CN104067444B - 用于近场应用的小型宽带环形天线 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于提供天线的宽带近场的方法和装置。小型宽带环形天线包括多层的印刷电路板(PCB)基板。印刷在PCB基板上的有共享相同驱动电路、阻抗匹配网络、主接地层和导电层的双环路。短路通孔将双环路连接到接地层。通过调整环路参数，如短路通孔的位置，该天线可调谐到所需的工作频率。

Description

用于近场应用的小型宽带环形天线

相关申请的交叉引用

本申请是涉及且要求美国临时申请号：61／475,109的优先权，其于2011年4月13日提交，发明名称为“用于近场应用的小型宽带环形天线”，该申请的全部在此引入本文作为参考。

技术领域

本发明涉及一种天线结构，特别是从宽带环形天线产生宽带近场的方法和系统。

背景技术

射频识别(RFID)系统可用于多个应用，如库存管理、电子访问控制、安防系统、收费公路上汽车的自动识别和电子物品监控(EAS)。超高频(UHF)(860-960兆赫兹(MHz))或微波(2.45千兆赫兹(GHz))的RFID系统可包括RFID读取器和RFID设备。RFID读取器可以经由天线发送射频载波信号到RFID设备，如RFID嵌体或RFID标签。RFID设备以教据信号响应于载波信号，该数字信号由RFID设备存储的信息来编码。与读取器连接的天线在预定工作频带内调谐以便工作，通常优选覆盖工作频带的宽带频率，例如860-960兆赫。已知的RFID天线设计为工作在天线远场的该频率子带中。然而，许多应用涉及在读取器的天线的近场中读取RFID标签。

因此，对RFID安全应用以及其它的RFID应用来说，需要有其实质上工作在天线的近场中的遍及宽频率带的实质部分的天线。

发明内容

本发明有利地提供了一种用于提供宽带天线的近场中的双频带性能的方法和系统。根据一个方面，宽带天线包括导电层、接地层、短路通孔、第一环路和第二环路。短路通孔将导电层连接到接地层。第一环路具有第一端口和第二端口。第一环路在第一端口连接至匹配电路，在第二端口连接至短路通孔。第一环路可包括第一电路元件。第一环路可通过调节第一电路元件、第一环路的形状、导电层的形状、匹配电路和短路通孔的部分中至少一个来被调谐。第二环路具有第三端口和第四端口。第二环路在第三端口连接至匹配电路，在第四端口连接至短路通孔。第二环路可包括第二电路元件。第二环路可通过调节第二电路元件、第二环路的形状、导电层的形状、匹配电路和短路通孔的部分中至少一个来被调谐。

根据另一个方面，本发明提供一种利用天线产生电磁近场的方法，其中天线包括第一环路、第二个循环、匹配电路和短路通孔。第一和第二环路中的每一个具有第一端口和第二端口。第一和第二环路在第一和第二环路的第一端口连接到匹配电路，在第一和第二环路的第二端口连接到短路通孔。短路通孔将接地层连接至导电层。第一和第二环路中的至少一个包括集总无源电路元件。该方法包括调谐天线以引起第一环路在第一频率和第二频率之间的第一频带范围上的近场中以相当大的增益来辐射。该方法还包括调谐天线以引起第二环路在第二频率和第三频率之间的第二频带范围上的近场中以相当大的增益辐射。

根据又一个方面，本发明提供一种宽带双天线，其包括导电层、接地层、第一绝缘层、第二绝缘层、匹配电路、短路通孔，第一辐射元件和第二辐射元件。第一绝缘层和第二绝缘层的至少一部分设置在导电层和接地层之间。匹配电路设置为将驱动电路的阻抗基本匹配到天线的阻抗。短路通孔将接地层连接到导电层。导电层设置在第一绝缘层上，且接地层设置在第二绝缘层上。短路通贯通第一绝缘层和第二绝缘层。第一辐射元件在第一端口连接到匹配电路，且在第二端口连接到短路通孔。第二辐射元件在第三端口连接到匹配电路，且在第四端口连接到短路通孔。

