CN110402444A

CN110402444A - 远程表面不敏感的无源rfid标签

Info

Publication number: CN110402444A
Application number: CN201780086717.4A
Authority: CN
Inventors: S·韦布
Original assignee: Antenna System Co Ltd
Current assignee: Antenna System Co Ltd
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-11-01
Also published as: EP3555813A1; EP3555813A4; WO2018118676A1; US9665821B1

Abstract

无源RFID标签，即使安装在导电材料或人体，也能提供远程接收。RFID标签的天线是垂直于安装表面的环形天线；它可以由管状导电材料片构成，以减少导电损耗。1英寸宽、0.15英寸高、0.625英寸深的示例性矩形环在紧凑的RFID标签中提供的高效的天线口径。可以为RFID芯片和调谐电容器提供多个安装位置。针对这些部件的不同安装位置的选择，可以允许在不改变部件的情况下调谐阻抗和谐振频率，从而提供更简单并且更划算的制造。环形天线可以例如由具有中空空气芯的冲压金属部件、双面的厚PCB或者将导电油墨覆盖在柔性材料上形成。

Description

远程表面不敏感的无源RFID标签

发明人：S·韦布

背景技术

技术领域

本发明的一个或多个实施例涉及射频识别(RFID)领域。更具体地，但不作为限制，本发明的一个或多个实施例使得无源RFID标签能够提供远程接收，并且对其所安装的表面不敏感。

相关技术的说明

RFID系统使用专门的询问器，该询问器发射RF(射频识别)信号并且检测由远目标(称为“标签”)反射的信号。无源RFID标签没有电池和发射器。标签具有天线和专门的RFID芯片。天线拦截传输能量的一部分并且将其递送给芯片。以这种方式，它与传统的无线电接收器上的天线相似。主要的区别在于拦截的RF能量是调整过的并且用于给RFID芯片供能。首先，在为芯片中的电路通电之前，芯片的输入阻抗是高的。天线在设计操作频率下谐振，因此将充当散射体：它将吸收并且再辐射一部分能量。由标签反射的能量可以由询问器接收。

首先，询问器可以发送未调制的载波，为RFID芯片供电。随后，询问器可以调制信号，将代码发送到RFID标签，这可以触发芯片中的一些操作。

RFID芯片的用途是通过交替地降低天线终端的阻抗(即使它们短路)，以及将它们返回至高阻抗状态(即使它们开路)，来调制来自询问器的信号。这将造成反射在高阻抗状态下强，并且在低阻抗状态下弱。这使得RFID芯片能够将信息发送回询问器，而无需本地电源或者传统发射器。这使得RFID标签廉价并且因此在其使用寿命结束后可任意处理。

RFID标签，因此，具有三个主要功能：(1)针对其物理尺寸(具有大的口径)，拦截尽可能多的RF能量，并且再辐射它，因此具有一个大雷达截面积(RCS)(即散射体)；(2)通过有效的阻抗匹配将拦截的能量递送到RFID芯片；(3)在RFID芯片的控制下，改变天线的调谐，以便选择性地成为具有小雷达截面积(RCS)的差的散射体，从而以反射的能量递送编码信息。

RFID询问器或读取器是具有特定功率级的传统发射器，并且使用可以是定向的天线。发射器功率和天线增益(与其波束宽度成反比)的乘积确定在何距离时RF场强度足以为给定标签配置的RFID芯片供电。RFID标签天线的效率和增益影响操作RFID芯片所需的RF场的阈值强度。

RFID标签可用于在各种环境中检测和跟踪对象。RFID芯片还能够存储和检索专用于其所附着的物体的数据。这些低成本标签如何用于标记仓储环境中的盒子和箱子是可以理解的。例如，当沿着传送带通过特定的物理点时，传送带上的盒子和箱子可以经由它们的标签识别。此外，标签可以在进入或离开仓库区域时写入信息。

许多盒子或，例如塑料箱具有围绕容器侧面的充足的非导电空间，以允许RFID标签附着而不会明显地影响其RF行为。例如，在纸板盒的情况下，标签可以在盒子的使用寿命期间有效地操作，并且由于其低成本而与盒子一起丢弃。在标签的使用寿命结束时，询问器可以使得标签无法操作，以便不干扰其他有用标签的读取。

一些应用要求将标签固定到导电的表面上。在这种情况下，RFID标签天线及其外壳的设计必须考虑导电表面。例如，设计用于固定到纸板盒上的标签，可以在固定到导电表面时有效地停止操作。

可能需要无源RFID标签的导电表面的示例包括，例如文件柜、实验室容器、计算机部件(服务器、磁盘驱动器)以及用于食品或工业原料的一次性铝箔容器。

RFID标签的另一重要应用是识别和跟踪人。人员标记应用程序可以包括对安全区域的访问的控制、跟踪在比赛中越过终点线的人员并且为其测定时间、跟踪监狱中的囚犯、跟踪和识别医院里的患者以及跟踪娱乐场所或运动场所中的参与者。当标记人时，存在若干问题使得人在其保持有效的同时是可接受的，该若干问题包括人体的导电性、来自人体的RF阻塞以及附着标签的方法。当比较纸盒的更良性环境时，这些问题可能会缩小标签可被询问的范围。

因此，为了在人员跟踪和标记中有用，无源RFID标签因此必须非常有效并且对其安装在其上的表面相对不敏感。此外，它必须足够小，以使人能够将其支撑在身体上而不会显著影响执行所选任务的能力。它必须能够根据应用在有用距离上进行询问。理想地，它必须具有足够低的成本，使得它可以在其使用寿命耗尽时丢弃，或者可以让人长期使用而不需要付出高昂的费用或者需要继续维护。

