CN110036530B - 使用磁场和电场的组合将rfid带耦合到天线 - Google Patents

Abstract

RFID装置包括天线和RFID带。RFID带通过磁场和电场的组合耦合到天线。RFID带包括RFID芯片和带状导体，该带状导体将RFID芯片耦合到天线。带状导体具有大体上邻近天线定位的环形区段，以将RFID带磁性地耦合到天线。带状导体还具有与天线重叠并交叉的延伸区段，以将RFID带电气地耦合到天线。通过调整RFID带的大小、RFID带的配置、延伸区段和天线之间的重叠程度和/或RFID带相对于天线的角取向，RFID芯片和天线之间的阻抗变换可以变化以使RFID芯片和天线更好地匹配。

Description

使用磁场和电场的组合将RFID带耦合到天线

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年12月01日申请的美国专利申请号15/366,788的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本主题涉及射频识别(“RFID”)装置。更具体地，本主题涉及RFID装置，其中RFID带使用磁场和电场的组合被耦合到相关联的天线。

背景技术

RFID装置广泛用于将对象与识别码相关联。这种装置包括耦合到天线的RFID带。RFID带包括RFID芯片，该RFID芯片被编程有和/或被配置成被编程为包括各种信息，诸如与RFID装置相关联的物品(例如，零售环境中的一件商品)的标识。天线允许RFID装置与RFID读取器通信，从RFID读取器接收信号和/或将信号发送到RFID读取器。

RFID带和天线可以以各种方式耦合在一起。例如，根据一种传统设计，RFID装置的RFID带和天线经由导电连接耦合。在另一种传统设计中，RFID装置的RFID带和天线经由电场电容连接耦合。在另一种传统设计中，RFID装置的RFID带和天线经由磁感应场耦合。

耦合RFID带和天线的每种已知方法都有其自身的优点，但提供结合多种耦合技术的优点的RFID装置会是有利的。

发明内容

本主题的若干方面可以在下面描述和要求保护的装置和系统中单独或一起实施。这些方面可以被单独使用或与本文描述的主题的其他方面组合使用，并且这些方面的描述一起并不旨在排除这些方面的分开使用或者分开地或以所附权利要求中提出的不同的组合来要求保护这些方面。

在一个方面，RFID装置包括天线和RFID带。RFID带通过磁场和电场的组合耦合到天线。

在另一方面，提供一种用于将RFID装置的RFID带耦合到RFID装置的天线的方法。该方法包括通过磁场和电场将RFID带耦合到天线。

附图说明

图1是根据本公开的一个方面的混合模式RFID带的平面顶视图，该混合模式RFID带可以经由磁场和电场耦合到相关联的天线。

图2A是根据本公开的一个方面的RFID装置的一个实施例的平面顶视图；

图2B是根据传统设计的RFID装置的平面顶视图；

图3A是根据本公开的一个方面的RFID装置的另一个实施例的平面顶视图；

图3B是根据传统设计的另一个RFID装置的平面顶视图；

图4A和图4B是根据本公开的一个方面的RFID装置的一部分的平面顶视图，图解说明通过改变RFID装置的配置来改变RFID装置的一个或更多个性质的示例性方法；

图5是RFID装置的一部分的平面顶视图，RFID装置实施用于补偿该装置的RFID带相对于相关联天线的相对位置的方法；和

图6A和图6B是根据本公开的一个方面的具有复杂形状的RFID带的RFID装置的平面顶视图，图解说明通过改变RFID装置的配置来改变RFID装置的一个或更多个性质的示例性方法。

具体实施方式

根据需要，本文公开了本发明的详细实施例；然而，应该理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式实施。因此，在此公开的具体细节不应被解释为限制，而仅仅作为权利要求的基础，并且作为代表性基础，用于教导本领域技术人员以实际上任何适当的方式不同地使用本发明。

图1示出了根据本公开的一个方面的RFID装置的示例性RFID带，总体用10表示(其可以被称为混合模式带)，其允许RFID装置的RFID带10和天线之间通过磁场和电场的组合来耦合。图示的RFID带10包括RFID芯片12(其可以根据传统设计或新颖设计提供)和带状导体，总体用14表示，其将RFID芯片12耦合到相关联的RFID装置的天线。

