CN103534876A

CN103534876A - 边缘型偶极子天线结构和包括该结构的pcb

Info

Publication number: CN103534876A
Application number: CN201280023215.4A
Authority: CN
Inventors: 李建弘
Original assignee: Neng Tong
Current assignee: Neng Tong; Nethom Co Ltd
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2032-05-29
Also published as: KR20120137232A; EP2720319A4; KR101323690B1; CN103534876B; WO2012169738A2; EP2720319A2; WO2012169738A3; US10186781B2; US20140042226A1

Abstract

本发明涉及印刷电路板（PCB）跟踪技术，更具体地，涉及用于射频识别（RFID）标签的偶极子天线结构。更加具体地，本发明涉及一种边缘型偶极子天线结构和包括该结构的PCB，该边缘型偶极子天线结构可以设置在各种电子产品PCB的接地平面边缘的非常小的区域。

Description

边缘型偶极子天线结构和包括该结构的PCB

技术领域

本发明总体上涉及印刷电路板（PCB）跟踪技术，更具体地，涉及用于射频识别（RFID）标签的偶极子天线结构。然而更加具体地，本发明涉及一种边缘型天线结构、包括该结构的PCB以及包括该PCB的电子产品管理系统，该边缘型天线结构可以设置在各种电子产品的PCB的接地平面边缘部分并且具有非常小的尺寸。

背景技术

电子产品，例如TV、移动电话、计算机、便携式音乐播放器等，包括至少一个印刷电路板（PCB）。电子产品的PCB在预设生产线上要经过电子产品的部件组装和检查过程。

相关技术中，条形码标签用于管理电子产品PCB组装过程（包括检查过程）。例如，该方法通过使用扫描器识别印刷在条形码标签上的条形码并在生产线上一个过程完成时在管理服务器中更新识别的条形码，管理包括组装过程的所有过程。

前述的使用条形码标签的管理方法，在标签的小型化方面存在限制，并且标签必须粘附到随时需要暴露给扫描器的位置。此外，扫描和处理时间需要几十秒，这会在组装过程中产生时间延迟。如果电子产品PCB很小，由于必须为部件组装过程去除条形码标签并在相应的过程完成后重新进行粘附，所以会产生问题。因此，会延迟后续过程。作为参考的是，可以考虑组装步骤的数目以及手工粘附和去除条形码标签的过程估计所花费的无用的处理时间。

为了克服条形码系统的问题，一些电子产品制造商提出了射频识别（RFID）标签。众所周知，根据是否存在操作电源，RFID标签可以分为有源标签和无源标签。有源标签由于必须具有电源（例如，电池），在小型化方面存在限制。因此，利用从RFID标签读取器的天线发射的无线电波的无源标签被广泛使用。

无源标签基本上包括标签芯片和天线。将无源标签应用于上述电子产品PCB的方法有两种。一种方法是，如条形码标签那样将RFID标签粘附到PCB，另一种方法是将无源标签安装在电子产品PCB上。后者需要电子产品PCB设有要连接到标签芯片的天线方向图。这意味着PCB上需要有对应于天线尺寸的空间。可是，很难在小电子产品，例如便携式电话，的PCB中为标签芯片提供天线方向图空间。

美国名称为“YSTEM,APPARATUS,AND METHOD FOR PCB-BASEDAUTOMATION TRACEABILITY”（基于PCB的可自动跟踪系统、装置和方法）的专利申请US2010/0219941（下文简称941专利）公开了克服该问题的现有技术。941专利一个重要的方面在于PCB的接地平面用作标签的天线。具体地，941专利的天线具有称作“槽孔天线”的结构。从941专利的图中可以明显的看出在接地平面上以预定的长度形成用作天线的槽。可是，当预期的频率是900MHz并且使用完整的频率波长的时候槽的长度需要大约70mm，如果使用一半的频率波长，槽的长度需要大约35mm.