在所有应用中，通常希望标签在物理上尽可能小。由于RFID芯片本身非常小，因此总物理尺寸的限制因素通常是天线。与所有天线应用一样，存在折衷方案，其对可实现的天线尺寸设置了下限。通常，当讨论相对天线尺寸时，指的是在自由空间中物理尺寸与主体频率处的波长尺寸的比率。用于讨论效率的物理尺寸被认为是具有围绕天线的最小半径的球体。

天线尺寸、带宽和效率之间存在三方折衷。因此，尺寸减小的代价是带宽减小和效率损耗的某种组合。在小型天线中，带宽通常由阻抗匹配来定义，例如，当回波损耗大于10dB或VSWR小于2：1时。

尺寸减小的天线的带宽减小在实践中具有性能影响。如果合成带宽太窄，则在所需的操作频带上可能没有可接受的性能。例如，在美国，RFID应答器可以在ISM频带902-928MHz下工作，频宽比大约为百分之二十九(29％)。对于任何尺寸减小的天线，这是一个相当宽的带宽。例如，薄的偶极天线的带宽大约为百分之十(10％)。因此，天线的带宽是标签性能的相关限制因素。

效率是所实现的性能与理论上理想的性能的比率。它表现为由于天线结构的损耗导致的天线中的信号损耗，或者由相邻材料耦合到天线电路中的损耗。当天线位于良导体附近时，它可能使天线失谐，但通常不会耦合损耗。当导体具有很大的电阻时，相关的RF损耗将通过耦合出现在天线电路中。例如，人体是一个有损导体。人体附近的天线通常效率会降低。天线类型的选择将极大地影响这种对效率的影响。

由于天线在物理上很小，它们通常采用以下两种形式中的一种：小偶极或小环形。小偶极就像全尺寸偶极，但通常通过使用感应负荷来缩短它。这可以是弯折线或集总电感的形式。发生这种情况时，其输入阻抗会上升。这种天线的近场由电场主导。小环形天线具有相反的情况。随着环形天线变小，其近场由磁场支配。环形天线通常使用环端部之间的电容来谐振环。随着环变小，其输入阻抗的幅度变小。

在人体附近，具有主导(dominant)电场的天线(例如小偶极)比具有主导磁场的天线受到的影响更大。这是因为人体具有非常高的相对介电常数(或电容率)和低的相对磁导率。因此，当在人体附近使用时，小环形天线是比小偶极天线更理想的天线。

大多数RFID标签以及许多现有技术采用使偶极缩短的形式，尤其是那些设计成标签或“嵌体”以便应用于纸板盒或类似容器的偶极。旨在用于UHF频带的其他类型的天线包括1/4波天线，其中间需要电介质，并且可能不使用谐振电容器。根据定义，这些类型的天线比本文详述的设备大1/4波长结构，并且贵一个数量级。已知的这种类型的天线不会使顶部的电场最大化，而是使边缘上的电场最大化，因此固有地具有高损耗。因此，基于缩短的偶极天线或1/4波天线的标签对于人体或其他导电表面上的应用来说是不好的选择。

至少对于上述限制，需要一种远程的表面不敏感的无源RFID标签。

发明内容

本说明书中描述的一个或多个实施例涉及远程表面不敏感的无源RFID标签。本发明的实施例可以使用电动小型磁模式天线，该天线以在垂直于安装表面的平面中流动的循环RF电流定向。一个或多个实施例可以提供廉价且有效的机制，以通过移动谐振电容器的位置和RFID芯片沿天线导体中的槽的位置来分别调整谐振和阻抗匹配。一个或多个实施例可以使用空气芯结构以便实现最低损耗和最低成本。一个或多个实施例可以使得金属对金属的操作(例如用于跟踪设备)和在人体表面上的操作(例如在腕带中)能够具有最小的性能变化。相同的PCB设计可用于多个环尺寸，在空间允许的情况下能够实现更远程、更大的标签。在一个或多个实施例中，较大的环尺寸，例如通过将设备的高度增加两倍，使读取范围增加超过40％。一个或多个实施例可以利用结构本身的一部分作为寄生电容(例如在管状结构的实施例中)，因为设备本身的结构有两个目的，即使用相同的结构来形成环和电容器，因此不需要单独的电容器。例如，可以在一个或多个实施例中使用柔性PCB结构，其具有消除分立电容器或降低部件成本的能力。

一个或多个实施例可以具有环形天线，该环形天线可以由管状导电材料片形成或者可以包含管状导电材料片。术语“管状”旨在包括导电材料片折叠、弯曲、扭曲或弯曲以部分或完全环绕空气芯的任何形状；这样的形状可以包括例如平截头体、圆锥体或圆锥体的一部分、盒体或盒体的一部分、圆柱体或圆柱体的一部分、或者形成任何形状的环的任何其他类型的结构。穿过环中心的中心轴可以平行于物体的安装表面定向，并且环可以垂直于该安装表面。天线可以具有平行于表面的宽度、沿中心轴的深度和垂直于表面的高度。天线的管状片可以具有沿着片的表面延伸的槽，使得具有垂直于中心轴的平面的天线的横截面是开环。说明性实施例可以具有例如小于或等于0.25英寸的高度，或者在一个或多个实施例中具有小于或等于0.15英寸的高度。在一个或多个实施例中，环的横截面积(宽度x高度，对于具有矩形横截面的环)可以大于或等于0.1平方英寸。在一个或多个实施例中，环的横截面积可以大于或等于0.15平方英寸。在一个或多个实施例中，管状片的深度可以大于或等于0.4英寸。在一个或多个实施例中，管状片的深度可以大于或等于0.6英寸。

RFID标签可以包括从环形天线接收信号的射频元件，例如RFID芯片。它可以包括无源部件(诸如谐振电容器)，该无源部件影响环形天线的谐振频率。无源部件可包括例如电感器和电阻器，或代替电容器或除电容器之外的任何其他类型的电子部件，或其任何组合。一个或多个实施例可以不具有诸如用于环谐振的电容器的分立无源部件，而是可以使用天线自身或连接到天线的电路的任何部分的寄生电容。