附图说明

在与附图一起考虑时，通过参考下面的详细描述，，将会更快速地理解对本发明更完整的理解及随之而来的优点和特征，其中：

图1是根据本发明的原理构造的示例性的射频识别(RFID)系统的方框图；

图2是根据本发明的原理构造的示例性的宽带环形天线的等效电路图；

图3是根据本发明的原理构造的示例性的宽带环形天线的侧视图；

图4是图3宽带环形天线的导电层的顶视图；

图5是图3宽带环形天线的中间层的顶视图；

图6是根据本发明的原理构造的宽带环形天线的一个替换示例性实施例的侧视图；

图7是图6宽带环形天线的导电层的顶视图；

图8是图6宽带环形天线的中间层的顶视图；

图9是根据本发明的原理构造的示例性的宽带环形天线的频率响应的曲线图。

具体实施方式

对根据本发明详细示例性实施例的描述之前，应当指出，实施例主要涉及装置的组成部分的组合和有关实现用于提供小型宽带天线的系统和方法的处理步骤。从而，该系统和方法的组成部分通过附图中常规的符号被适当表示，仅示出有关理解本发明实施例的那些具体细节，以便不会以对获益于本说明书的本技术领域的普通技术人员将是明显的细节来模糊本公开。

如本文所用，相关术语，诸如“第一”和“第二”，“顶部”和“底部”之类的，可以单独使用来区分一个实体或元件和另一个实体或元素，而不必要要求或暗示在这些实体或元素之间的任何物理或逻辑关系或顺序。

本发明提供了一种小的宽带环形天线，其包括具有多层的印刷电路板(PCB)基板。印刷在PCB基板上的是共享相同的驱动电路、阻抗匹配网络、主接地层和导电层的双环路。短路通孔将双环路连接至接地面。通过调整环路的参数，如短路通孔的位置，该天线可以被调谐到所需的工作频率。在一个实施例中，环形天线可以被调谐至约865MHz至约956MHz的RFID工作频率带宽内工作，这包含了在欧洲使用的868MHz频带，在美国使用的工业、科学和医疗(ISM)机构指定的915MHz频带，以及建议在日本使用的953MHz的频带。此外，宽带环形天线对约2.45GHz的微波是有用的。

现在详细参照附图，其中相同的部件由相同的附图标记在附图中标出。图1示出了根据本发明的原理构造的RFID系统，总体指定为“100”。图1示出了RFID系统100，其配置为使用具有工作频率的RFID设备106来工作，该工作频率例如但不限于868MHz频带、915MHz频带、953MHz频带、2.45GHz频带，和／或给定设备所需的RF频谱的其它部分。

如图1所示，RFID系统100可以包括RFID读取器102和RFID设备106。RFID设备106可以包括电力源114，该电力源114可以是如电池或整流电路，其通过RFID设备106的用于执行RFID操作的半导体IC逻辑电路，将某些耦合的射频电磁波112转换为直流电流电源以便使用。

在一个实施例中，RFID设备106可以包括RFID标签。RFID标签包括用于存储RFID信息的存储器，并且能够响应于询问信号(如询问信号112)与存储的信息通信。RFID信息可包括能够被存储在存储器中被RFID设备106使用的任何类型的信息。RFID信息的示例可包括唯一标签标识符、唯一系统标识符、用于被监视对象的标识符等等。在此环境下RFID信息的类型和量并不仅限于此。

在一个实施例中，RFID设备106可为无源RFID安全标签。无源RFID安全标签不使用外接电力源，而是使用询问信号112作为电力源。RFID设备106可被直流电压激活，该直流电压由整流包含询问信号112的输入RF载波信号而产生的。一旦RPID设备106激活时，它于是可以通过响应信号传输存储在其存储器寄存器中的信息。

在操作中，当RPID设备106的天线108接近RPID读取器天线104时，AC电压在天线108两端产生。天线108两端的交流电压被整流。当整流后的电源足以激活RPID设备106时，RPID设备106可以开始通过调制RPID读取器102的询问信号112以形成响应信号来发送在存储器寄存器中存储的信息。RPID读取器102可以接收响应信号，并将其转换成检测后的串行数据字比特流，该数据字比特流代表来自RPID设备106的信息。

