CN107925442B - 多层电磁耦合器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明广泛涉及一种适合用在打印设备中的用于对RFID标签进行编码的多层电磁耦合器装置。耦合器装置采用差分传输线回路作为布置在多层装置的顶表面层上的耦合元件，其被布置成靠近在与顶表面的相对的侧的用于屏蔽的金属接地平面层。耦合通过在无功近场中的感应耦合并且基于每个RFID标签自身包括电流回路的事实来实现。传输线回路的差分性质通过向回路的端子馈送相对于彼此具有180°的相移的信号部分来实现。馈送部件被布置在接地平面的相对于包括电流回路的顶表面层的相对侧。可以以一维阵列或二维阵列的形式在顶表面层上布置多个差分传输线回路。

Description

多层电磁耦合器装置
技术领域
本发明广泛涉及电磁耦合技术。更具体地，本发明的非限制性实施方式涉及适合用在打印机中的用于对RFID嵌体进行编码或其他近场编码应用的电磁耦合器装置。
背景技术
射频识别(RFID)是使用无线电波来传递来自电子标签(被称为RFID标签或RFID嵌体)的数据的技术。信息被电子地存储在标签中。为了读出信息，RFID读取器发射编码的无线电信号以询问标签。因此，RFID标签包括天线。此外，每个RFID标签包括适用于感应耦合的电流回路。相同的天线和/或电流回路还能够用于借助电磁耦合对RFID标签进行编码。
包括天线的RFID设备通常被称为嵌体。特别地，嵌体是包括被支承在柔性衬底上的柔性金属天线膜的RFID设备，该柔性金属天线膜连接至应答器。包括在电流回路中的应答器是如下集成电路，该集成电路用于对发送至嵌体并且被天线接收到的信号进行解密并且还用于向天线发送信号，该信号然后由天线进行发射。可以对嵌体天线进行调谐(即，设计规格)以便以某个目标频率与收发器进行通信，收发器有时被称为询问器(interrogator)。询问器通常包括用于与RFID嵌体进行通信的天线。嵌体可以是有源的或无源的。有源嵌体将包括其自身的电源，例如电池，而无源嵌体将从诸如询问器的外部源接收其电力。
近些年，印刷设备已经成为众所周知的，其能够在例如纸片的介质上移动RFID嵌体，并且同时能够在印刷过程期间利用期望信息对RFID嵌体进行编码。优选地在无功近场中借助于电磁耦合来执行编码。出于该目的，RFID打印机/编码器设置有电磁耦合器装置，该电磁耦合器装置装配在打印机的腔中，以在介质沿介质路径被引导通过打印机/编码器时，将承载编码信息的电磁功率耦合到位于介质上的RFID嵌体中。
通常，使用两种类型的技术在无功近场中对RFID标签(嵌体)进行编码，这两种类型的技术原则上适合被装配在打印机腔中：
静电耦合器设计采用刚性电RF(射频)电路，例如PCB(印刷电路板)上的传输线电路。由于电路是刚性的并且嵌体几何形状的形状因数通常具有非常高的可变性，所以耦合器与嵌体之间的RF耦合行为也将具有高的可变性。因此，对于每一种嵌体类型，RF窗口轮廓(window profile)可以被唯一地识别。
替选地，具有外部控制的自适应耦合器设计(也称为半自适应耦合器)在现有技术中是已知的。在该技术中，耦合器结构被分成若干个“耦合单元”，例如阵列。每个单元分别由一些外部电路和软件来控制。这意味着对于每种类型的嵌体，因为仅激活针对该特定嵌体形状因数的单元，所以无论其几何形状如何，均可以执行适配以实现最优耦合。在理想的情况下，可以通过先验地知道要激活哪些单元来实现最优耦合，而无论嵌体形状因数如何。为了得到关于需要激活哪些单元的这种信息，需要知道嵌体轮廓。因此，对未知嵌体几何形状的扫描过程是必要的。通过扫描获得的信息可以存储在存储器中，使得每个嵌体类型仅需要被扫描一次。然而，对于每个新的嵌体类型，需要重复该过程。因此，所述类型的自适应耦合器不能作为独立部件操作，而是必须伴随有软件解决方案，该软件解决方案包含用于要激活的单元的外部控制所需的扫描过程的必要算法，可能涉及整个打印机系统。