在一个或多个实施例中，可以存在多个安装位置以将射频元件联接到天线。由射频元件观察的环形天线的阻抗可以根据为射频元件选择哪个安装位置而变化。这允许在不改变部件的情况下修改(并且与射频元件匹配)天线馈电点阻抗。类似地，在一个或多个实施例中，可以存在多个安装位置以将无源部件(例如谐振电容器)联接到天线。环形天线的谐振频率可以根据为无源部件选择哪个安装位置而变化。这允许在不改变部件的情况下微调天线的谐振频率。射频元件、无源部件或两者的安装位置可以沿着天线的管状片中的槽设置，例如将部件的端子附接到槽的每侧。

在一个或多个实施例中，穿过管状片的槽可以是一个或多个连接的线段。这些区段可能是不共线的；在一个或多个实施例中，可以存在两个、三个或更多个区段。在其他实施例中，区段的形状可以是线型的或非线型的，每个区段的侧面之间的距离恒定或非恒定。槽的相邻区段可以例如是垂直的，或者相对于彼此以任何其他配置或方向。

在一个或多个实施例中，天线环的内部可以是空气芯。在一个或多个实施例中，射频元件和无源部件可以安装在管状片的内表面上，例如安装在空气芯内。天线的管状片的一个或多个表面可以是印刷电路板上的导电层。一个或多个实施例可以包括具有顶部导电层和底部导电层的印刷电路板，所述顶部导电层和底部导电层都形成天线的管状片的一部分；在这些实施例中，天线的芯可以是印刷电路板基板。在具有由印刷电路板上的顶部导电层和底部导电层形成的天线的一个或多个实施例中，射频元件安装位置可以将射频元件的端子连接到顶部导电层和底部导电层(例如，通过穿过基板的导通孔)。

在一个或多个实施例或更多实施例中，RFID标签的全部或一部分可以包括柔性电路，代替刚性PCB或者除了刚性PCB之外还包括柔性电路。在一个或多个实施例中，谐振器(例如谐振电容器)可以与柔性电路的结构成一体或以其他方式形成，而不是由分立部件构成。柔性电路可以例如具有覆盖在柔性材料上的一层导电油墨。柔性电路的电容可以部分地或完全地由柔性天线导电材料的两个区域的重叠产生。可以通过改变该重叠的表面积来执行电容的调谐。例如，天线的导电油墨可以包括连接天线的各部分的一个或多个桥；通过切断所选择的桥，可以减小形成电容器的重叠区域的有效导电表面积，从而影响电容。在其他实施例中，可以修剪结构的端部的长度以减小电容器的表面积。在一个或多个实施例中，可以修剪长度并且可以切断一个或多个桥，以提供电容的细调和粗调，从而使设备的谐振频率成为可能。

附图说明

通过结合以下附图给出的以下更具体的描述，本发明的上述和其他方面、特征和优点将更加明显，附图中：

图1示出了用于远程表面不敏感的无源RFID标签的天线的实施例，该无源RFID标签由环形导电片形成，其中环垂直于安装表面；

图2示出了图1的天线的参考轴和尺寸；

图3示出了图1的天线在垂直于安装表面的平面中的横截面；该横截面是垂直于表面的开环；

图4A示出了图1的天线的透视图；

图4B示出了图4A的天线的俯视图，示出了顶表面中包含三个线段的槽；

图4C示出了用于远程表面不敏感的无源RFID标签的天线的另一实施例的透视图；

图4D示出了图4C的天线的俯视图，示出了横跨顶表面的直线式槽和顶表面中间的附加槽；

图5示出了图1的天线，其中添加了部件以形成RFID标签；部件包括RFID芯片和谐振电容器；

图6示出了具有用于RFID芯片和谐振电容器的多个安装位置的实施例，并且示出了阻抗如何随所选择的RFID安装位置而变化，以及谐振频率如何随所选择的电容器安装位置而变化；

图7示出了具有图1的天线设计的标签的实施例的侧剖视图，其中天线的顶表面由PCB板形成，并且部件安装在天线的内侧；

图8A和8B示出了具有如图4C中的天线设计的实施例的俯视图和侧剖视图，示出了RFID芯片和电容器的多个安装位置；RFID安装位置包括将芯片的一个端子附接到天线芯中的PCB的下表面的导通孔；

图9示出了附接到人的手腕的图8A和8B的标签设计的模型；该模型用于天线性能的计算机模拟；

图10示出了图9的模型中的标签的特写视图；

图11示出了由图9的模型中的RFID芯片看到的回波损耗；

图12示出了针对图9的模型计算的辐射图；

图13示出了针对图9的模型计算的功率损耗；

图14示出了附接到人的手腕的图7的标签设计的模型；该模型用于天线性能的计算机模拟；

图15示出了图14的模型中的标签的特写视图；

图16示出了从底部观察的图16的PCB，示出了安装到PCB底表面的部件；

图17示出了由图14的模型中的RFID芯片看到的回波损耗；

图18示出了针对图14的模型计算的辐射图；

图19示出了针对图14的模型计算的功率损耗；

图20示出了标签的配置，该标签用于测试电容器安装位置的变化对读取距离的影响；

图21示出了具有3.3pF的谐振电容器的图20的标签的读取距离测试的结果；

图22示出了具有3.6pF的谐振电容器的图20的标签的读取距离测试的结果；

图23示出了环形天线的实施例，该环形天线由覆盖在诸如的柔性材料上的一层导电油墨形成；塑料被卷绕以形成环形天线，该环形天线还在导电油墨的重叠区域中产生寄生电容；

图24A和24B分别示出了基于柔性电路的系统的实施例的俯视图和侧视图，其包括用于寄生电容的调节机构，其通过切断将管状片的一部分连接到电路的其余部分的桥来改变有效重叠区域。