带状导体14由导电材料形成并限定两个部分或区段——环形区段16和延伸区段18。如将更详细地描述的，环形区段16和延伸区段18可以进行各种配置，而不脱离本公开的范围，但是在图1的实施例中，环形区段16大体上是圆形的，而延伸区段18大体上是矩形的。

环形区段16被配置成大体上邻近相关联天线定位，延伸区段18接触天线，如图2A，3A和4A-6B所示与天线重叠并交叉，这将在本文中更详细地讨论。如本文所使用的，术语“重叠”不限于如下这样的配置，其中延伸区段18在两者交叉的位置处物理地位于天线上方(例如，天线夹在延伸区段18和其上安装有天线的基板之间)，但也包括如下这样的配置，其中延伸区段18在两者交叉的位置处物理地位于天线下方(例如，延伸区段18夹在天线和其上安装有带状导体14的基板之间)。由于延伸区段18可以在多个位置处与天线交叉，所以特别设想延伸区段18可以在所有位置处、没在这些位置处、在至少一个位置但不是所有位置处物理地定位在天线上方。在任何这些可能的配置中，延伸区段18被认为在每个位置处与天线重叠并交叉。

RFID带10的环形区段16主要通过磁场将RFID芯片12耦合到相关联的天线，耦合强度由RFID芯片12和带状导体14接触天线的一个或更多个位置之间的距离和相对角度来确定。RFID带10的延伸区段18主要通过在天线附近的一个或更多个位置处的电容(即电场)将RFID芯片12耦合到天线。因此，具有包含环形区段16和延伸区段18的带状导体14的RFID带10将通过电场和磁场的组合耦合到相关联的天线。通过这样的配置，包含这种RFID带10的RFID装置将具有电场和磁场耦合两者的优点。值得注意的是，通过电场和磁场的组合将RFID芯片12耦合到相关联的天线(可以在设计RFID装置时改变和控制其特性)允许相比于仅利用一种耦合方法(例如，仅电场或仅磁场)可能的阻抗匹配的RFID芯片12和天线的改进阻抗匹配。

图2A示出了总体用20a表示的示例性RFID装置，其包含图1中所示的一般类型的总体用10a表示的RFID带。图2A的RFID带10a的带状导体，总体用14a表示，与图1的RFID带10的带状导体14相比具有不同的形状；例如，带状导体14a大体上是矩形的，而不是像带状导体14那样具有大体上圆形的环形区段16和大体上矩形的延伸区段18，但是在其它方面与图1的带状导体14相当。图2A的带状导体14a具有直接连接到RFID带10a的RFID芯片12a的环形区段16a，带状导体14a的延伸区段18a通过环形区段16a与RFID芯片12a分开。

环形区段16a和延伸区段18a各自包括一对支腿22a、24a，它们由间隙G_L、G_E分开并且在RFID芯片12和天线26a之间的方向上延伸(在图2A的取向中是大致垂直方向)。虽然在图2A的实施例中，环形区段16a的支腿22a和延伸区段18a的支腿24a被相同的间隙(即，G_L＝G_E)分开(带状导体14a具有大体上矩形的形状)，在本公开的范围内，每个区段的支腿由不同大小的间隙分开，如将结合图3A的实施例更详细地讨论的。

可以理解图2A的RFID装置20与传统的RFID装置D之间的差异，并通过比较图2A和图2B来说明该差异。图2B的传统RFID装置D包括耦合到RFID带S的天线A，RFID带S包括RFID芯片C和带状导体W。可以看出，图2B的传统RFID装置D具有RFID芯片C，该RFID芯片C由于RFID带S的带状导体W的配置而通过电场耦合到相关联的天线A，而图2A的RFID芯片12a通过电场和磁场的组合耦合到相关联的天线(大体表示为26a)，这通过其相关的带状导体14a的配置、取向和定位来实现。