无论在组成整个耦合器的单个配置中还是在阵列配置中，由于存在各种各样的嵌体几何形状，所以耦合元件通常是非最优化设计。在许多情况下，传输线(TRL)技术被用于来自不同TRL几何形状的泄露场耦合。在其他情况下，以针对射频(RF)隔离的广泛屏蔽为代价来使用更多类似辐射结构的天线。无论使用所提到的哪种配置，均实现非最优化耦合。针对几何形状适配的一种解决方案则可以是阵列配置，其中控制各个元件的激励来优化RF耦合场，克服了各个元件的不完美性。
从上面能够看出，上述两种常规的耦合器类型的缺点是：在可以执行实际编码之前，需要校准以使耦合装置适应要编码的特定嵌体。(对于静态耦合器)针对最优耦合的嵌体的定位必须是已知的，或者(对于具有外部控制的自适应耦合器)必须获取并存储嵌体轮廓形状。
在静态情况下，每个嵌体类型具有其自身唯一的所需定位，其不能针对固定的耦合器而改变。因此，所描述的静态设计将不适用于某些不能实现期望位置的应用。而且，可能发生以下情况：由于几何关系，耦合性能太差而不能完成任何编码。
在外部控制自适应情况下，需要扫描功能以知道嵌体轮廓。此外，如果耦合单元阵列的分辨率不够高，则可能仍然存在不能被编码的嵌体类型，并且可能难以确定对于任何未来的嵌体类型所需的分辨率。在没有关于针对任何给定的嵌体类型需要如何激活单元阵列的信息的情况下，不能在“空态(empty state)”下实时地使用具有外部控制的自适应耦合器。此外，其不能被提供为与其所属系统独立分离的独立部件，而必须与软件以及还有硬件外围集成。此外，分辨率可能仍然太粗劣而不能处理所有嵌体类型。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的电磁耦合器装置，其适用于在不需要校准或外部控制的情况下将电磁功率有效地耦合至任意形状的嵌体中。
根据第一方面，提供了一种多层电磁耦合器装置，其用于借助于无功近场耦合将电磁功率耦合至任意几何形状的RFID标签的电流回路。多层电磁耦合器装置包括顶表面层，其形成要被布置成最靠近电磁功率要耦合至的RFID标签的电磁耦合器装置的顶表面。顶表面层包括用于通过与RFID标签的电流回路的感应耦合来实现电磁耦合的传输线回路。传输线回路是被形成为回路使得回路的两个端子彼此接近的有限长度的连续传输线。多层电磁耦合器装置还包括金属接地平面层。此外，多层电磁耦合器装置包括馈送层。馈送层包括巴伦元件(balun element)，巴伦元件用于向两个端子馈送通过将输入信号分割成幅度相等并且相对于彼此相位偏移180°的两个部分所获得电流信号，以形成所述传输线回路的差分输入。由此，从所述传输线回路形成差分传输线回路。巴伦还包括用于使外部馈送系统接口的阻抗与传输线回路的差分输入阻抗匹配的固有阻抗变换部件。
本发明的非限制性实施方式的方法是提供一种使得在差分馈送的传输线回路(TRL回路)与要编码的RFID标签(RFID嵌体)的电流回路之间能够直接感应耦合的电磁耦合器装置。通过TRL回路的差分馈送来实现高效的无功近场耦合。布置在嵌体回路以及耦合回路附近的金属接地平面层充当有效的二维屏蔽，并且防止RF能量辐射出。连续TRL回路形式的耦合元件的构造使得能够独立于用于阻抗匹配的任何分立电子部件来优化其几何形状。当与纯场理论问题有关的分布式部件可以聚集在一个单独的部件子集中并且与部件值问题有关的分立部件可以聚集在另一个单独的部件子集中时，提供设计灵活性。在这种情况下，通过接地平面将分布式部件侧(在顶表面层中)与分立部件侧(在接地平面之下，在馈送层中)分离来提供这种可能性。
优选地，顶表面层和金属接地平面层以微带技术来实现。还优选地，馈送层是微带层。在这方面，由于单个接地平面层是足够的，所以微带技术与带状线技术相比具有需要较少的总层数的优点。
根据另一优选的非限制性实施方式，馈送层是带状线层。
根据优选的非限制性实施方式，在顶表面层上存在被布置成一维或二维阵列的多个传输线回路。还优选地，在馈送层中，针对多个传输线回路中的每一个提供有单独的巴伦。根据另一优选的非限制性实施方式，通过单个巴伦来对多个传输线回路进行馈送，在这种情况下，多个回路以朝向巴伦的输出端呈现特定阻抗的方式来布置和互连。