具体实施方式

现在将描述远程表面不敏感的无源RFID标签。在以下示例性描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明实施例的更透彻的理解。然而，对于普通技术人员显而易见的是，可以在不结合本文所述具体细节的所有方面的情况下实施本发明。在其他情况下，没有详细描述本领域普通技术人员公知的具体特征、数量或尺寸，以免模糊本发明。读者应注意，尽管本文中阐述了本发明的实施例，但权利要求和任何等同物的全部范围限定了本发明的范围和界限。

图1示出了可以与远程表面不敏感的无源RFID标签一起使用的天线的实施例。该图仅显示天线和天线附接的安装座；下面描述和说明RFID标签的其他部件。天线101可以安装在例如人体皮肤103的表面上，或者安装在诸如腕带102的物品上。在一个或多个实施例中，天线和RFID标签可以安装在任何表面上，包括导电表面或者在人体上或靠近人体。标签可以直接附接在表面上，或者它可以包括或联接到诸如腕带102的安装座上。天线101包含管状的导电材料片，其形成环形天线。在该示例中，天线环的芯110是空气。在一个或多个实施例中，芯可以由任意一种或多种材料制成或者可以包括它们，上述材料例如但不限于空气或PCB基板材料(例如FR-4)。天线101的导电片具有槽111，该槽111是开口的。拓扑上，天线因此是开环，在环的端部之间具有槽。通常，在环的端部之间可能存在高电场，在该图中形成槽。靠近该槽的材料将导致与该材料的介电损耗成比例的天线损耗。例如，低成本玻璃纤维PC板材料(例如FR-4)可以具有大约0.02的介电损耗正切值。高成本PCB基板可具有0.002或更小的介电损耗正切值。空气可能具有非常接近零的损耗正切值。天线越小，辐射电阻越低，影响天线的总效率的导电损耗和诱导损耗越多。因此，一个或多个实施例可以使用空气作为天线芯，因为其损耗低且成本低。

图2示出了图1的天线101的参考轴和尺寸。概念上，中心轴201穿过空气芯的中部；该轴基本上平行于天线所放置的安装表面102。拓扑上，天线是垂直于该轴201的开环。在一个或多个实施例中，环可以具有任何尺寸和形状。图2的天线具有矩形的横截面，沿安装表面具有宽度202，在安装表面上方具有高度203。环的横截面(w x h)决定了天线的辐射电阻或其与自由空间的耦合。横截面越大，天线的有效口径越大，并且它可以拦截的通量越大。因此，在一个或多个实施例中，天线可以配置有相对大的横截面以改善接收性能。例如，在天线的一个实施例中，宽度202(w)是1英寸，高度203(h)是大约0.15英寸，给出大约0.15平方英寸的横截面积。在一个或多个实施例中，w、h和d可以根据特定应用以及设备尺寸、带宽、效率和所得读取距离之间的期望折衷而改变为任何其他尺寸。

天线101的环不是由导线形成，而是由导电的管状片形成，该天线101的环具有沿中心轴方向201的深度204。使环形导体变宽因为它通过降低电流密度来降低传导损耗而可能是有利的。因此，在一个或多个实施例中，天线可以配置有相对大的深度以降低传导损耗。例如，在天线的一个实施例中，深度204(d)可以是大约0.625英寸。

图3示出了天线101沿着垂直于中心轴201(并且因此垂直于安装表面)的剖切面301的横截面302。该横截面是开环302，其中间隙303对应于槽111。环302在主要垂直于(正常的)其安装表面的平面中承载RF电流。通过在该方向上使用环形天线，天线的近场由磁场而不是电场支配。这提供了以相对高的介电常数(或电容率)和低的相对磁导率安装在导电表面上或表面(诸如人体)上的优点。特别地，诸如天线101的环形天线，优选地是用于安装在人体或另一导电表面附近的偶极天线。

天线101中的槽的具体形状是说明性示例；一个或多个实施例可以使用由具有任何所需形状或尺寸的一个或多个槽的导电片形成的环形天线。图4A和4B分别示出了图1的天线101的透视图和俯视图。该天线中的槽由三个线段410a、410b和410c形成。这些区段是不共线的；区段410b大致垂直于区段410a和401c。图4C和4D分别示出了环形天线的不同实施例的透视图和俯视图。与天线101一样，该天线401由管状导电片形成，该管状导电片形成方向垂直于安装表面的开环。然而，横跨天线401的顶侧的槽420是单个线段。另外，天线410的顶部具有另外的槽421。在一个或多个实施例中，即使没有使用额外的槽421，也可以执行经由槽420调谐设备，并且因此不另外需要槽421。一个或多个实施例可以使用任何尺寸和形状的一个或多个槽以任何期望的方式影响天线的电特性和磁特性。

图5示出了图1的天线101，其中附加部件可以包括无源RFID标签。这些部件例如可以包括，但不限于，射频元件(诸如RFID芯片501)，，以及无源电路元件(诸如谐振电容器502)。天线101可以拦截一部分传输的能量并且将其递送到射频元件501。对于无源RFID标签，拦截的RF能量可以被调整并且用于为射频元件供电。射频元件501可以通过交替地降低天线端子的阻抗(即使它们短路)，并且将它们返回到高阻抗状态(即使它们开路)，来调制来自询问器的信号。这将导致反射在高阻抗状态下变强，而在低阻抗状态下变弱。这使得射频元件能够将信息发送回询问器而无需本地电源或传统发射器。图5中所示的射频元件501具有两个端子，一个端子在槽的每侧附接到天线。可以在一个或多个实施例中使用的说明性射频元件是由外星科技有限责任公司(Alien Technology LLC)制造的Higgs^TM3单芯片UHF RFID标签集成电路。一个或多个实施例可以使用任何类型的一个或多个射频元件来接收信号并且调制返回传输，射频元件例如包括但不限于任何RFID芯片、集成电路、处理器、信号处理器、DSP、数字电路或模拟电路、或其任何组合。