应当理解，图2A的RFID装置20a可以包括附加的和/或不同配置的组件，而不脱离本公开的范围，对于本文描述的其他RFID装置也是如此。例如，图2A未示出可以固定RFID装置20a的各种组件的基板。在另一个实施例中，RFID带10a可以是封装物品，其设计成防止水渗入并提供稳健的结构。关于天线26a，可以进行各种配置，而不脱离本公开的范围。例如，在一个实施例中，根据本公开的RFID装置的天线可以是扁平结构，包括切箔，线或任何其他合适的材料。

图3A示出了图2A的RFID装置20a的变型。在图3A的RFID装置20b中，通常用14b表示的带状导体具有直接连接到RFID带10b的RFID芯片12b的环形区段16b，带状导体14b的延伸区段18b通过环形区段16b与RFID芯片12b分开。环形区段16b和延伸区段18b各自包括一对支腿22b、24b，它们由间隙G_L、G_E分开并且在RFID芯片12b和天线26b之间的方向上延伸。与图2A的实施例相反，其中间隙G_L和G_E的大小在环形区段16a和延伸区段18a中基本相同，在图3A中，在环形区段16b中一个或更多个间隙G_L的大小不同于环形区段1b的图3A中的一个或更多个间隙G_E的大小。特别地，在环形区段16b的支腿22b之间的间隙的大小大于在延伸区段18b的支腿24b之间的间隙的大小。在其他实施例中，延伸区段的支腿之间的间隙的大小可以大于环形区段的支腿之间的间隙的大小。

因此，可以看出，图2A的RFID装置20a和图3A的RFID装置20b之间的主要差异在于它们各自的带状导体14a和14b的延伸区段18a和18b的配置。特别地，图2A的延伸区段18a的支腿24a之间的间隙G_E的大小大于图3A的延伸区段18b的支腿24b之间的间隙G_E的大小。结果，在延伸区段18a、18b分别与天线26a、26b分别重叠并交叉的位置28a和28b之间的间隔存在差异。改变这些相应位置28a、28b之间的间隔分别影响RFID芯片12a、12b和天线26a、26b之间的阻抗变换，使得在设计RFID装置20a或20b时可以选择性地改变位置28a、28b之间的间隔以满足装置的需要。

至于图3A的RFID装置20b与传统的RFID装置之间的差异，可以通过比较图3A和3B来理解。图3B的传统RFID装置D'包括耦合到RFID带S'的天线A'，RFID带S'包括RFID芯片C'和带状导体W'。可以看出，图3B的传统RFID装置D'具有RFID芯片C'，该RFID芯片C'由于RFID带S'的带状导体W'的配置而通过电场耦合到相关联的天线A'。然而，由于根据本公开的相关联带状导体14b的配置、取向和定位，图3A的RFID芯片12b通过电场和磁场的组合耦合到相关联的天线26b。

如上所述，对于根据本公开的RFID装置，RFID芯片和相关联的天线之间的距离影响它们之间的耦合。这可以参考4A和图4B来理解，图4A和4B示出了分别标记为20c和20c'的RFID装置，它们基本相同(包括RFID芯片12c的配置、带状导体14c的大小和形状以及天线26c的配置)，除了RFID带10c相对于天线26c的相对位置之外。与图4A的实施例相比，在图4B的实施例中，RFID芯片12c更靠近天线26c。换句话说，在天线26c的与RFID芯片12c相同的一侧上的带状导体14c的部分(即，环形区段16c)在图4B中比在图4A中小。RFID带10c和天线26c的相对位置的这种差异影响带状导体14c的环形区段16c的谐振频率。

特别地，延伸区段18c与天线26c重叠并交叉的两个位置28c使得带状导体14c的一部分根据电容器的值被天线导体绕过，这将改变环形区段16c的有效周长30、30'，因此，改变它的调谐频率。沿着图4B的带状导体14c的两个位置28c'的相对定位与沿着图2A的带状导体14c的两个位置28的相对定位不同。因此，图4A和图4B的RFID装置20c和20c'的调谐频率将是不同的，图4B的RFID装置20c'的频率高于图4A的RFID装置20c的频率，因为当与图4A的相应的环形区段周长30相比较，图4B的环形区段周长30'较小。该可变频率允许通过调节RFID带和天线的相对位置来使标准RFID带适应不同的天线和装置要求。