还优选地，沿顶表面层形成恒定相位磁场。由此，在具有形成阵列的多个传输线回路(耦合单元)的电磁耦合器装置中，可以对任意形状的嵌体结构进行编码，而不需要通过专用软件和/或硬件进行的外部控制。优选地，在一维阵列的情况下，借助于通过在每个传输线回路之间分别包括具有λ/2的电长度的传输线区段的相位补偿，来实现所述恒定相位磁场，其中，λ是传输线的导波长。在二维阵列的情况下，阵列的列之间的相位补偿优选地借助于根据传输线回路之间的传输线分段的所选电长度来提供集总式或分布式部件的网络(80)来实现。
优选地，传输线回路具有根据如下参数表示(以笛卡尔坐标x和y)的超椭圆形几何形状：
Figure GDA0002896501050000041
这里，参数a(长度)和b(高度)确定回路的尺寸。参数m和n确定曲率。
优选地，输入信号是由50Ω(Ohm)同轴电缆系统提供的标准导波输入信号。
优选地，分别在顶表面层、接地平面层以及馈送层之间布置两个电介质层，其中，馈送层和顶表面层通过通孔连接。因此，在每两个金属层(信号层)之间放置电介质衬底材料层，以对金属层进行电隔离。
优选地，多层电磁耦合器装置用于通过将电磁功率耦合至RFID标签来对RFID标签进行编码。
还优选地，耦合器装置被用在打印机中，其中，要编码的RFID嵌体被布置在打印机中的沿介质路径引导的介质上。多层电磁耦合器装置的形状优选地可以被灵活适配，以在顶表面的所有位置处实现顶表面与打印机的介质路径之间的恒定的距离。
根据本发明的非限制性实施方式，提供了一种RFID打印机/编码器，其包括根据第一方面的多层电磁耦合器装置。由于用于将编码信息传递至RFID嵌体的电磁耦合发生在无功近场中，所以多层电磁耦合器装置可以被轻易地装配在打印机腔中且靠近介质路径。
本发明广泛地目的在于提供一种改进的电磁耦合器装置，其适用于在不需要校准或外部控制的情况下将电磁功率有效地耦合至任意形状的嵌体中。
通过结合附图来查看以下对特定非限制性实施方式的描述，非限制性实施方式的这些和其他方面和特征对于本领域技术人员而言将变得明显。
附图说明
根据如附图中所说明的以下描述，本发明的非限制性实施方式的另外的特征和优点将变得明显，在附图中：
图1是根据本发明的非限制性实施方式的多层电磁耦合器装置的框图；
图2是如在本发明的非限制性实施方式中采用的差分传输线回路的简化的功能性图示；
图3是根据本发明的非限制性实施方式的多层电磁耦合器装置连同要编码的嵌体的示例性层结构的图示；
图4示出了嵌体几何形状的示例；
图5示出了基于超椭圆方程的多个示例性回路几何形状；
图6示出了根据本发明的非限制性实施方式的差分传输线回路的一维阵列的示例；
图7示出了根据本发明的非限制性实施方式的差分传输线回路的二维阵列的示例；以及
图8示出了用于实现二维阵列的列之间的相位补偿的示例性布置。
具体实施方式
本文描述的非限制性实施方式将标准输入信号(诸如，例如在50Ω系统中)转换到无任何波现象(传播)的改进的近场中以向RFID嵌体耦合。根据本发明的非限制性实施方式的耦合典型地是磁(感应)耦合。由于嵌体是用于长距离传播(或者至少用于辐射近场)的远场调谐的设备，因此已经进行本发明的非限制性实施方式，使得限制基于辐射的耦合，并且替代地，在无功近场中将能量和信息从耦合器耦合至嵌体(更具体地，嵌体的应答器芯片)。因此，嵌体不再被认为是场辐射设备，而被认为是具有作为接收器的嵌体的应答器芯片的信号传递链中的部件。因此本发明的非限制性实施方式限制了由于辐射和与邻近要编码的嵌体的邻居的射频(RF)隔离问题而导致的破坏性腔干扰，射频隔离问题是具有RFID功能的打印机中的严格要求。
