结构302的一端耦接至一接地面305，且回旋形结构302与该接地面间305具有至少一间隙gap。在本实施例.回旋形结构302间的间隙gap的大小可为相同，且回旋形结构302本体的宽度w1，亦为相同。但是熟悉此技艺人士皆了解，本发明的回旋结构302之间隙gap与宽度w1的大小，可根据实际的设计与需求而有所变化。回旋形结构302必需与接地面305保持间隙(gap)，并可以通过调整该间隙gap的大小，进而调整谐振电路结构303的谐振频率的大小以及通过调整该回旋形结构的长度L，进而调整谐振电路结构303的谐振频率的位置，且于本实施例，长度L为附图4b所示的回旋形结构的水平臂两端的长度，且此长度可被调整以达到与馈入结构上的芯片虚部阻抗匹配的参数，但是本领域技术人员可自行变化而不背离本发明的范围。另外，馈入结构301与回旋形结构302的材料可为金属，例如铜箔。
此RFID标签天线3为达到谐振效果，可由馈入端301部分的矩形回路所形成的耦合器，再通过与回旋形结构(谐振器)302之间互感效应来进行能量的传递，藉此才形成一组耦合式的谐振电路。现在利用图4a与图4b作进一步说明，馈入结构301部分以一矩形形状为耦合器形状，为使得在整体的输入端部分就能够在虚部阻抗具备电感效应来匹配芯片虚部组抗所呈现的电容效应，而在于回旋形结构(谐振器)302部分可以通过调控与接地面之间的间隙gap大小来调整谐振器中的电容效应值，进而来调整谐振频率，除此之外，回旋形结构(谐振器)302的长度L也可调整其谐振器等效电感值，藉此来调整谐振频率位置。
图5的流程图为根据本发明的一实施例的一制造RFID标签天线的方法，其步骤可搭配图4a与图4b说明。此方法的步骤包括：(步骤s501)提供一基板300，且该基板300具有一第一表面300a与一第二表面300b；以及(步骤s502)分别设置一馈入结构301与一回旋形结构302于该第一表面300a与该第二表面300b，且其中该馈入结构对应于该回旋形结构，以形成一谐振电路结构。其中馈入结构301具有至少一输入端口(例如301a与301b)，且馈入结构301为一矩形回路馈入结构，且该矩形回路馈入结构具有一开口H。制造RFID标签天线的方法还包括设置一芯片304于该馈入结构301的该输入端口之上，且调整该馈入结构301的宽度W，进而调整一输入阻抗并与该芯片形成一阻抗匹配。制造RFID标签天线的方法还包括将该回旋形结构302的一端耦接至一接地面305，且该回旋形结构302与该接地面305间具有至少一间隙gap，且调整该间隙gap的大小，进而调整该谐振电路结构303的谐振频率的大小，且更可调整该回旋形结构303的长度L，进而调整该谐振电路结构的谐振频率的位置。且于本实施例，长度L为附图4b所示的回旋形结构的水平臂两端的长度，且此长度可被调整以达到与馈入结构上的芯片虚部阻抗匹配的参数，但是本领域技术人员可自行变化而不背离本发明的范围。此外，本发明的RFID标签天线3的中心工作频率由该天线本体的长度所决定，且天线的实部阻抗通过调整天线本体与耦合器之间的距离，使其与一芯片的实部阻抗达成匹配，并且该天线的虚部阻抗通过调整耦合器双端开路的长度，使其与该芯片的虚部阻抗达成匹配。
通过图6、图7与图8来进一步验证上述所调整效果，由图6a与图6b可以得知通过调整间隙gap而改变了谐振本身的等效电容值，进而调整了谐振频率，gap值越小时，所形成的电容效应值越大，使得频率向低频偏移。图7a与图7b来说明了调整L值，来改变谐振电路的等效电感值，进而来达到调整谐振频率。由图可知，当L值越大时，所形成的电感效应越大，使得频率向低频偏移，而在图8a与图8b中便能观察到调整其馈入结构(耦合器)宽度(W)来对输入阻抗进行调整，当W越大，得到越大的输入阻抗值。而本申请相异于现有技术，本申请不通过半波长的物理长度来形成谐振条件，使得本申请的天线结构便不受物理条件所限制，有效并大幅缩减所需要的标签天线大小。
图9为应用本发明的能量反射系数图(power reflection coefficient，PRC)，本发明可在阻抗匹配的情况下，达到所需频带的操作效果。图4～五的工作频率在此以超高频为例说明，但也可调整第一天线本体的长度以应用于微波电路，使本体工作频率是2.45GHz至5.8GHz.其耦合器尺寸也可随之变化，在此不再赘述。