图2是根据本发明的原理构造的示例性宽带环形天线的等效电路图。如图2所示，天线104可包括环形部分250、匹配网络209和两个无源集总元件匹配部件230和240。无源集总元件230和240两者或其一可以是电感、电容或一块迹线。虽然图2示出了有限数量的元件，可以理解的是，更多或更少的元件可用于天线104。例如，两个串联连接或并联的电容器可用于形成具有特定值的单一的电容器。

匹配网络209是用来调谐环形天线104到所需工作频带的。匹配网络209可以是但不限于：集总电容、集总电感、L匹配网络、T匹配网络、Pi匹配网络、分布式无源电感、分布式无源电容器，或这些匹配元件的组合。

在图2的实施例中，环形部分250具有两个环路。第一环路包括以下端口：202，203，206，和207。第二环路包括以下端口：202，203，204，205，206和207。因此，两个环路共享相同的端口202，203，206和207。

图3是根据本发明的原理构造的宽带环形天线的侧视图。如图3所示，环形部分250可包括导电层330、主接地层335、第一基板310、第二基板320，和两个无源集总阻抗匹配部件230和240、以及短路通孔360。

基板310和320包括合适的介电材料，可以是相同的或不同的材料。尽管图3的堆叠示出了两层介电材料，如需要可以添加更多的层。实施基板310和320的特定的材料可能会影响环形部分250的RF性能。更具体地，其介电常数和损耗角正切可表征出用作基板的合适的基板材料或材料的介电性能。在一个实施例中，例如，基板310和320可使用FR4实施。FR4具有约4.4-4.6的介电常数，并且在900MHz下约0.015-0.02的损耗角正切。也可以使用表现出其它的介电常数和损耗角正切的其它材料。

在图3中，图2的第一环路包括集总元件230，并终止于短路通孔360。图2的第二环路包括集总元件240，也终止于短路通孔360。图4是图3宽带环形天线的顶层的顶视图。图5是图3宽带环形天线图的中间层的顶视图。通过比较图4和5可以看出，集总元件230通过通孔214和216连接到端口203和206，集总元件240通过通孔213和215连接到端口204和205。集总元件230和240通过导电条216连接到匹配网络209，并通过导电条218接到短路通孔360。

需要注意的是，虽然导电条216和218、通孔213、214、215和216、以及集总元件230和240形成的环路基本上都是矩形的形状，但是其它的形状可以实施，如圆形、三角形、具有圆角的矩形、不规则形状或它们的组合。环也由处在大于一个或两个平面的元件形成。

虽然第一和第二环路共享相同的匹配网络209，但它们可以分别调谐。例如，通过调整集总元件230调谐第一环路，以及通过调整集总元件240调谐第二环路。通过调整短路通孔360的位置，通过调整基板310和320的厚度，和／或导电层330的形状，可同时调谐两个环路。

例如，从导电层330的边缘进一步向内侧移动短路通孔360，可改变环路的谐振频率到更高的值。当第一环路的谐振频率被确定时，匹配网络209可调谐至为每个环路的独特的频带传递良好的性能。例如，第一环路可以在约860-910MHz的低频带调谐到谐振，并且第二环路可以在约920-960MHz的高频带调谐到谐振。

如图2所示的在高Q电路中，无功阻抗随频率的函数变化得比阻抗的实部快得多。即，无功阻抗比实部阻抗具有更大的斜率。通过合并短路通孔360(其用作电感器)和导电层330(其用作电容器)，这些部件一起作用，取决于工作频率可作为电容器或电感器。通过合适的设计，短路通孔360和导电层330可以是影响电路的频率响应的主导部件，且可以大大抑制电路的无功阻抗的变化。其结果是，第一和第二环路可分别调谐到第一和第二频率。任一环路可调谐到低频带，而另一个环路调谐到高频带。