尽管调整RFID带相对于天线的位置可能是有利的，但如果位置的变化是制造公差的结果，那么环路频率的变化可能是不期望的。图5示出了通常用20d表示的RFID装置，其被配置来补偿RFID带10d的带状导体(通常用14d表示)相对于天线26d的相对位置。特别地，图5的RFID装置20d包括带状导体14d，带状导体14d具有直接连接到RFID芯片12d的环形区段16d，带状导体14d的延伸区段18d通过环形区段16d与RFID芯片12d分开。环形区段16d和延伸区段18d各自包括一对支腿22d、24d，它们由间隙G_L、G_E分开并在RFID芯片12d和天线26d之间的方向上延伸。在图5的实施例中，间隙G_L和G_E的大小在环形区段16d和延伸区段18d中都是相同的，但间隙大小可以不同，而不脱离本公开的范围。

图5的带状导体14d的至少一个支腿22d、24d(以及在一些实施例中，每个支腿22d、24d)的宽度是变化的，而不是均匀的。特别地，图5中所示的实施例中的每个支腿22d、24d的宽度从邻近RFID芯片12d的RFID带10d的端部32处的最大宽度逐渐变细到相对端部34处的最小宽度。通过这样的配置，每个支腿22d、24d的宽度在邻近RFID芯片12d处比邻近天线26d处的宽度大。在其他实施例中，支腿22d、24d中的一者或两者的宽度可以从邻近RFID芯片12d的RFID带10d的端部32处的最小宽度逐渐变到相对端部34处的最大宽度。此外，虽然图5示出了支腿22d和24d是基本相同的镜像，但是支腿22d和24d彼此不同地配置和/或如图5所示配置处于本公开的范围内。

由于图5中所示的带状导体14d的支腿22d和24d的宽度改变，带状导体14d与天线26d交叉的位置28d处的重叠程度取决于RFID带10d和天线26d的相对位置。例如，如果带状导体14d定位成RFID芯片12d相对靠近天线26d，则由于支腿22d和24d的相对大的宽度更靠近RFID芯片12d，将存在更大程度的重叠。相反，如果带状导体14d定位成RFID芯片12d与天线26d间隔更远，则由于支腿22d和24d的相对小的宽度远离RFID芯片12d，将存在较小程度的重叠。

支腿22d和24d与天线26d之间的电容与耦合区域成比例，这意味着支腿22d和24d的形状可有助于在偏离RFID带10d相对于天线26d的预期位置的情况下稳定频率。特别地，当RFID带10d被移动以将RFID芯片12d定位成更靠近天线26d时，电感减小(由于环形区段16d的周长30d的长度减小)，而电容增加(由于在相交位置28d处，带状导体14d的延伸区段18d与天线26d之间的更大程度重叠)。取决于电感、电容和RFID芯片电容的值，可以补偿电感和电容的乘积(控制谐振频率)，以便相对稳定，而不管RFID芯片12d与天线26d的接近度如何，从而补偿了将RFID带10d应用于天线26d时的位置公差。

图6A和图6B示出了根据本公开的RFID装置20e和20e'的实施例，其包括具有复杂形状的带状导体10e。图6A和图6B的RFID装置20e和20e'与图2A，图3A和图4A-5的RFID装置相当，其具有天线26e和RFID带10e，RFID带10e包括RFID芯片12e，其通过带状导体14e耦合到天线26e，带状导体14e包括环形区段16e和延伸区段18e。主要差别在于图6A和图6B的带状导体14e具有大致椭圆形的形状。结果，在所示的“x”方向上调节RFID带10e和天线26e的相对位置不仅改变了环形区段16e的周长30e、30e'的长度(如在其他实施例中那样)，而且由于延伸区段18e的可变宽度间隙G_E，改变了延伸区段18e与天线26e重叠并交叉的位置28e之间的距离。也可以采用除椭圆之外的其他复杂形状，而不脱离本公开的范围。

