CN112203872B - 轮胎的射频转发器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无源射频转发器，所述无源射频转发器包括辐射天线和电子部分，所述辐射天线由单股螺旋弹簧制成，所述单股螺旋弹簧具有旋转轴线、正中平面、节距以及给定丝线直径的直径，所述电子部分位于辐射天线的内部。电子部分包括电子芯片，所述电子芯片电连接至主天线，所述主天线与辐射天线电磁耦合。主天线具有轴线和正中平面，所述轴线平行于辐射天线的旋转轴线，所述正中平面与辐射天线的正中平面重叠。主天线外接在圆柱体中，所述圆柱体的直径小于辐射天线的内径的三分之一。射频转发器的特征在于，对于辐射天线的辐射天线不与电子部分对齐的第一区域，螺旋弹簧的至少一匝的节距与直径之间的比值大于0.8。

Description

轮胎的射频转发器

技术领域

本发明涉及电子无线电识别设备或射频转发器，其能够固定在待识别的物体(例如轮胎)上，所述待识别的物体特别在使用中经受较高的热机械应力。

背景技术

在RFID(RFID为射频识别的首字母缩写)设备领域中，无源射频转发器通常用于识别、追踪和管理物体。这些设备能够实现更可靠、更快速的自动化管理。

这些无源射频识别转发器通常由至少一个电子芯片和一个天线组成，所述天线由磁环或辐射天线形成，所述射频识别转发器固定在待识别的物体上。

对于传送至射频读取器或由射频读取器传送的给定信号，射频转发器的通信性能表现为射频转发器与射频读取器的最大通信距离。

在高度可伸展的产品(例如，轮胎)的情况下，需要在从产品制造到产品从市场中退出的整个生命周期中(特别在其使用过程中)对产品进行识别。因此，为了便于进行这项工作，特别在使用条件下，需要较高的通信性能，所述通信性能表现为在距产品较远的距离(几米)处通过射频读取器询问射频转发器的能力。最后，期望这种设备的制造成本尽可能地具有竞争力。

现有技术中已知能够满足轮胎需求的无源射频识别转发器，特别是文献WO 2016/193457A1。该转发器由电子芯片组成，所述电子芯片连接至印刷电路板，所述印刷电路板电连接至第一主天线。该主天线电磁耦合至形成辐射偶极天线的单股螺旋弹簧。与外部射频读取器的通信例如使用无线电波，特别是UHF(UHF为超高频的首字母缩写)频带。因此，针对所选择的通信频率调节螺旋弹簧的特性。因此，印刷电路板和辐射天线之间的机械接点的消失改善了射频转发器的机械抵抗力。

然而，这种射频转发器存在缺点。尽管该射频转发器适于在外部射频读取器的通信频率下操作，但是通过辐射天线的射频通信并不是最佳的，特别是远程询问。此外，还需要考虑辐射天线在受到高热机械应力的环境中的机械行为。因此，需要优化天线的机械强度及其无线电通信效率之间的相关性能折中，从而优化该射频转发器的潜在性能。

本发明涉及射频转发器，其目的在于改善特别在轮胎工业中使用的射频转发器的相关性能折中，特别是无线电性能。

发明内容

本发明涉及无源射频转发器，所述无源射频转发器旨在集成到由高度可伸展的材料(例如，弹性体组合物或共混物)制成的待识别的物体中。首先，该射频转发器包括辐射偶极天线。所述辐射偶极天线由单股螺旋弹簧组成，并且具有旋转轴线、卷绕直径、螺旋节距、正中平面和丝线直径，所述丝线直径限定辐射天线的内径和外径。该辐射天线的长度L0适于在频带中与射频传输读取器通信。该射频转发器还包括电子部分，所述电子部分位于辐射天线的内部。该电子部分包括电子芯片和主天线，所述主天线电连接至电子芯片，并电磁耦合至辐射天线。主天线首先具有基本平行于辐射天线的旋转轴线的轴线，其次具有基本上与辐射天线的正中平面重叠的正中平面。最后，主天线外接在圆柱体中，所述圆柱体的旋转轴线平行于主天线的轴线，并且其直径大于或等于与主天线对齐的辐射天线的内径的三分之一。该转发器的特征在于，在辐射天线的辐射天线不与电子部分对齐的第一区域中，螺旋弹簧的至少一个环形圈的螺旋节距和卷绕直径之间的比值大于0.8。