图6是根据本发明的原理构造的宽带环形天线的另一个实施例的侧视图。图7是图6宽带环形天线的顶层的顶视图。图8是图6宽带环形天线的中间层的顶视图。比较图3-5的实施例、图6-8的实施例，图3-5的集总元件230被替换为短导电迹线224。端口203和206被限定在最接近导电层330的通孔214和216。参照如图8所示，端口203和206连接至导电迹线218和220。因此，这两个环路——包括迹线224(如图7中所示)的第一环路和包括集总元件240(如图7中所示)的第二环路——在端口203和206处物理地和电气地连接。

在一些实施例中，导电层330与主接地面335相比具有不同的形状。例如，图7示出导电层330有两个短截线222a和222b，其延伸于两个环路的部分之上。这些短截线在导电层330和环形部分250之间提供额外的耦合。因此，调谐这两个环路的另一种方法包括调整短截线222a和222b的长度和宽度。可包括导电层330的其它变型以进行调谐。

在一个实施例中，在主接地层335是一个1.6英寸×0.8英寸的矩形形状，导电层330具有相同的尺寸。第一环路是0.2英寸×0.4英寸的矩形形状的环路，而另一环路是0.2英寸×0.39英寸的矩形形状的环路。短路通孔360有0.03英寸的直径，且放在导电层330边缘的内侧0.12英寸处。在这个特定的实施方案中，布局是在由材料ISOLA370制成的4层PCB堆叠上。每个基板的厚度为0.03英寸。无源集总元件240被实现为一个5.6皮法拉(pF)电容器。通过并联的1pF电容器和单个串联的22毫亨利(mH)电感器来实现匹配网络。

图9示出了当RFID标签被放置在环路部分250的顶面上方1厘米(cm)时，诸如上述，小型宽带环形天线的示例性实施例的读取性能。如图9所示，天线具有在865-956MHz之间频带的两个相邻的谐振频带。

在一个实施例中，环形部分250可以被封闭在外壳内。外壳可以是应用于环路的用于支持和保护的材料。外壳材料可能会影响环形部分250的射频(RF)性能。例如，外壳材料可包括铁基或其它金属。金属外壳可与环形部分250保持距离，以减轻外壳对环形天线性能的影响。

术语“近场”指的是在RFID读取器102和RFID设备106之间的通信工作距离作为短距离，通常小于天线最高工作频率的波长。近场读取范围的例子是在约27dBm功率下约15cm，优选距离约5cm。一些实施例可以使用的表达“耦合”和“连接”以及它们的派生进行描述。但应当理解，这些术语并非旨在作为彼此的同义词。例如，一些实施例可以被描述使用的术语“连接”以指示两个或多个元件彼此直接物理或电气接触。在另一个例子中，一些实施例可以被描述使用的术语“耦合”来表示两个或多个元件彼此不直接接触，但仍然相互合作或交互。在此环境下实施例并不受限制。

虽然这里已经描述了本公开的某些实施例，目的是本公开不限于此，因为它的目的是本公开是本领域中所允许的广泛的范围，书面说明可类似地读出。因此，上面的描述不应该被解释为限制，而仅仅是作为例示的特定实施例。本领域技术人员将在所附的权利要求书的范围和精神内设想其它的修改。

Claims (15)

1.一种宽带天线，包括：

导电层；

接地层；

绝缘层，位于所述导电层和所述接地层之间；

短路通孔，所述短路通孔贯通所述绝缘层并将所述导电层电连接到所述接地层；

第一环路，所述第一环路具有第一端口和第二端口，所述第一环路在所述第一端口连接至匹配电路，并在所述第二端口连接至所述短路通孔，所述第一环路包括第一电路元件，所述第一环路通过调整所述第一电路元件、所述第一环路的形状、所述导电层的形状、所述匹配电路和所述短路通孔的位置中的至少一个而可调谐；

第二环路，所述第二环路具有第三端口和第四端口，所述第二环路在所述第三端口连接至所述匹配电路，并在所述第四端口连接至所述短路通孔，所述第二环路包括第二电路元件，所述第二环路通过调整所述第二电路元件、所述第二环路的形状、所述导电层的形状，所述匹配电路和所述短路通孔的位置中的至少一个而可调谐；以及