可是，考虑对小尺寸和高集成度PCB的期望日益增长的趋势，槽的长度对例如迹线（或信号图案）的形成或部件的布置等设计条件有重要影响。例如，槽使得一些迹线设计为绕行路径而不是优化路径。这不仅仅对该迹线而且对其它迹线和部件的布置都有影响。

发明内容

技术问题

因此，做出本发明是为了解决现有技术中的上述问题，本发明的一个目的是提供一种比现有技术的尺寸更小的天线结构。

技术方案

为了实现上述目的，本发明提供一种边缘型偶极子天线结构。

如本申请的权利要求1所述，所述边缘型偶极子天线结构基本上包括长度很小的缝，该缝在PCB中设置的接地平面的边缘形成间隙；扩展部分，该扩展部从所述缝开始延伸，该扩展部分对缝施加感抗。扩展部分的最优形状可以是如典型的线圈那样的圆形。无源RFID标签芯片连接到所述缝，并且根据本发明的一个方面，接地平面的边缘用作标签芯片的偶极子天线。

有益效果

根据本发明，设置在电子产品的PCB中的接地平面的边缘可以用作标签芯片的偶极子天线。因此，与相关的技术不同，天线的PCB上不需要专门用于标签芯片的空间。

此外，这里公开的边缘型天线结构可以以小尺寸实现。

而且，根据本发明的设有边缘型偶极子天线结构的PCB可以具有广泛及多样的应用，例如，管理电子产品的组装过程并进行诸如修理或保修服务（A/S）等后续管理的系统。

根据下面的描述并结合附图，本发明的具体特征和益处会更明显。在此之前，应理解的是，可以省掉这里所包括的已知功能和部件的详细描述——如果这样的详细描述会导致本发明的主题不清楚的话。此外，除非明确的做出不同的说明，词语“包含”可以理解为不暗示排除其它的元件，而是还可以包括另外的部件。

附图说明

图1至图4示出根据第一实施例的具有边缘型偶极子天线结构的PCB；

图5至图7示出根据第一实施例的扩展部分的形状；

图8至图9示出根据第二实施例的具有边缘型偶极子天线结构的PCB；

图10示出根据第二实施例的去除部分的形状；

图11至图13示出第一和第二实施例的改进实施例；

图14是根据本发明的边缘型偶极子天线结构的等效电路;

图15至图20是通过模拟根据本发明边缘型偶极子天线结构获得的曲线图；

图21至图24示出根据本发明的电子产品管理系统。

具体实施方式

现在详细描述根据第一实施例的具有边缘型偶极子天线的PCB。

这里提及的印刷电路板（PCB）是这样的一种PCB：在它的至少一个表面上形成接地平面并且它包括柔性PCB。如图1所示，根据第一实施例的PCB100可以通过将其简化为包括设置在一个表面上的接地平面110A进行描述。本实施例中描述的边缘型偶极子天线结构是本发明的基本结构。

参考图1和图2，在设置于PCB100基底(例如FR4)上的接地平面110A的一个边缘111形成缝120。缝120具有小长度并具有间隙。

标签芯片10在该间隙处或跨过缝120连接到接地平面110A。缝120的长度“ds”可以具有很小的尺寸，只需能够连接标签芯片10，例如，具有标签芯片10的单向长度。附图标记P1和P2表示垫，利用该垫，标签芯片10通过表面安装连接到接地平面110A。

在此，同时参考图3，比缝的间隙"W"更宽的扩展部分130形成在缝120所伸展的远端。图3示出的圆形的扩展部分130给缝120提供了感抗。为了最优化地操作设置在缝120中的标签芯片10，需要从RFID读写器(未示出)发射的无线电波向标签芯片10提供标签芯片操作所必须的功率。（无线电波还可以理解为来自读写器的功率或能量。）

具体地，参考图4，当从读写器发射的无线电波(功率或能量)，例如900MHz的无线电波，沿朝着缝120的方向在平行于接地平面110A的方向被接收（入射场）时，电流沿形成缝120的接地平面110A的边111的纵向流动。该电流通过缝120沿着扩展部分130的周边流动。如图4所示，当扩展部分130是圆形的时候，电流沿径向流动。作为参考，大部分电流在扩展部分130周边和边缘111附近流动。