此处，术语“弹性体”理解为意指包括TPE(热塑性弹性体的首字母缩写)的所有弹性体，例如，二烯聚合物(即包括二烯单元的聚合物)、硅酮、聚氨酯和聚烯烃。

此处，术语“电磁耦合”理解为意指通过电磁辐射的耦合，即无接触的能量传递。两个系统之间的物理能量一方面包括电感耦合，另一方面包括电容耦合。然后主天线优选包含在包括如下的组群中：线圈、环形圈、丝线片段或这些导电元件的组合。

此处，术语“基本平行”理解为意指每个天线的轴向方向所产生的角度小于或等于30度。在这种情况下，两个天线之间的电磁耦合是最佳的，特别改善了射频转发器的通信性能。

此处，应首先定义螺旋弹簧的线圈的正中平面。根据定义，正中平面为将物体分为两个相等部分的虚构平面。在本申请中，该正中平面垂直于每个天线的轴线。最后，此处，术语“基本重叠”理解为意指正中平面之间的相对距离小于辐射天线的长度的十分之一。

因此，由于电流在辐射天线的中心处最大，因此由该电流诱发的磁场也在辐射天线的中心处最大，因此，其确保两个天线之间的电感耦合是最佳的，从而改善了射频转发器的通信性能。

通过相对于辐射天线的螺旋弹簧的特性限定主天线的相对尺寸，确保在主天线位于辐射天线的内部的情况下，两个天线之间的距离小于主天线的直径。因此，优化了两个天线之间的电磁耦合，从而在传输和接收中优化了射频转发器的通信性能。

同样地，在与电子部分对齐并因此与主天线对齐的辐射天线的区域之外，辐射天线的环形圈的螺旋节距与卷绕直径的比值大于0.8具有拉伸螺旋弹簧的效果。因此，形成辐射天线的标称跨度所需要的丝线的长度减少。因此，辐射天线的电阻降低。因此，对于给定的电场，在天线的固有频率下流经辐射天线的电流更大，这能够改善射频转发器的通信性能。此外，拉伸螺旋弹簧能够通过增加辐射电阻和损耗电阻之间的比值来改善辐射天线的效率，对于给定的流经辐射天线的电流，该拉伸还能够使辐射天线所辐射的电场最大化。最后，对于具有给定节距的辐射天线，拉伸辐射天线能够减小螺旋弹簧所占用的体积。因此，在尺寸受限的环境(例如，轮胎外胎的厚度)中，可以增加围绕该第一区域中的辐射天线的绝缘橡胶的厚度。该电绝缘使损耗最小化，因此改善了射频转发器在传输和接收中的通信性能。当然，理想的是拉长辐射天线的第一区域的每个环形圈，这相应地改善了无源射频转发器(特别是当其为RFID标签时)的通信性能。

优选地，辐射天线的第一区域中的螺旋弹簧的每个环形圈的螺旋节距和卷绕直径之间比值小于3，优选小于2。

尽管改善辐射天线的无线电性能是有利的，但是也不应忽视其必须执行的其它功能。特别地，螺旋弹簧为适于承受当射频转发器用于轮胎中时所必须经受的三维应力的柔性结构。因此，建议限制辐射天线在该第一区域中的拉伸量，以确保辐射天线总体上保持足够的柔性，从而确保射频转发器的物理完整性。

根据一个特别的实施方案，辐射天线的第一区域中的螺旋弹簧的最后两个环形圈(即相对于电子部分沿轴向位于最外部的两个环形圈)在至少一匝中邻接。

这防止了射频转发器的辐射天线在处理射频转发器的过程中缠绕。因此，简化了射频转发器的处理，从而优化了射频转发器的成本价格。将这种效应限制在相对于电子部分沿轴向位于最外部的环形圈中几乎不影响该辐射天线的无线电性能。