在图5所示的实施例中，天线环路与包括分立电容器502的电容谐振。环路谐振也可能受寄生电容的影响。分立电容器502可以与射频元件501并联地设置在天线槽111上。可以选择电容器502的电容以调谐环形天线的谐振频率；可以在一个或多个实施例中使用的说明性电容值大约为2.2pF。一个或多个实施例可以包括也可以影响天线谐振的其他无源电路部件，包括例如但不限于电容器、电感器或电阻器。一个或多个实施例可以包括有源电路元件，作为对无源电路元件的替代或者另外的补充。

在一个或多个实施例中，期望具有用于使谐振环形天线101的阻抗与射频元件501匹配的机制。还期望具有用于改变电容器502的有效电容值(或其他无源元件的参数)的机制，以微调环形天线101的谐振频率。

在诸如振荡器和放大器的微波电路领域中，沿着传输来滑动分流散装部件来优化诸如功率输出的调谐参数并不罕见。一旦找到最佳位置，就将部件焊接到位。这是一种有效的，虽然是劳动密集型的修剪(微调)方法。该方法通常不适合大批量生产，因为它是劳动密集型的。本发明的发明人构思并且实验观测到，本文详述的新设备可能不需要单位调谐，而是可能需要批量的调谐。诸如机械公差、PC板的介电常数、散装部件价值变化、以及封装和预期安装表面的补偿等变量都有助于批量修剪。

如果环形天线101的槽111如图5所示配置，其中多个线段呈之字形，则发生有用且令人惊讶的结果，允许对天线环路的谐振频率和与射频元件匹配的阻抗进行微调。可以为谐振电容器和射频元件两者设置分立部件安装位置。通过选择几个可用安装位置中的一个，可以从几个离散值中选择电容器的有效值和射频元件的有效阻抗。通过对“拾取和放置”机器的编程的简单修改，可以改变这些部件在大规模生产中在PC板上的位置。可以已经建立了部件位置，并且可以在软件中将未使用的位置指定为“空载”。因此，通过改变部件位置，可以不必改变电容器值。这消除了存储许多电容器值的需要，以及使用以非常小的值增量制造的电容器的需要，这通常是昂贵的。在实验室实验中，发现将电容器位置从一个极端位置移动到另一极端位置，导致与低成本电容器系列中的标准值之间的差异大致相同的调谐。对于微调标签谐振频率的目的而言，这几乎是理想的。

图6示出了使用如上所述的多个安装位置来调谐阻抗和谐振频率的实施例。为了说明，在天线101上设置用于射频元件501的五个安装位置：601a、601b、601c、601d和601e。每个安装位置包括两个附接点，分别位于天线中的槽的两侧。图表611示出了基于选择哪个安装位置的天线对射频元件501的阻抗(所示的阻抗值是说明性的，并且可能不代表特定实施例的实际值)。例如，如果元件501放置在安装位置601a中，则得到的阻抗为611a；类似地，阻抗611b对应于安装位置601b，阻抗611c对应于安装位置601c，阻抗611d对应于安装位置601d，以及阻抗611e对应于安装位置601e。一个或多个实施例可以在天线101上的任何期望位置或者联接到天线的任何元件上，具有用于射频元件501的任何期望数量的安装位置。在一个或多个实施例中，安装位置可以是彼此的函数或者以其他方式相互作用，使得如果沿一个安装位置移动一个部件，则也可以根据需要改变另一安装位置以满足期望的阻抗和/或谐振频率。

类似地，在图6中，为了说明，在天线101上为谐振电容器502设置了五个安装位置：602a、602b、602c、602d和602e。每个安装位置包括两个附接点，分别位于天线中的槽的两侧。图表612示出了基于选择哪个电容器安装位置的天线的谐振频率(所示的谐振频率值是说明性的，并且可能不代表特定实施例的实际值)。例如，如果元件502放置在安装位置602a中，则得到的谐振频率为612a；类似地，谐振频率612b对应于安装位置602b，谐振频率612c对应于安装位置602c，谐振频率612d对应于安装位置602d，以及谐振频率612e对应于安装位置602e。一个或多个实施例可以在天线101上的任何期望位置或者联接到天线的任何元件上，具有用于电容器(或其他无源部件)502的任何期望数量的安装位置。

在一个或多个实施例中，环形天线元件可以廉价地制造，例如作为冲压金属部件，并且可以例如是镀锡的，以改善可焊性。电容器和射频元件可以经由自动系统(拾取和放置)放置在印刷电路板上。然后可以将天线元件放置在那些部件上。最后，电路板可以回流焊接。

在一个或多个实施例中，诸如RFID芯片和电容器的元件可以放置在印刷电路板的底侧(内部，面向天线芯)。这种结构的优点在于RFID标签的顶部和底部是平的，这有助于包装和保护小部件。该配置非常适合于容纳在例如腕带中的织物材料中。图7示出了具有该PCB设计的实施例，示出为侧剖视图。金属框架701(例如可以是冲压金属部件)形成天线环的底部和侧面。印刷电路板702(例如形成在FR-4基板上)具有导电表面，该导电表面在槽111的相对侧上具有区域704和703。RFID芯片501安装在板702的内侧上，其面向天线环的内芯。类似地，电容器502安装在板702的内侧上(注意，电容器502也可以设置在槽111上，但是在该剖视图中看不到电容器的槽位置)。因为所有部件都安装在天线内部，即使RFID标签的外边缘接触人或物体，它们也受到保护。此外，由于在一个或多个实施例中RFID标签的外边缘是扁平的，所以简化了封装和安装。