沿着扩展部分130流动的电流产生通过扩展部分130的磁场，并且所产生的感抗加载到缝120。结果，首先从缝120，在接地平面110A的边缘111产生共模电压。根据本发明的特征，边缘110用作标签芯片10的“偶极子天线”。

根据本发明的一个特征，感抗值由扩展部分130控制，可以调整用于激活标签芯片10的功率（其也可以理解为“标签芯片所要吸收的功率”）。当扩展部分130是圆形的时候，由半径“b”的调整控制感抗值。下面给出设计感抗值的具体方法的详细描述。

此外，考虑到扩展部分130产生感抗，控制部分130的最优形状是如典型的线圈那样的“圆形”。可是，本发明的控制部分130的形状不限于圆形，当然可以改变为除圆之外的其它形状。例如，本发明的扩展部分可以改变为图5所示的长方形、图6所示的多边形以及椭圆形。

如图7所示，穿过PCB100的通孔132可以形成在扩展部分130内。通孔132的直径可以小于扩展部分130的直径。作为参考，通孔132还可以配置为使得用于固定或支撑PCB100的固定螺钉（螺栓）能够插入其中。在这种情况下，固定螺钉优选地由非金属制成，例如塑料。

下面将描述根据本发明的第二实施例的PCB。如上文所述，根据第二实施例的PCB具有形成在其两个表面上的接地平面。在此，为了区分术语，形成在PCB100的上表面上的接地平面称为“上表面接地平面”，形成在PCB100的下表面上的接地平面称为“下表面接地平面”。此外，对于部件的附图标记，使用第一实施例的附图标记。

参考图8和9，PCB100包括上表面接地平面110A和下表面接地平面110B。上表面接地平面110A包括第一实施例中示出的缝120和扩展部分130。第二实施例的特征在于对应于缝120和扩展部分130的下表面接地平面110B的一部分形成去除部分（下文称作“去除部分”）112B。

该去除部分112B用于允许扩展部分130中产生的磁场容易地穿过PCB100，由此更高效地产生感抗。去除部分112B的该功能基本上对应于第一实施例中示出的通孔132的功能。因此，去除部分112B的区域需要至少围绕形成在上表面接地平面110A中的扩展部分130。此外，去除部分112B可以小于或大于或等于扩展部分130的面积。此外，可以改变去除部分以使其如图9所示的那样围绕整个缝120，包括扩展部分130，或者如图10所示的那样与缝120和扩展部分130具有相同的形状。

作为根据本发明的边缘型偶极子天线结构部件的缝120和扩展部分130的整体尺寸可以改变为小于第一实施例和第二实施例中的相应尺寸。参考图11至14对一些改变的实施例进行说明。首先，图11中示出的扩展部分130具有类似于图5所示的长方形形状。该扩展部分与图5中的不同之处在于，缝120重叠在扩展部分内。因此，图11所示的结构小于图5所示的结构，即，图11所示的扩展部分130的尺寸小于图5所示的扩展部分的尺寸。图12和13示出的结构基本上与图11所示的结构相同，区别在于扩展部分130的形状能够变为多边形或圆形（基本上是半圆）。

下面将描述使用根据本发明的扩展部分的感抗的设计。

图14是根据本发明的“边缘型偶极子天线结构”的等效电路。在图14中，标签芯片10的阻抗Zc(假设为25-j45Ω)和由于扩展部分130产生的感抗X_L之间的并联连接作为偶极子天线上的负载。在形成缝120的接地平面的一部分，即在边缘111的纵向，产生共模电压。为了使标签芯片10中接收（或吸收）的功率最大化，必须确定电抗X_L。电抗X_L与偶极子天线的输入阻抗Za(=Ra+jXa)和标签芯片10的阻抗Zc(=Rc+jXc)有关。在图14所示的等效电路中，可以通过下面的等式1确定最大功率传输条件。