优选地，主天线连接至包括电子芯片的电路板的端子，主天线的电阻抗与射频转发器的电路板的电阻抗相匹配。

术语“电路板的电阻抗”理解为意指主天线的端子之间的电阻抗，其表示包括至少一个电子芯片和连接至电子芯片的印刷电路板的电路板的电阻抗。

通过使主天线的阻抗与电路板的阻抗相匹配，通过提高增益和实现具有更具选择性的形状因数和更窄的通频带的电路板，在通信频率下优化了射频转发器。因此，对于给定量的传输至射频转发器的能量，改善了射频转发器的通信性能。这特别导致射频转发器的读取距离的增加。通过调节主天线的至少一个几何特征(例如，丝线的直径，该丝线的材料和丝线的长度)来获得主天线的阻抗匹配。

因此，可以通过在主天线和电子电路之间加入由附加电子元件制成的阻抗匹配电路(例如，基于电感器的滤波器、电容器和传输线)来获得主天线的阻抗匹配。

还可以通过结合主天线的特征和阻抗匹配电路的特征来获得主天线的阻抗匹配。

根据一个特别的实施方案，电子芯片和主天线的至少一部分嵌入到刚性电绝缘块(例如，高温环氧树脂)中。该组件形成射频转发器的电子部分。

因此，包括主天线的至少一部分和连接至印刷电路板的电子芯片的电子部分被加强，使得相对于待识别的物体所经受的热机械应力，电子部分的组件之间的机械连接更加可靠。

这还使得能够独立于辐射天线或待识别的物体制造射频转发器的电子部分。特别地，例如，使用具有多匝的微型线圈作为主天线使得能够设想包括主天线和电子芯片的电子组件的小型化。

根据另一个实施方案，主天线的未嵌入刚性块中的部分涂覆有电绝缘材料。

因此，如果电子部分的主天线未完全包含在刚性电绝缘块中，有用的是通过由电绝缘材料制成的涂层(例如，用于电缆的绝缘护套的涂层)使其绝缘。

根据一个优选的实施方案，在辐射天线的辐射天线与电子部分对齐的第二区域中，螺旋弹簧的每个环形圈的螺旋节距和卷绕直径之间的比值小于或等于0.8。

特别地，在辐射天线的该第二区域中，更特别地在与主天线对齐的区域中，辐射天线所预期的效果为与电子部分的主天线发生电磁耦合，特别是电感耦合。因此，用于改善该耦合的第一杠杆是增加该第二区域中的辐射天线的电感，这相当于使螺旋弹簧收缩。此外，对于面对辐射天线放置的给定长度的主天线，使该第二区域中的辐射天线收缩通过增加辐射天线提供的交换面积还促进了主天线和辐射天线之间的能量传递。该能量传递的改善导致从射频转发器获得的更好的通信性能。

根据一个特别的实施方案，射频转发器的电子部分的几何形状内切在圆柱体中，所述圆柱体的直径小于或等于辐射天线的内径，并且其旋转轴线平行于辐射天线的旋转轴线。

在电子部分位于辐射天线内部的情况下，由此形成的电子部分能够相对于辐射天线最佳地预定位主天线，从而改善射频转发器的接收/传输的通信性能。具体地，机械地保证两个天线基本平行，并机械地保证分隔两个天线的距离从而实现高质量的电磁耦合。

根据一个特定的实施方案，与射频读取器的无线电通信发生在UHF频带中，更具体地在介于860MHz和960MHz之间的范围内。

特别地，在该频带中，辐射天线的长度与通信频率成反比。此外，在这些频带之外，无线电通信受到高度干扰或甚至不能通过标准弹性体材料。因此，这是射频转发器的尺寸和其无线电通信(特别是在远场)之间的最佳折中，使得能够获得轮胎工业满意的通信距离。

根据另一个特别的实施方案，辐射天线的长度L0介于30毫米和50毫米之间。

特别地，在860MHz和960MHz之间的频率范围内，取决于围绕射频转发器的弹性体共混物的相对介电常数，螺旋弹簧的总长度(根据射频转发器传输或接收的无线电波的半波长调整)介于30毫米和50毫米之间，优选介于35毫米和45毫米的区间内。为了优化辐射天线在这些波长处的操作，非常建议根据波长调节辐射天线的长度。