在一个或多个实施例中，RFID标签可以例如由厚PCB材料制成。天线可以由PCB自身的多个导电表面形成，可能消除对天线的冲压金属部件的需要。图8A和8B示出了具有如图4C中的天线设计的实施例，其中天线由厚的双面PCB板形成。图8A示出了该实施例的俯视图，图8B示出了侧剖视图。侧视图8B示出了标签的内部是PCB基板820，其可以是例如FR-4。因此，该基板形成天线芯，而不是例如如图1中所示的空气芯。PCB的顶表面821和底表面822形成天线环的一部分。顶表面821对应于天线表面401，其具有槽420和421。设置了跨越槽420的用于电容器502的多个安装位置，具体地，位置802a、802b、802c、802d、802e和802f。还设置了用于槽421内的内部区域中的射频元件501的多个安装位置。这些射频元件安装位置中的每个包括到顶表面821的第一附接点和到将端子连接到PCB底表面822的导通孔的第二附接点。显示了四个安装位置：801a(顶表面)和811a(底表面)、801b(顶表面)和811b(底表面)、801c(顶表面)和811c(底表面)、以及801d(顶表面)和811d(底表面)。附接点811a连接至连接到底表面822的导通孔831a；类似地，811b连接到831b，811c连接到831c，以及811d连接到831d。RFID芯片501所示的安装位置在801c处附接到顶表面821，并且通过导通孔831c连接到底表面822的811c。在如图所示的设计中，部件附接到PCB的顶部，而不是如图7所示的内部，其中的空气芯允许部件位于天线的内部。在本文描述的本发明的任何实施例中，可以将任何数量的安装位置用于射频部件和电子部件。

代替或除了使用刚性PCB，诸如图7中所示的PCB和图8A和8B中所示的(厚)PCB，一个或多个实施例可以使用例如柔性PCB或印有导电油墨的基板的电路板。例如，天线和电路接线可以部分地或完全地由导电油墨形成，导电油墨是柔性材料(诸如塑料)上的覆盖物。在一个或多个实施例中，电容器可以由例如在电路板自身内形成的电容或由柔性PCB的附加区域形成的电容器代替。一个或多个实施例可以包括用于调整在电路内形成的寄生电容的元件或配置，以便调谐天线的谐振频率。这种电容调节(以及因此的谐振频率)使得能够调谐系统，而不必改变印刷电路的布线图。

图23示出了具有覆盖在柔性材料上的导电油墨的实施例，例如但不限于在步骤2302中用导电油墨覆盖柔性材料的条带2301，例如使用印刷电路工艺，其基于电路布线图以任何期望的图案将导电油墨沉积在材料2301上。导电油墨2303，如图23中的黑色所示，可以具有任何所需的尺寸、形状、厚度和图案。例如，它可以包括槽2304，RFID芯片可以安装在槽2304上，类似于上面针对刚性电路描述的槽。在覆盖导电油墨2303之后，在步骤2305中卷绕柔性电路以形成环形天线。图23示出了该卷绕电路2306的侧视图。除了被卷绕成环形之外，卷绕电路还包括条带的两个导电端之间的重叠区域。该重叠区域可以产生寄生电容2307，其可以有助于环形天线的谐振频率。在一个或多个实施例中，可以调整寄生电容2307的量，例如通过改变条带的两个边缘重叠的程度。通过重叠条带边缘形成的电容使得设备在内部(经由电容)有效地电力更大，即使它因为附上的体积可能很小而在物理上更小。卷绕环的芯2308可以在没有任何其他材料的情况下形成，或者可以由任何一种材料或多种材料形成，包括例如中空塑料块，泡沫块或由塑料制成的被条带2013围绕卷绕的框架。

图24A和24B示出了图23中所示实施例的变型。如图23所示，该实施例在柔性材料上使用导电油墨覆盖物，其卷绕成环形。图24A示出了该实施例在卷绕成环之前的俯视图，图24B示出了卷绕成环形天线形状的实施例的侧视图。在该实施例中，靠近左边缘2411的条带材料2401没有覆盖在其上的导电油墨；相反，它可以在其上具有粘合剂，当其卷绕在框架周围或围绕芯材料时，允许条带固定到其自身。导电油墨在边缘2412处开始并且延伸到边缘2414，其中RFID芯片可以安装在槽2304上(如在先前描述的实施例中，可以为RFID芯片设置多个安装位置)。在位置2415之后，导电油墨变窄到更小的宽度区域。2415和2414之间的区域在卷绕时与条带的相对边缘重叠，形成寄生电容。通过使该区域中的导电油墨变窄，导电区域边缘上的电容器边缘场留在设备内部，使得设备的电场不会损耗。其他实施例可以利用该区域中的任何形状，例如从边缘向内。

图24B示出了当围绕框架卷绕时图24A的实施例的侧视图。框架可以例如包括四个圆柱2421、2422、2423和2424，条带围绕它们卷绕。在导电油墨的起点2412之前的条带的部分2401可以在表面上具有粘合剂，该粘合剂将条带固定在框架周围的自身上。形成寄生电容的导电油墨的重叠区域是位置2414和2415之间的区域。在一个或多个实施例中，可以通过改变该重叠的有效区域来调节电容。例如，可以通过切掉在边缘2414之前的条带来修剪设备，从而缩短重叠量。图24A示出了可以在一个或多个实施例中使用的另一调整方法。2415和2414之间的导电油墨区域包含一系列窄导电桥2413a、2413b、2413c、2413d和2413e。通过断开2402这些桥中的任何一个，可以改变有效电容，这将导电油墨的远边缘与电路的其余部分断开。例如，在图24A中，桥2413被切断，使得图24B中的区域2432不会有效地有助于寄生电容；因此，有效电容2431取决于位置2413c和2415之间的区域。该调节机构可用于调谐系统的电容，而不需要对印刷电路的工艺图进行任何改变。它也不需要任何额外的部件，诸如分立电容器。

天线性能的计算机模拟

执行了本发明的两个说明性实施例的计算机模拟。第一个模拟的实施例类似于图8A和8B中所示的实施例，我们将其称为“类型1标签”。第二个模拟是类似于图7中所示的实施例，我们将其称为“类型2标签。”类型1标签具有厚PCB芯，而类型2标签具有空气芯。所有计算机模拟均使用CST 完成。模拟建模了安装在人的手腕上的RFID标签。建模的操作频率为902-928MHz，这是RFID操作常用的ISM频带。