X_{L} = \frac{- (R_{c}^{2} + X_{c}^{2} + 2 X_{a} X_{c}) + \sqrt{{(R_{c}^{2} + X_{c}^{2} + {2 X}_{a} X_{c})}^{2} - 4 (X_{a} + X_{c}) (X_{a} R_{c}^{2} + X_{a} X_{c}^{2})}}{2 (X_{a} + X_{c})}

式1

当通过式1确定的X_L加载在缝120上，在缝120上设置的标签芯片10接收最大功率。

此外，根据本发明的扩展部分130可以设计为圆形，如图3所示。在通过式1确定X_L后，可以通过从下面的式2获得的超越方程的解，获得扩展部分130的半径“b”：

X_{L} - 2 πfbμ [\ln (\frac{16 b}{a}) - 1.75] = 0

式2

其中a指接地平面的厚度，f指读写器的频率，μ指电介质的磁导率。磁导率的值接近于1。

此外，当扩展部分130是长方形的时候，如图5所示，边h₁和h₂的长度可以由式3得出：

X_{L} - 2 πf \frac{μ}{π} [h_{2} \cosh^{- 1} (\frac{h_{1}}{a}) + h_{1} \cosh^{- 1} (\frac{h_{2}}{a})] = 0

式3

下面给出执行的一些模拟结果的说明。标签芯片的阻抗Zc是25-j45Ω。

图15是偶极子的长度“L”（边缘的长度）是57mm时，与感抗X_L的变化相关的标签芯片10中接收的功率的变化的曲线。如该曲线所示，当X_L是55Ω的时候，接收功率的最大值是3.43μW。参考图16，偶极子长度L是30mm，当X_L是57Ω的时候，功率的最大值是0.202μW。从图15和16可以看出，当在缝120上加载感抗时，标签芯片10接收或吸收最大功率。因此，标签芯片10可以高效地与读写器通信。

图17是偶极子的长度“L”是57mm并且扩展部分130是圆形时，与半径“b”的变化相关的感抗X_L的变化的曲线。当半径“b”如图17所示是2mm的时候，可以看出标签芯片10接收功率的最大值为3.43μW。此外，如图18所示，当偶极子长度L是30mm，扩展部分130的半径是2mm的时候，功率的最大值是0.202μW。因此，从图15至18可以看出，当扩展部分130是圆形的时候，扩展部分130的半径“b”的变化改变了感抗值X_L，可以设计出标签芯片10能够接收最大功率值的半径“b”。

因此，当扩展部分130如图5所示的那样不是圆形而是长方形的时候，能够设计标签芯片10能够接收功率的最大值的边h₁和h₂的长度。如图19所示，当在h₁=h₂的条件下偶极子长度“L”是57mm时，功率的最大值在h₁=5mm时是3.43μW。如图20所示，当偶极子长度“L”是30mm时，，功率的最大值在h₁=5mm时是0.202μW。也就是说，可以看出，当扩展部分130是长方形的时候，能够通过调节边的长度设计标签芯片10能够接收功率最大值时的感抗值。作为参考，长方形的扩展部分130设计为比圆形扩展部分具有更大的面积的时候具有相同的感抗值。因此，当需要能够在小的区域内吸收最大量的功率的结构的时候，扩展部分130优选设计为圆形。

本发明人根据图3所示的边缘型偶极子结构进行了实验。此时，缝120的间隙“W”设为1mm，缝的长度“ds”设为2mm，扩展部分130的直径设为3mm，采用了频率为900MHz的读写器。结果是，可以确定标签能够检测读写器以及反过来读写器能够检测标签的距离在70到100mm的范围内。也就是说，可以理解的是，根据本发明的边缘型偶极子天线可以以3×5mm²这样的非常小的面积实现。

包括前述的边缘型偶极子天线结构的PCB100可以应用于管理电子产品的组装过程并进行如修理或保修服务（A/S）等后续管理的系统。更具体的，在图21中，附图标记“S”表示根据本发明的电子产品管理系统（以下称为“系统”）。