有利地，辐射天线的第一区域中的螺旋弹簧的卷绕直径介于0.6毫米和2.0毫米之间，优选介于0.6毫米和1.6毫米之间。

这能够限制辐射天线所占用的体积，从而能够增加围绕射频转发器的电绝缘弹性体共混物的厚度。当然，辐射天线的第一区域中的螺旋弹簧的该直径可以为恒定、变化、连续变化或分段变化的。从辐射天线的机械完整性的角度来看，直径优选为恒定或连续变化的。

根据一个优选的实施方案，辐射天线的第一区域中的辐射天线的至少一个环形圈的螺旋节距介于1毫米和4毫米之间，优选介于1.5毫米和2毫米之间。

这能够确保辐射天线的第一区域中的弹簧(或至少一个环形圈)的螺旋节距与卷绕直径的比值小于3，从而保证螺旋弹簧的最小伸长。此外，在辐射天线的整个第一区域中，该节距还可以为恒定或变化的。当然，为了避免辐射天线中的奇点形成辐射天线中的机械弱点，节距优选为连续变化的或改变较小的变化。

根据一个有利的实施方案，辐射天线的丝线的直径介于0.05毫米和0.25毫米之间，理想地介于0.12毫米和0.22毫米之间。

在该丝线范围内，损耗电阻确实较低，从而改善了辐射天线的无线电性能。此外，限制丝线的直径能够通过增加电绝缘弹性体共混物的厚度来增加辐射天线和电导体之间的距离。然而，丝线需要保持一定的机械强度，以便能够承受在高应力环境(例如，轮胎外胎)中经受的热机械应力，而无需优化这些丝线的材料(通常为低碳钢)的断裂应力。这使得能够确保辐射天线具有令人满意的技术/经济折中。

本发明的另一个主题为识别标签，所述识别标签由嵌入在弹性体共混物的柔性电绝缘块中的射频转发器组成。

此处，术语电绝缘理解为意指弹性体共混物的电导率至少小于所述共混物的导电电荷转移阈值。

因此，形成了便于在待识别的物体中安装射频转发器的识别标签，所述识别标签包括由基于弹性体的材料制成的部分。如果需要，可以使用常规橡胶粘合层，以确保将识别标签固定在待识别的物体(例如，轮胎)上。

此外，弹性体共混物的刚度和导电特性确保射频转发器在待识别的物体的组件内的高质量机械插入和电绝缘。因此，射频转发器的操作不受待识别的物体的干扰。

附图说明

通过阅读涉及充气轮胎的应用情况的以下描述，将更好的理解本发明。该应用仅作为示例并参考附图给出，在附图中，相同的附图标记表示相同的部分，其中：

·图1显示了现有技术的射频转发器的透视图，其构造为电子部分位于辐射天线的内部；

·图2显示了根据本发明的射频转发器的透视图；

·图3a和图3b为对于辐射天线的给定基本长度，辐射天线的丝线的长度随着螺旋弹簧的螺旋节距与卷绕直径之间的比值和是否使用恒定节距或恒定卷绕直径而变化的示意图；

·图4为根据本发明的具有某些特征的射频转发器的一个示例；

·图5为根据本发明的识别标签的分解图；

·图6显示了传输至两个射频转发器的电功率随着观测频带变化的曲线图；以及

·图7为制造包括根据本发明的射频转发器的识别标签的方法的概图。

具体实施方式

在下文中，术语“轮胎”和“充气轮胎”等同地用于表示任何类型的充气轮胎或非充气轮胎。

图1显示了现有技术的射频转发器1，其构造为电子部分20位于辐射天线10的内部。辐射天线10由钢丝12组成，所述钢丝12已发生塑性形变，从而形成具有旋转轴线11的螺旋弹簧。螺旋弹簧主要由经涂覆的丝线的卷绕直径和螺旋节距限定。此处，螺旋弹簧的这两个几何参数是恒定的。因此，在给定的丝线直径的情况下，可精确地测定螺旋弹簧的内径13和外径15。此处，弹簧的长度L0对应于弹性体共混物块中的转发器1的射频传输信号的一半波长。因此，可以限定螺旋弹簧的正中平面19，该平面垂直于旋转轴线11并将辐射天线10分成两个相等部分。电子部分20的几何形状外接在圆柱体中，所述圆柱体的直径小于或等于螺旋弹簧的内径13。因此，便于将电子部分20引入到辐射天线10中。主天线的正中平面21基本上与辐射天线10的正中平面19重叠。最后，主天线的轴线基本平行于辐射天线10的旋转轴线11。可以将辐射天线分为两个单独的区域。在辐射天线10的第一区域101中，螺旋弹簧不与电子部分20对齐。该辐射天线10的第一区域101包括基本相等的两个部分101a和101b，这些部分沿轴向位于辐射天线10的第二部分102的两侧。