图9示出了类型1标签的计算机模拟的配置。PCB具有FR-4芯820a和作为环形天线的一部分的上表面401a(以黄色示出)。RFID芯片被建模为具有64欧姆阻抗的源501a(红色)，具有0.81pF的串联电容501b(蓝色)。谐振器电容器502a(蓝色)为2.2pF。人的手腕模型包括人的肉体模型103a(深红色)和骨骼模型103b(灰色)。环形天线和“手腕”之间有一个0.020英寸的气隙。

图10示出了图9的PCB模型的特写视图，其具有FR-4PCB芯820a、天线的上导电表面401a、RFID芯片源501a、RFID芯片的串联电容501b和谐振器电容器502a。

图11示出了由RFID芯片看到的回波损耗1101，示出了在频率920MHz处的阻抗匹配1102。

图12示出了类型1标签的辐射图1201。总效率1202(-18.8dB)比类型2标签(下面讨论的)低大约7dB。这种效率差异是由于1型标签芯中FR-4材料的损耗(而2型标签具有空气芯)。

图13示出了类型1标签的功率损耗1301，示出了标签损耗(非人体损耗)的显著部分发生在FR-4基板材料1302中。

现在转向类型2标签的模拟，图14示出了类型2标签的计算机模拟的配置。如图7所示，天线的上表面由PCB形成，其中部件安装在底部(内部)表面上。天线的下部是金属部件，该金属部件围绕空气芯。天线的上表面101a(黄色)具有多段槽。RFID芯片被建模为具有64欧姆阻抗的源501a(红色)，具有0.81pF的串联电容501b(蓝色)。谐振器电容器502b(蓝色)为4.5pF。人的手腕模型包括人的肉体模型103a(深红色)和骨骼模型103b(灰色)。环形天线和“手腕”之间有一个0.020英寸的气隙。

图15示出了图14中所示的类型2标签的特写视图。上表面101a是可见的，但RFID芯片和电容器是不可见的，因为它们位于板的底部(面向天线的内部空气芯)。

图16示出了PCB的底部101b的特写视图。RFID芯片(501a和501b)和电容器(502b)显示在通过模拟计算的最优位置。

图17示出了RFID芯片看到的回波损耗1701，示出了在频率914MHz处的阻抗匹配1702。

图18示出了类型2标签的辐射图1801。总效率1802(-11.6dB)比类型1标签(上面讨论的)高大约7dB。这种效率差异是由于类型1标签的芯中FR-4材料的损耗(而类型2标签具有空气芯)。

图19示出了类型2标签的功率损耗1901。该模拟显示人体中的损耗1903远大于标签自身的损耗1902。该标签使用薄(0.025英寸)FR-4基板，其中包含非常少的相关电场。这就是类型2标签比类型1标签效率高大约7dB的原因。

物理实现

已经构建并且测试了类型1标签和类型2标签的物理模型。物理模型中使用的RFID芯片是由Alien Technology LLC制造的Higgs^TM3单芯片UHF RFID标签集成电路。如在上述计算机模型中，类型1标签物理模型是FR-4芯标签，并且类型2标签物理模型是空气芯标签。

类型1标签的物理实现基于0.125英寸厚的FR-4(玻璃纤维)印刷电路板。这个标签的重量是3克。类型2标签的物理实现结合了0.025英寸厚的FR-4印刷电路板和成形的黄铜天线。使用的黄铜材料厚0.010英寸。类型2标签实现的总体大小与类型1标签实现的总体大小大致相同。类型2标签物理实现的重量为2克；它低于类型1标签实现的重量，因为芯是空气而不是FR-4玻璃纤维。两个标签实现的尺寸(参见图2)大约是w＝1.0英寸、h＝0.125英寸、d＝0.625英寸。

物理测试结果

在各种电容器值和电容器安装位置上对类型2标签执行测试。所有测试均在人的手腕上进行，并且测量标签的可读距离。使用典型的RFID读取器以及典型的贴片天线，两个读取器端口各一个。

图20示出了在类型2标签PCB上测试的电容器安装位置。表面101c是PCB的顶表面；，为了测试，简单起见将部件安装到PCB的顶部，但对于类型2标签，它们也可以安装在底表面上。在用于RFID芯片501的该PCB上的五个安装位置中，贯穿整个测试使用位置2020(“b”)。测试PCB具有8个用于使电容器502谐振的安装位置；在这8个位置中，4个位置(2001(“1”)、2003(“3”)、2005(“5”)和2007(“7”))用于测试。使用电容3.3pF和3.6pF的电容器进行测试。对每个电容器值执行两次测试。

图21示出了具有3.3pF电容的电容器的测试运行的结果。该图表显示了如预期的那样读取距离作为电容器安装位置的函数而显著变化。对于两个测试，峰值读取距离2101发生在安装位置2102(位置“3”)处。

图22示出了具有3.6pF值的电容器的测试运行的结果。对于该电容器，峰值读取距离2201发生在两个测试的安装位置2202(位置“7”)处。

因此，这些测试表明，通过改变电容器安装位置，本发明的实施例可以适应不同的电容器值或其他变化，诸如环形天线的尺寸。

针对若干市售标签在人的手腕上测试类型2标签，显示它具有比除了一个之外的所有测试标签更高的读取范围。测试的类型2标签具有大约1200立方毫米的体积和3克的重量。具有类似读取范围的一种市售标签具有26400立方毫米的体积和24克的重量。因此，当考虑体积和重量时，本发明提供优于任何所测试标签的性能。

当通过增加环形天线的高度来增加类型2标签的高度时，增加其读取范围而不显著增加重量。类型2标签的测试显示，通过增加大约八分之一英寸至四分之一英寸的高度，读取范围增加大约50％。