根据本发明的非限制性实施方式的多层电磁耦合器装置的元件(实际上：耦合元件)是差分传输线回路(在下文中缩写为差分TRL回路或DTLL)。差分传输线回路是被形成为具有相邻的(紧邻的)输入端子和输出端子的回路几何形状的有限长度的传输线(TRL)以及差分馈送信号的组合。差分馈送信号是通过将输入信号分割成幅度相等而在时间上具有180°相移的两个部分的设备生成的。该设备被称为巴伦(其中，词语“巴伦”具有“平衡至不平衡”的含义)。每个信号部分对DTLL的一个端子进行馈送。因此，TRL的两个端子可以被认为是单个差分端口。
回路的目的是借助于无功近场磁感应将RF能量向RFID嵌体的感应回路、或更一般地标签耦合。因此，回路被定位在衬底的暴露的顶部表面层上。接地平面(连接至地的金属平面)形式的分布式接地基准是在衬底的相对侧的中间层。
巴伦可以以许多方式实现。一个示例是集总式部件拓扑。不管如何实现，适当的位置都在接地平面的相对于回路所位于的顶侧的相对侧。巴伦的差分输出与回路的差分输入之间的连接优选地通过连接巴伦层与回路层的通孔来建立。
虽然回路层、接地平面以及两者之间的衬底以微带技术建立，可以在接地平面的另一侧建立一个或更多个相对的层，而不限于微带技术。仅有的共同要求是生成差分信号。
图1是示出根据本发明的非限制性实施方式的包括DTLL的电磁耦合器装置10的简化框图。
装置包括输入端子1、巴伦2、接地平面4、衬底5和TRL回路6。回路6布置在顶表面层上。衬底5布置在顶表面层与接地平面4之间。
在输入端子1处输入这样的来自默认50Ω同轴电缆系统的输入信号。巴伦2将输入信号分割成馈送入TRL回路6的两个端子(未示出)的两个信号7和8。特别地，巴伦2运行使得将输入信号分割成具有相同幅度并且相对于彼此具有180°相移的两个信号。信号(7，8)的这样的组合被视为“差分信号”。为了将信号7和8通过接地平面4和衬底5馈送至回路6，预设了通孔3。
接地平面4被配置成提供适当的屏蔽性质，一方面用于将能量集中在回路中并且避免辐射损耗，另一方面用于以使得相邻嵌体(例如，沿介质路径被引导通过打印机的腔的纸带上的在当前要编码的嵌体之前的嵌体以及在当前要编码的嵌体之后的嵌体)不同时被耦合的方式来屏蔽耦合器装置。
此外，根据本发明的非限制性实施方式，巴伦包括用于将其输出阻抗与外部馈送系统接口的阻抗匹配并且补偿传输线回路的电感的电气元件。
图2是差分传输线回路、即被单独取出的本发明的非限制性实施方式的耦合元件的简化的功能性图示。耦合元件由连续的传输线(以微带技术)构成，其被成形为使得形成(几乎)闭合的回路6。回路6的开口端构成了端子21和22，端子21和22被馈送有相对于彼此具有180°相位差的信号7和8(以虚线的形式示出)。如在上文中参照图1所说明的，信号7和8由巴伦输出作为将输入信号分割成两个具有相等幅度以及相反相位的信号的结果。
由于差分馈送，在回路中由箭头示出的回路6中流动的电流的方向可以在整个回路中是相同的(在给定的时刻处)。
作为表示分布式场理论部件的连续传输线回路的耦合元件的设计可以在不考虑匹配的情况下执行。反之，如果要在回路结构的中间位置处包括分立部件，则出于输入匹配的目的，在场理论耦合最优化与部件值最优化之间将需要不必要的迭代(iteration)。因此，连续传输线回路与将分布式部件与分立部件混合在耦合结构内相比提供了相当大的设计优点。根据本发明的非限制性实施方式，所有的分立部件被布置在装置的馈送侧或巴伦侧，即接地平面的相对于耦合元件的相对侧。
因此，本发明的非限制性实施方式首先(并且独立地)便于对传输线回路的几何形状的优化，其次便于在传输线回路的几何形状已经被优化之后，通过选择合适的电气部件而在巴伦侧执行阻抗匹配。巴伦具三个功能性质。第一性质包括将输入信号分割成幅度相等的两个部分。第二性质包括将两个部分的相位偏移成间隔180°。第三性质包括从例如50Ω的外部馈送系统接口的非差分阻抗到如在回路的输入端处所见的差分阻抗水平(differential impedance level)的阻抗变换。换句话说，根据本发明的非限制性实施方式的巴伦可以被认为包括变换器并且可以被指定为“巴伦变换器”，因为其还实现阻抗变换的第三功能。阻抗变换通常由阻抗传输比率(impedance transmission ratio)k来表征。在与本发明的非限制性实施方式相关的情况下，其中，将非差分阻抗变换为差分阻抗，k等于差分阻抗值(在DTLL的输入端处)与(外部馈送系统接口的)非差分阻抗值的比率的两倍。在50Ω外部馈送系统的情况下，假定在回路的输入端处的差分阻抗水平是500Ω，则阻抗传输比率将是k＝5。