图2显示了根据本发明的射频转发器1，相对于现有技术的射频转发器，所述射频转发器1的区别特征在于第一区域的辐射天线的至少一个环形圈的螺旋节距和卷绕直径的比值大于0.8。在本申请中，等同地改变每个区域101a和101b的所有环形圈的比值。这通过减少每个子区域101a和101b中的环形圈的总数来实现。在这种特别的情况下，辐射天线10的丝线的卷绕直径保持不变。然而，还可以通过增加该天线的第一区域101中的辐射天线10的钢丝的卷绕直径来改变第一区域101的每个环形圈的螺旋节距与卷绕直径的比值。在本申请中，辐射天线10的第二区域102中的辐射天线10的螺旋节距未发生改变。因此，辐射天线10的第二区域102中的螺旋节距与卷绕直径的比值小于0.8。

图3a和图3b为螺旋弹簧的一个环形圈的螺旋节距与卷绕直径的比值对辐射天线的无线电性质和电磁性质的重要性的示意图。

图3a为当环形圈的螺旋节距和形成环形圈的丝线的直径保持恒定时，环形圈的螺旋节距与卷绕直径的比值的变化的示意图。对于长度等于比值为1的一整个环形圈所占据的区域的辐射天线的基本长度，该环形圈的曲线距离等于2*PI*PI基本单位。用实线绘制的曲线500对应于该环形圈。具体地，该环形圈的半径必定等于PI基本单位。现考虑用点线绘制的曲线501，其对应于等于2的比值。由于螺旋节距是恒定的，因此该环形圈的卷绕直径必定是前一环形圈的卷绕直径的一半，即PI基本单位。因此，点曲线501所示的环形圈的曲线距离等于PI*PI基本单位。因此，螺旋节距和卷绕直径的比值大于第二环形圈的第一环形圈的曲线长度小于该第二环形圈的曲线长度。用虚线绘制的曲线502和用点划线绘制的曲线503分别示出了0.8和0.5的比值。这两个环形圈的曲线长度分别等于2.5*PI*PI基本单位和4*PI*PI基本单位。

图3b显示了当环形圈的直径和形成环形圈的丝线的直径保持恒定时，环形圈的螺旋节距与卷绕直径的比值的变化的示意图。对于长度等于比值为1的一整个环形圈所占据的区域的辐射天线的基本长度，该环形圈的曲线距离等于2*PI*PI基本单位。用实线绘制的曲线505对应于该环形圈。具体地，该环形圈的半径必定等于PI基本单位。现考虑曲线506，其对应于等于2的比值。由于卷绕直径是恒定的，因此该环形圈的螺旋节距必定是前一环形圈的螺旋节距的两倍，即4*PI基本单位。然而，如果将基本长度限制为2*PI基本单位，则点线所示的该环形圈的曲线距离等于PI*PI基本单位。以同样的方式，对应于0.5和0.2的比值的曲线507和508分别表示两倍和五倍的环形圈数。用虚线绘制的曲线507的曲线距离等于4*PI*PI基本单位。此外，用点划线绘制的曲线508的曲线距离等于10*PI*PI基本单位。

当然，可以同时改变这两个参数，而不是单独改变每个环形圈的螺旋节距或卷绕直径。只有通过这两种改变获得的比值才会对辐射天线的通信性能产生影响。

具体地，导电丝线的电阻与丝线的曲线长度成比例。环形圈的螺旋节距与卷绕直径的比值越大，丝线的曲线长度越小。因此，环形圈的电阻越低。总之，通过使该电阻最小化改善了辐射天线的环形圈的无线电性质。通过使辐射天线的第一区域中的辐射天线的电阻最小化，改善了天线在传输和接收中的辐射效率，所述天线主要由该第一区域组成。此外，使天线的电阻最小化确保了在给定的电位差下产生最大电流。因此，改善了射频转发器的无线电性能和通信性能。