本发明为一种具有大幅缩小天线结构的射频辨识(Radio frequencyidentification，RFID)标签天线，其结构可分为二个部分：馈入端的回路耦合器与辐射端的等效谐振电路。而此架构下使得天线大小不受其物理长度所限制，因此，通过这样的结构组合来达到缩小天线的目的，再利用此谐振电路结构来达到辐射目的，使得射频标签可以进行信息的传输。此本发明可通过提供一种天线结构来有效缩减UHF频段的标签天线的大小，使之容易整合入印刷电路板中，以记录小型电子产品的相关信息。而关于本发明的标签天线的制作方法也可通过印刷电路板空白区域来设计标签天线，最佳的设置位置是在印刷电路板的边缘角落，但仍需视实际的设计与需求为准。接着，该天线的实部阻抗可通过调整天线的馈入回形圈的大小及形状来决定，使其与芯片的实部阻抗达成阻配。再来，该天线的虚阻阻抗可通过调整回旋体结构的形状、总体长度与接地面的间隙大小，进而使其与芯片的虚部阻抗达成共轭匹配。此外，传统的天线设计是以发射频率来取决天线长度，然而本发明采用第零阶谐振(Zeroth-Order Resonator)概念，其取得频率谐振的方式不是由物理长度限制，而是由等效并联的谐振电路元件值决定。
然而以上所述仅为本发明的范例实施例，当不能以之限定本发明所实施的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内。

Claims (16)

1.一种射频辨识标签天线，包括：
一基板，具有一第一表面与一第二表面；
一馈入结构，设置于该第一表面；以及
一回旋形结构，设置于该第二表面，其中该回旋形结构的一端耦接至一接地面，且该回旋形结构与该接地面间具有至少一间隙；
其中该馈入结构对应于该回旋形结构，以形成一谐振电路结构，通过调整该间隙的大小，进而调整该谐振电路结构的谐振频率的大小。
2.如权利要求1所述的射频辨识标签天线，其中该馈入结构具有至少一输入端口。
3.如权利要求1所述的射频辨识标签天线，其中该馈入结构为一矩形回路馈入结构，且该矩形回路馈入结构具有一开口。
4.如权利要求2所述的射频辨识标签天线，还包括一芯片，其设置于该馈入结构的该输入端口之上。
5.如权利要求4所述的射频辨识标签天线，其中通过调整该馈入结构的宽度，进而调整一输入阻抗并与该芯片形成一阻抗匹配。
6.如权利要求1所述的射频辨识标签天线，其中通过调整该回旋形结构的长度，进而调整该谐振电路结构的谐振频率的位置。
7.如权利要求6所述的射频辨识标签天线，其中该长度为该回旋形结构最短的水平臂两端的长度。
8.如权利要求1所述的射频辨识标签天线，其中该基板包括至少二层电路印刷板。
9.一种制作射频辨识标签天线的方法，包括：
提供一基板，且该基板具有一第一表面与一第二表面；
设置一馈入结构于该第一表面，且设置一回旋形结构于该第二表面，其中该馈入结构对应于该回旋形结构，以形成一谐振电路结构；
将该回旋形结构的一端耦接至一接地面，且该回旋形结构与该接地面间具有至少一间隙；以及
调整该间隙的大小，进而调整该谐振电路结构的谐振频率的大小。
10.如权利要求9所述的制作射频辨识标签天线的方法，其中该馈入结构具有至少一输入端口。
11.如权利要求9所述的制作射频辨识标签天线的方法，其中该馈入结构为一矩形回路馈入结构，且该矩形回路馈入结构具有一开口。
12.如权利要求10所述的制作射频辨识标签天线的方法，还包括：
设置一芯片于该馈入结构的该输入端口之上。
13.如权利要求12所述的制作射频辨识标签天线的方法，还包括：
调整该馈入结构的宽度，进而调整一输入阻抗并与该芯片形成一阻抗匹配。
14.如权利要求9所述的制作射频辨识标签天线的方法，还包括：
调整该回旋形结构的长度，进而调整该谐振电路结构的谐振频率的位置。
15.如权利要求14所述的制作射频辨识标签天线的方法，其中该长度为该回旋形结构最短的水平臂两端的长度。
16.如权利要求9所述的制作射频辨识标签天线的方法，其中该基板包括至少二层电路印刷板。
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