通常，巴伦在其输出端处“看到”高电抗阻抗(reactive impedance)(或高Q值)，这是由于TRL回路的感应特性以及接地平面的存在而引起的。通过包括各自的电气部件，所述阻抗与馈送侧的阻抗匹配。
由于Q因数通常表示电路的谐振频率与带宽(半功率带宽)的关系，因此高Q值(高的Q因数或品质因数值)与高效但带宽减小的感应耦合对应。这意味着可以以高效率传送功率的频率范围受到限制。因此，优选地以使得将Q值减小至某个可接受的范围的方式来进行匹配。这可以例如通过在巴伦的输出端处包括内部电阻器来完成。考虑到在单个频率处、在差分馈送传输线回路与嵌体的感应回路之间可以实现的潜在地非常高的耦合因数，这是可能的，其中向应答器芯片传送的功率有一定减小，DTLL仍然在期望带宽中呈现出总体的高耦合因数。
图3是根据本发明的非限制性实施方式的多层电磁耦合装置的分层结构的更一般的图示。
从中可以看到，虽然存在三个(金属)层(也就是，顶表面层、接地层和馈送层)，但是本发明的非限制性实施方式可以包括多于三个层。
参照图3中示出的非限制性实施方式，存在具有六个金属信号层(s1，s2，s3，s4，s5，s6)的多层结构。多个五电介质衬底层(d1，d2，d3，d4，d5)各自被布置在两个相邻的金属层之间，使得被相邻的金属层“夹在中间”。因此，信号层是电隔离的。
多层结构包括分别由金属层s1和s6形成的底表面和顶表面。在示出的结构中，层s6与包括差分TRL回路的顶表面层对应。图3还示出了要编码的RFID标签30，其被布置成紧邻顶表面层s6。换句话说，在打印机中，顶表面层s6被定位成靠近打印机的介质路径，要编码的RFID标签沿该介质路径被引导。通常，多层结构可以是平面的，或者在更高级的机械配置中可以是弯曲的、平行并且跟随介质路径。
电介质层d1、d2、d3和d4具有相同的类型，然而在介电性质和厚度方面，d5可以具有不同的类型。由于d5的介电性质和厚度影响耦合性质以及回路几何形状，所以其确定形成优化的一部分。不同层的堆叠、即不同层之间的距离在表面上的任何位置处是恒定的。此外，底表面与顶表面之间的距离与如下均匀介质中的自由空间RF波长相比是非常小的，该均匀介质具有与具有最高直接常数的电介质层的介电特性相同的介电特性。
在示出的非限制性实施方式中，层s1、s3和s5是接地平面层。层s2和s4是用于馈送的带状线层。s6是微带层，即耦合层(包括DTLL)。
更具体地，在示出的非限制性实施方式中，s2和s4构成以带状线技术实现的平衡馈送网络，其用于对位于s1和s6上的平衡部件的馈送。s6仅包括以微带线技术实现的分布式部件。
在仅具有三个金属信号层的非限制性实施方式中，顶表面层、接地层和馈送层分别与图3中的层s6、s5和s4相对应。
差分传输线回路将呈现频率相关电感，其被表示为：
Figure GDA0002896501050000091
其中，ZC,loop是TRL的特性阻抗。θ是电长度，其被表示为：
Figure GDA0002896501050000092
其中，c是光速，εeff是TRL的有效介电常数，f是回路的操作频率并且L是回路的物理长度。于是，回路的宽度和物理长度将确定在给定操作频率处所呈现的电感。
从电路角度看，RFID嵌体总是包括电流回路，尽管该电流回路的几何形状可以非常不同。该回路也被称为嵌体的感应回路(嵌体回路)，其是与作为远场辐射部件的辐射器集成的无功近场部件。电流回路的存在通过以下事实来实现：嵌体的应答器芯片是高电容性的并且RF功率的有效耦合需要电感。电流回路可以被等效地看作呈现的电感。磁场驻留在电流回路内部并且通过将差分TRL回路定位成靠近该场，将在TRL回路(耦合器回路)与嵌体的电流回路之间呈现相互耦合。因此产生了高效无功近场耦合电路。高效耦合主要通过TRL回路的差分馈送来实现。