虽然已经借助于特定实施例及其应用描述了本文公开的发明，但是本领域技术人员可以在不脱离权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，对其做出许多修改和变化。

Claims

1.一种远程表面不敏感的无源RFID标签，包括：

环形天线，包括由导电材料制成的管状片，具有延伸穿过由所述管状片包围的芯的中心轴，其中

所述环形天线配置为安装在物体表面上或靠近物体表面；

当所述环形天线安装在所述物体的表面上或靠近所述物体的表面时，所述中心轴基本上平行于所述物体的表面；

所述管状片沿垂直于所述中心轴的平面的横截面是垂直于所述物体的表面的开环；

所述横截面具有沿平行于所述物体的表面的轴线的宽度，并且具有沿垂直于所述物体的表面的轴线的高度；

所述管状片具有沿所述中心轴的深度；

所述管状片具有沿所述管状片表面延伸的槽；以及，

射频元件，联接到所述环形天线，并且配置为从所述环形天线接收信号；

其中，

所述管状片包括用于所述射频元件的多个射频元件安装位置；

所述多个射频元件安装位置的每个射频元件安装位置包括至少两个与所述管状片的连接；以及，

所述环形天线对所述射频元件的阻抗基于所述多个射频元件安装位置的哪个射频元件安装位置用于将所述射频元件附接到所述管状片而变化。

2.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，

所述多个射频元件安装位置沿着所述槽设置；

所述槽包括侧面；以及，

所述多个射频元件安装位置的每个射频元件安装位置包括在所述槽的侧面中的每一侧面上至少一个与所述管状片的连接。

3.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述环形天线包围空气芯。

4.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述横截面基本上是矩形的。

5.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述槽是直线段。

6.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述槽不是直线段。

7.根据权利要求5所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述槽包括多个连接的线段，其中，并非所述多个连接的线段种的所有线段均为共线的。

8.根据权利要求6所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述多个连接的线段包括

第一线段；以及，

第二线段，连接到所述第一线段并且基本上垂直于所述第一线段。

9.根据权利要求8所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，还包括连接到所述第二线段并且基本上垂直于所述第二线段的第三线段。

10.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，

所述环形天线包括在所述管状片的第一部分之间的寄生电容，所述管状片的第一部分与所述管状片的第二部分重叠，并且

所述寄生电容影响所述环形天线的谐振频率。

11.根据权利要求9所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，通过修剪所述远程表面不敏感的无源RFID标签的长度来调节所述寄生电容。

12.根据权利要求9所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，

所述管状片具有一个或多个导电桥，所述导电桥将所述环形天线连接到所述第一部分和所述第二部分中的一个或两个；以及，

通过断开所述一个或多个导电桥中的一个来调节所述寄生电容。

13.根据权利要求9所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，由导电材料制成的所述管状片还包括覆盖在柔性材料上的一导电油墨层。

14.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，还包括

无源部件，联接到所述环形天线，并且配置为影响所述环形天线的谐振频率；

其中，

所述管状片还包括用于所述无源部件的多个无源部件安装位置；

所述多个无源部件安装位置沿着所述槽设置；

所述槽包括侧面；

所述多个无源部件安装位置的每个无源部件安装位置包括在所述槽的侧面中的每一侧面上至少一个与所述管状片的连接；以及，

所述环形天线的谐振频率基于所述多个无源部件安装位置的哪个无源部件安装位置用于将所述无源部件连接到所述管状片而变化。

15.根据权利要求14所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述无源部件包括电容器。

16.根据权利要求14所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述无源部件包括电感器。

17.根据权利要求14所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述无源部件包括电阻器。

18.根据权利要求14所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述射频元件和所述无源部件附接到所述管状片的内表面。

19.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，还包括：

安装座，配置为将所述远程表面不敏感的无源RFID标签联接到金属。

20.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，还包括：

安装座，配置为将所述远程表面不敏感的无源RFID标签联接到肉体。

21.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，还包括印刷电路板，其中，所述管状片的至少一部分包括在所述印刷电路板上的导电层。

22.根据权利要求21所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，

所述管状片还包括位于所述印刷电路板顶侧上的顶部导电层和位于所述印刷电路板底侧上的底部导电层。

23.根据权利要求22所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，

所述多个射频元件安装位置的每个射频元件安装位置包括与所述顶部导电层的连接和与所述底部导电层的连接。

24.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述高度小于或等于0.25英寸。

25.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述高度小于或等于0.15英寸。

26.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述开环具有大于或等于0.1平方英寸的封闭区域。

27.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述开环具有大于或等于0.15平方英寸的封闭区域。

28.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述深度大于或等于0.4英寸。

29.根据权利要求1所述的远程表面不敏感的无源RFID标签，其中，所述深度大于或等于0.6英寸。

30.一种远程表面不敏感的无源RFID标签，包括：

所述环形天线配置为安装在物体表面上或靠近物体表面；

所述管状片具有沿所述中心轴的深度；以及，

所述管状片具有沿所述管状片表面延伸的槽，

其中，所述槽包括多个连接的线段，

其中，并非所述多个连接的线段中的所有线段均为共线的；

射频元件，联接到所述环形天线，并且配置为从所述环形天线接收信号；以及，

其中，

所述多个射频元件安装位置中的每个射频元件安装位置包括至少两个与所述管状片的连接；

所述环形天线对所述射频元件的阻抗基于所述多个射频元件安装位置中的哪个射频元件安装位置用于将射频元件附接到所述管状片而变化。

所述多个无源部件安装位置沿着所述槽设置；

所述槽包括侧面；

所述多个无源部件安装位置中的每个无源部件安装位置包括在所述槽的每一侧上至少一个与所述管状片的连接；

所述环形天线的谐振频率基于所述多个无源部件安装位置中的哪个无源部件安装位置用于将所述无源部件附接到所述管状片而变化；以及，

所述无源部件包括电容器、电感器和电阻器中的一个或多个。