其中所述第一环路和所述第二环路的至少一部分由所述绝缘层隔开。

2.根据权利要求1的天线，其中所述第一环路和所述第二环路位于相同平面内，所述第一端口和所述第三端口共享第一公共导体，且所述第二端口和所述第四端口共享第二公共导体。

3.根据权利要求1的天线，其中所述第一环路平行于所述导电层。

4.根据权利要求1的天线，其中所述第二电路元件包括集总无源电路元件，所述第二环路通过调整所述集总无源电路元件而可调谐。

5.根据权利要求1的天线，其中所述第一电路元件是集总无源电路元件。

6.根据权利要求1的天线，其中所述第一电路元件是导电带。

7.根据权利要求1的天线，其中所述第一环路通过调整所述匹配电路而被调谐，并且所述第二环路通过调整所述短路通孔的所述位置而被调谐。

8.根据权利要求1的天线，其中所述第一环路为矩形，具有实质上等于0.4英寸乘0.2英寸的尺寸。

9.根据权利要求1的天线，其中所述短路通孔实质上位于距离所述导电层的边缘0.12英寸的位置。

10.一种使用天线产生电磁近场的方法，所述天线包括第一环路、第二环路、匹配电路、接地平面、导电层、在所述接地平面和所述导电层之间的绝缘层和贯通所述绝缘层并将所述导电层电连接到所述接地平面的短路通孔，所述第一和第二环路中的每一个具有第一端口和第二端口，所述第一和第二环路在所述第一和第二环路的所述第一端口连接到所述匹配电路，且在所述第一和第二环路的所述第二端口连接到所述短路通孔，所述第一和第二环路中的至少一个包括集总无源电路元件，所述方法包括：

调谐所述天线以引起所述第一环路在第一频率和第二频率之间的第一频带上的近场中以相当大的增益辐射；以及

调谐所述天线以引起所述第二环路在所述第二频率和第三频率之间的第二频带上的所述近场中以相当大的增益辐射。

11.根据权利要求10所述的方法，其中调谐所述天线以引起所述第一环路在所述第一频带上的所述近场中辐射包括：调整所述第一环路的形状、集总无源电路元件和所述短路通孔的位置中的至少一个。

12.根据权利要求11所述的方法，其中调谐所述天线以引起所述第二环路在所述第二频带上的所述近场中辐射包括：调整所述第二环路的形状、集总无源电路元件和所述短路通孔的位置中的至少一个。

13.根据权利要求10所述的方法，其中调谐所述天线以引起所述第一环路在所述第一频带上的所述近场中辐射包括：调整所述天线的几何形状以引起所述第一环路在实质上大于20兆赫兹(MHz)的3dB带宽上辐射。

14.根据权利要求13所述的方法，其中调谐所述天线以引起所述第二环路在所述第二频带上的所述近场中辐射包括：调整所述天线的几何形状以引起所述第二环路在实质上大于10MHz的3dB带宽上辐射。

15.一种天线，包括：

导电层；

接地层：

第一绝缘层；

第二绝缘层，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层中的至少一部分位于所述导电层和所述接地层之间；

匹配电路，所述匹配电路被设置为将驱动电路的阻抗基本上匹配到所述天线的阻抗；

短路通孔，所述短路通孔将所述导电层连接到所述接地层，所述导电层位于所述第一绝缘层上且所述接地层位于所述第二绝缘层上，所述短路通孔贯通所述第一绝缘层和所述第二绝缘层；

第一辐射元件，具有第一端口和第二端口，所述第一辐射元件在所述第一端口连接到所述匹配电路且在所述第二端口连接到所述短路通孔，所述第一辐射元件位于所述第一绝缘层的与所述导电层相同的一侧；以及

第二辐射元件，具有第三端口和第四端口，所述第二辐射元件在所述第三端口连接到所述匹配电路且在所述第四端口连接到所述短路通孔，所述第二辐射元件位于所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间。