在实现高无功近场耦合的同时，需要确保的是，嵌体不会辐射出可能与被定位成紧邻目标嵌体的相邻嵌体交互的RF能量。因此接地平面层s5将充当有效二维屏蔽。
由于接地平面被认为具有足够大的表面以覆盖耦合器回路与嵌体回路之间的近场交互，耦合器回路及其与嵌体的交互可以被看作是独立于差分馈送设备的独立电路，差分馈送设备由于接地平面而可以被认为被屏蔽掉。耦合器回路与嵌体回路之间的交互极大地取决于两者的几何形状。需要注意的是，由于嵌体在被定位在自由空间中时的天线性质，所以嵌体回路也是差分设备。然而，由于接地平面被定位成紧邻嵌体和耦合器回路，所以辐射可以被认为是可忽略的。因此，本发明的非限制性实施方式提供了无功近场耦合结构。
现在将结合图4和图5描述与根据本发明的非限制性实施方式的回路几何形状及其优化/改进有关的细节。
图4示出了嵌体几何形状的示例。如已经在前面说明过的，所有示出的嵌体几何形状具有包括感应回路的共同特征，感应回路在图中分别借助于闭合虚线示出。
耦合回路几何形状可以被构造成使得实现向多种嵌体几何形状的有效耦合性质。对于所有RFID嵌体的共同特征是存在感应电流嵌体回路。
由于所有的嵌体均包括感应回路，因此固定的耦合器回路几何形状可以实现向任何可能的嵌体回路几何形状的有效耦合。当然，耦合的水平将会根据针对固定耦合器几何形状的嵌体回路几何形状而不同，而应答器芯片的高敏感性为这些差异留出余量。因此，“有效”应该被理解为相对于阈值水平具有余量的区间，其中差分信号发送(differentialsignaling)也是引起比非差分馈送的耦合器中的耦合水平更强的耦合水平的重要部分。
作为耦合器回路几何形状的特定示例，在图5中示出具有不同参数的超椭圆形状的多个耦合器回路。适于本发明的非限制性实施方式的超椭圆形状在笛卡尔坐标x和y中根据下式被参数化地限定：
Figure GDA0002896501050000111
在这些式子中，参数a(长度)和b(高度)具有长度维度并且分别限定超椭圆在x维度和y维度中的尺寸(因此是普通椭圆的半轴的广义化)，而参数n和m限定曲率，即从普通椭圆(n＝m＝2)向矩形形状(n，m>2)的偏离。θ是曲线的参数表示的可变参数。
在图5中，对于a，已经示出了a＝7.5mm(毫米)(上面的示例)以及a＝15.5mm(下面的示例)的参数值。b已经被固定设置成在所有示例中b＝4.6mm。对于n和m，使用n＝m＝2(左手侧示例)以及n＝m＝20(右手侧示例)的值。虚线指示对称轴。双对称轴对于超级椭圆形状是共同的。
从电气TRL角度来看，由于强约束的电磁场，在端子处的耦合回路输入通过仅取决于回路的长度和轨迹宽度而不取决于形状的函数被良好地近似。因此，存在未被该特定的几何形式覆盖的、作为针对有效的无功近场耦合的可能的候选者的许多其他的非对称形状，并且回路不限于图5中示出的特定几何形状。
如仿真示出的，如果回路的长度维度(图5的x轴)变大使得耦合器的TRL回路还覆盖被带至紧邻耦合器的RFID标签的嵌体天线(辐射器)，则除了与嵌体的电流回路的耦合之外，与嵌体天线的耦合也变得重要。这可能导致破坏性干扰。
顶表面层(图3的层s6)不限于包括单个回路元件，而是顶表面层(图3的层s6)也可以被配置成包括以一维或二维阵列布置的多个差分传输线回路。在阵列布置的情况下，能够实现遍及回路的恒定相位磁场分布，从而能够对任意形状的嵌体结构进行编码，而不需要外部控制。
在图6中示出包括差分TRL回路6-1、6-2、6-3和6-4的一维阵列60的非限制性实施方式。在示出的非限制性实施方式中，通过结合如在图6中借助于两个相邻回路的端子之间的类似“X”的部分(交叉线)示出的连接点的切换(switch)而使用回路之间的半波区段(λ/2，其中λ是传输线的导波长)，来实现一维布置中的相位补偿。