图6A和图6B还示出了可以通过改变RFID带10e相对于天线26e的角取向来调节RFID芯片12e和天线26e之间的阻抗变换的方式。带状导体14e可以理解为具有在RFID芯片12e和天线26e之间的方向上延伸的中心线36，其在图6A中示出为沿“x”方向延伸的垂直线。在图6A的取向中，中心线36在中心线36与天线26e交叉的位置处基本垂直于天线26e。RFID带10e相对于天线26e的这种取向可以被认为表示角取向为零。图6B示出了具有非零角取向的RFID带10e，其中RFID带10e围绕带状导体14e的中心旋转一定角度θ，使得中心线36以非垂直角度θ且在不同的位置处(在图6B中示出的“y”方向上的水平偏移)与天线26e交叉。也可以采用其他角取向，而不脱离本公开的范围，并且还应该理解，改变RFID带的角取向不限于图6A和图6B的实施例，而是可以与根据本公开的任何RFID装置一起使用。

通过调节RFID带10e的角取向，可以改变带状导体14e的延伸区段18e与天线26e交叉的位置28e之间的空间。调整角取向也改变了环形区段16e的周长30e、30e'的长度，同时在“x”和“y”方向上(图6B)都改变了RFID芯片12e相对于天线26e的位置。改变这些因素(连同带状导体的大小和/或形状)中的任何一个将改变RFID芯片12e和天线26e之间的阻抗变换，从而允许RFID芯片12e和天线26e之间的更好匹配。

应当理解，上述实施例是对本主题的原理的一些应用的说明。在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以进行许多修改，包括在本文单独公开或要求保护的那些特征的组合。由于这些原因，本发明的范围不限于以上描述，而是在所附权利要求中阐述，并且应当理解，权利要求可以针对本发明的特征，包括作为在本文单独公开或要求保护的特征的组合。

Claims (6)

1.一种RFID装置，其包括：

天线；

RFID带，其通过磁场和电场的组合耦合到所述天线，其中所述RFID带包括RFID芯片以及将所述RFID芯片耦合到所述天线的带状导体，并且其中所述带状导体包括环形区段和延伸区段，所述延伸区段在两个位置与所述天线重叠并交叉，并且所述带状导体具有在所述RFID芯片与所述天线之间的方向延伸的中心线，以及所述中心线以非垂直角度与延伸通过所述两个位置的所述天线的直线部分交叉。

2.根据权利要求1所述的RFID装置，其中所述环形区段邻近所述天线定位。

3.根据权利要求1所述的RFID装置，其中所述带状导体具有椭圆形的形状。

4.一种将RFID装置的RFID带耦合到所述RFID装置的天线的方法，其包括：

通过磁场将所述RFID带耦合到所述天线；以及

通过电场将所述RFID带耦合到所述天线；

其中通过所述磁场将所述RFID带耦合到所述天线包括为所述RFID带提供环形区段，所述环形区段邻近所述天线定位；

其中通过所述电场将所述RFID带耦合到所述天线包括以所述RFID带的延伸区段与所述天线重叠并交叉；以及

其中所述RFID带包括RFID芯片和带状导体，所述带状导体包括所述环形区段和和所述延伸区段并且将所述RFID芯片耦合到所述天线，所述RFID带与所述天线在两个位置重叠，并且所述带状导体具有在所述RFID芯片与所述天线之间的方向延伸的中心线，所述中心线以非垂直角度与延伸通过所述两个位置的所述天线的直线部分交叉；以及

所述方法还包括通过改变所述两个位置之间的距离来调整所述RFID芯片和所述天线之间的阻抗变换。

5.根据权利要求4所述的方法，其中调整所述RFID芯片和所述天线之间的阻抗变换还包括改变所述RFID带的大小、所述RFID带的配置和/或所述RFID带相对于所述天线的角取向。

6.根据权利要求4所述的方法，还包括通过调整所述环形区段的有效周长来调整所述环形区段的调谐环路频率。

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