如图21所示，系统S基本上包括其上设置有标签芯片10的PCB100和至少一个读写器200。

读写器200能够以900MHz的频率通过无线电通信从标签芯片10读取信息或在标签芯片10中记录信息。记录在标签芯片10中或从标签芯片10读取的信息可以包括电子产品的识别信息，并改变过程管理所必须的信息片段。

读写器200可以通过有线/无线网络连接到用户计算机300，如图22所示，或者连接到服务器400，如图23所示。此外，如图24所示，读写器200可以连接到与服务器400连接的用户计算机300。服务器400可以是管理关于电子产品的信息的管理服务器或数据库管理系统（DBMS）。

前面的描述用于说明本发明的技术原理。它们并不是穷尽的也并不用于将本发明限制为所公开的具体形式。许多改变和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，所有这种合适的改变、更改以及等同物均理解为落在本发明的范围内。

工业实用性

如上所述，这里公开的边缘型偶极子天线结构可以以电子产品的PCB中的小结构体现，并且可以广泛用于PCB的过程管理和后续管理，例如修理或保修服务。

Claims

1.一种设置在电子产品的PCB中的边缘型偶极子天线结构，包括：

在该PCB的接地平面的边缘形成的具有间隙的缝；以及

从所述缝延伸的扩展部分，所述扩展部分向所述缝施加感抗，

其中，标签芯片连接到所述缝，并且所述边缘作为所述标签芯片的偶极子天线。

2.根据权利要求1所述的边缘型偶极子天线结构，其中所述扩展部分具有从圆形、椭圆和多边形中选择的一种形状。

3.根据权利要求1所述的边缘型偶极子天线结构，其中所述缝的长度至少是标签芯片的单向长度。

4.根据权利要求1所述的边缘型偶极子天线结构，其中所述扩展部分具有在其中形成的通孔。

5.根据权利要求1所述的边缘型偶极子天线结构，其中所述缝重叠在所述扩展部分内。

6.一种电子产品的PCB，其中接地表面设置在该PCB的一个表面上，所述PCB包括：

在所述接地平面的边缘形成的具有间隙的缝；以及

7.根据权利要求6所述的PCB，其中所述扩展部分具有从圆形、椭圆和多边形中选择的一种形状。

8.根据权利要求6所述的PCB，其中所述缝的长度至少是所述标签芯片的单向长度。

9.根据权利要求6所述的PCB，其中所述扩展部分具有在其中形成的通孔。

10.根据权利要求6所述的PCB，其中所述缝重叠在所述扩展部分内。

11.一种电子产品的PCB，其中该PCB上具有上表面接地平面和下表面接地平面，所述PCB包括：

在所述上表面接地平面的边缘形成的具有间隙的缝；以及

12.根据权利要求11所述的PCB，其中所述扩展部分具有在其中形成的通孔。

13.根据权利要求11所述的PCB，其中所述扩展部分具有从圆形、椭圆和多边形中选择的一种形状。

14.根据权利要求11所述的PCB，其中所述缝的长度至少是所述标签芯片的单向长度。

15.根据权利要求11所述的PCB，还包括形成在对应于所述扩展部分的下表面接地平面的预定部分的去除部分。

16.根据权利要求11所述的PCB，还包括形成在对应于所述缝和所述扩展部分的下表面接地平面的预定部分的去除部分。

17.根据权利要求16所述的PCB，其中所述去除部分具有与所述缝和所述扩展部分相同的形状。

18.根据权利要求11所述的PCB，其中所述缝重叠在所述扩展部分内。

19.一种包括权利要求1至5中任一项所述的边缘型偶极子天线结构的电子产品的PCB。

20.一种系统，包括：

权利要求6至18中任一项所述的电子产品的PCB；和

通过无线方式与PCB中的标签芯片通信的读写器。

21.根据权利要求20所述的系统，还包括通过无线或有线网络与所述读写器连接的用户计算机。

22.根据权利要求20所述的系统，还包括通过无线或有线网络与所述读写器连接的服务器。

23.根据权利要求21所述的系统，还包括通过无线或有线网络与所述用户计算机连接的服务器。