由于通过具有阻抗Zl的负载所看到的连接至具有特性阻抗ZC、物理长度L和电长度θ＝(2π/λ)*L的TRL的输入阻抗被表示为下式：
Figure GDA0002896501050000121
所以包括λ/2(θ＝180°)区段在实际上将平行地连接回路。然而，电流的相位转换了180°。然后如在图6中通过交叉线示出的，需要相邻回路之间的连接点的偏移。这由于馈送装置(例如，通过带状线)被定位在不同的层中而是可能的。注意，每隔一个回路存在连接点。
在非限制性实施方式中，在阵列的一端处实现巴伦转换(分别通过值0°和180°来指示)，并且阵列的另一端可以通过适当的负载来终止。存在巴伦转换的若干个可能性，例如集总式部件实现和紧凑分布式实现。
在图7中示出包括向差分TRL回路7-1、7-2，……，7-n的二维阵列70的扩展的另一非限制性实施方式。如从图7可以看出，图6中示出的一维阵列被定位在彼此相邻的行中。
二维阵列的行之间的相位补偿可以以集总式部件技术来实现，例如在示出了连接至图7的阵列的相邻的行以及将输入电压和电流(V1，l1)转换为输出电压和电流(V2，l2)的分段的图8示出的非限制性实施方式中。
连接回路线的分段需要相位补偿。在图8中，示意性地示出了由特征值ZC和θ0所指示的TRL分段(图的左手侧)以及两个电容器C1和C2连同电感器L的布置(图的右手侧)的组合。特征值ZC和θ0与TRL分段的电长度对应。ZC是TRL分段的特征阻抗，而θ0是与所施加的电信号的中心频率对应的相位角变化。
部件值被表示为：
Figure GDA0002896501050000122
其中，ω0是所施加的电信号的中心频率。
在向更加自适应的概念的进一步扩展中，可以使用回路元件与嵌体感应回路之间的相互耦合来触发开关以激活考虑中的回路并且同时保持其余回路断开或未激活。这通过以下事实来实现：独立于嵌体的取向和位置，只要其被定位在阵列之上，则将总是存在由于靠近感应回路而展现出比其他回路的耦合更强的耦合的一个或至多两个回路。这可以用作用于对交换网络进行驱动的控制电路系统的触发信号。注意，这将是叠加在高频耦合电路系统上的直流(DC)静电技术，因此是独立的。其需要耦合器结构的DC偏置。然而，除了该附加偏置以外，耦合器的功能将保持独立于其被安装在的打印机中的硬件和软件。
总之，本发明广泛涉及适合用在打印设备中的、用于对RFID标签进行编码的多层电磁耦合器装置。耦合器装置采用差分传输线回路作为布置在多层装置的顶表面层上的耦合元件，其被布置成靠近在与顶表面相对的侧的用于屏蔽的金属接地平面层。耦合通过在无功近场中的感应耦合并且基于每个RFID标签自身包括电流回路的事实来实现。传输线回路的差分性质通过向回路的端子馈送相对于彼此具有180°的相移的信号部分来实现。馈送部件被布置在接地平面的相对于包括电流回路的顶表面层的相对侧。可以以一维阵列或二维阵列的形式在顶表面层上布置多个差分传输线回路。
注意，前面已概述了一些较相关的非限制性实施方式。对于本领域技术人员而言将清楚的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所公开的非限制性实施方式进行修改。因此，所描述的非限制性实施方式应该被认为仅说明了一些较为突出的特征和应用。其他有益的结果可以通过以不同方式应用非限制性实施方式或以本领域技术人员已知的方式修改它们来实现。这包括：在本文中明确预期了在各种非限制性实施方式之间的特征、元件和/或功能的混合和匹配，使得本领域的普通技术人员根据本公开内容将理解，一个实施方式的特征、元件和/或功能可以被并入另一实施方式中，因为本领域的技术人员根据本公开内容将理解，一个实施方式的特征、元件和/或功能可以被适当地并入另一实施方式中，除非上文另有说明。虽然针对特定的布置和方法进行了描述，但其意图和概念可以适合于并且适用于其他布置和应用。

Claims (16)

1.一种多层电磁耦合器装置，其用于借助于无功近场耦合将电磁功率耦合至任意几何形状的RFID标签(30)的电流回路，所述电磁耦合器装置包括：
顶表面层(s6)，其形成要被布置成最靠近所述电磁功率要耦合至的RFID标签(30)的所述电磁耦合器装置的顶表面，所述顶表面层(s6)包括用于通过与所述RFID标签(30)的电流回路的感应耦合实现电磁耦合的传输线回路(6)，所述传输线回路(6)是被形成为回路使得回路的两个端子(21，22)彼此接近的有限长度的连续传输线；
金属接地平面层(4，s5)；以及
馈送层(s4)，其包括巴伦元件(2)，所述巴伦元件(2)用于向所述两个端子(21，22)馈送通过将输入信号(1)分割成幅度相等并且相对于彼此相位偏移180°的两个部分所获得的电流信号(7，8)，以形成所述传输线回路(6)的差分输入，由此从所述传输线回路(6)形成差分传输线回路，所述巴伦元件(2)还包括用于使外部馈送系统接口的阻抗与所述传输线回路(6)的差分输入阻抗匹配的固有阻抗变换部件。
2.根据权利要求1所述的多层电磁耦合器装置，其中，所述顶表面层(s6)和所述金属接地平面层(4，s5)以微带技术来实现。
3.根据权利要求1或2所述的多层电磁耦合器装置，其中，所述馈送层(s4)是微带层。
4.根据权利要求1或2所述的多层电磁耦合器装置，其中，所述馈送层(s4)是带状线层。
5.根据权利要求1或2所述的多层电磁耦合器装置，包括在所述顶表面层(s6)上布置成一维或二维阵列(60；70)的多个传输线回路(6-1，6-2，6-3，6-4；7-1，7-2，7-3)。
6.根据权利要求5所述的多层电磁耦合器装置，其中，在所述馈送层(s4)中，针对所述多个传输线回路中的每一个提供有单独的巴伦元件(2)。
7.根据权利要求5所述的多层电磁耦合器装置，其中，在所述馈送层(s4)中，通过单个巴伦元件(2)来对多个所述传输线回路进行馈送。
8.根据权利要求5所述的多层电磁耦合器装置，其中，沿所述顶表面层(s6)形成有恒定相位磁场。
9.根据权利要求8所述的多层电磁耦合器装置，其中，所述阵列是一维阵列(60)，并且所述恒定相位磁场是借助于通过在所述传输线回路(6-1，6-2，6-3，6-4)中的每两个之间分别包括具有λ/2的电长度的传输线区段的相位补偿来实现的，其中，λ是所述传输线的导波长。
10.根据权利要求8所述的多层电磁耦合器装置，其中，所述阵列是二维阵列(70)，并且所述阵列的列之间的相位补偿是借助于根据在所述传输线回路(7-1，7-2，7-n)之间的传输线分段的所选电长度来提供集总式或分布式部件(L，C1，C2)的网络(80)来实现的。
11.根据权利要求1或2所述的多层电磁耦合器装置，其中，所述传输线回路(6)具有根据如下参数表示的超椭圆形几何形状：
Figure FDA0002929120230000021
其中，x和y是笛卡尔坐标。
12.根据权利要求1或2所述的多层电磁耦合器装置，其中，所述输入信号(1)是由50Ω同轴电缆系统提供的标准导波输入信号。
13.根据权利要求1或2所述的多层电磁耦合器装置，还包括分别布置在所述顶表面层(s6)、所述接地平面层(4，s5)以及所述馈送层(s4)之间的两个电介质层(d4，d5)，其中，所述馈送层(s4)和所述顶表面层(s6)通过通孔(3)连接。
14.根据权利要求1或2所述的多层电磁耦合器装置，其适于通过将电磁功率耦合至所述RFID标签(30)对所述RFID标签(30)进行编码。
15.根据权利要求14所述的多层电磁耦合器装置，其适合于用在打印机中，其中，要编码的RFID标签(30)被布置在所述打印机中的沿介质路径引导的介质上，
其中，所述多层电磁耦合器装置的形状可以被灵活地适配，以在所述顶表面的所有位置处实现所述顶表面层(s6)与所述打印机的所述介质路径之间的恒定的距离。
16.一种具有对RFID标签进行编码的功能的打印机，所述打印机包括根据权利要求14或15所述的多层电磁耦合器装置(10)。
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