对于辐射天线的第二区域，该第二区域的辐射效率(小于第一区域)并不重要。具体地，该第二区域的主要功能是确保与电子部分的主天线的电磁耦合。如果主天线是具有多匝的线圈，则该电磁耦合主要源于电感耦合。为了发生这种耦合，辐射天线必须首先产生磁场。该磁场特别取决于辐射天线的电感。为了使线圈的电感最大化，建议减小线圈的螺旋节距与卷绕直径的比值或增加线圈的环形圈数。通过减小辐射天线的第二区域的环形圈的螺旋节距与卷绕直径的比值，由于天线的电感增加使得电感耦合最大化。此外，如果仅通过改变天线的螺旋节距来减小该比值，则构成天线的第二区域的匝的数量增加，这增加了两个天线之间的能量传递面积。这种能量传递面积的增加自然有利于射频转发器的通信性能。

图4示出了在860MHz和960MHz之间的频率范围内操作的射频转发器1，该转发器旨在通过由弹性体材料制成的识别标签结合到轮胎外胎中。为了增强射频转发器1在轮胎外胎内的无线电通信性能和物理完整性，优选将辐射天线10的旋转轴线平行于轴线U(即，垂直于子午线轮胎的外胎的胎体帘布层的帘线的方向，特别地如果帘线由金属制成)放置。

此处，射频转发器1包括辐射天线10和位于辐射天线10内部的电子部分。电子部分包括连接至印刷电路板的电子芯片。主天线由导电丝线组成，所述导电丝线包括连接至印刷电路板的十七个矩形匝。印刷电路板的与主天线对立的表面包括曲折形状的电流电路，所述电流电路形成长度为10毫米，宽度为1毫米的线。最后，外接主天线的圆柱体的直径为0.8毫米。

由此形成的电路板嵌入到环氧树脂的块30中，以确保电子组件的机械可靠性和电路板的电绝缘。外接刚性块30的圆柱体的直径为1.15毫米，长度为6毫米。

此处，辐射天线10的长度L0为45毫米，并对应于915MHz频率的无线电波在相对介电常数约等于5的介质中的一半波长。使用直径为0.225毫米的钢丝12生产辐射天线10，所述钢丝12的表面涂覆有黄铜层。

辐射天线10可以分为两个主要区域。第一区域101对应于不与电子部分对齐的辐射天线的部分。其包括两个子区域101a和101b，所述子区域101a和101b位于刚性绝缘块30的两侧。

每个子区域101a，101b的长度L1为19毫米，并且包括12个恒定卷绕直径D1为1.275毫米的圆形匝。其分别限定了1.05毫米的内径和1.5毫米的外径。圆形匝的螺旋节距P1为1.55毫米。因此，匝的螺旋节距P1与卷绕直径D1的比值为1.21。每个子区域101a和101b的轴向外端部终结于2个邻接的匝。因此，较高的比值确保在该区域101中使辐射天线10的无线电性质的效率最大化。此外，位于辐射天线10最外部的匝之间的接触防止螺旋弹簧在处理射频转发器的过程中彼此交错。由于辐射天线10的第一区域101的大部分匝的比值大于0.8，因此显著改善了射频转发器1的无线电性能。

在辐射天线10的第二区域102中，所述第二区域102对应于与电子部分对齐的辐射天线10的部分，辐射天线的长度为7毫米。螺旋弹簧的恒定螺旋节距P2为1毫米，恒定卷绕直径D2为1.575毫米。因此，辐射天线的第二区域的螺旋弹簧的内径为1.35毫米。这能够获得约0.63的螺旋节距与卷绕直径的恒定比值。相对于第一区域101，该比值使得辐射天线10的第二区域102的电感最大化，这能够改善与电子部分电磁耦合的效率。

在该特定情况下，在第一区域101中，辐射天线10的内径(等于1.05毫米)小于由外接电子部分的圆柱体表示的块30的直径(等于1.15毫米)。因此，辐射天线10的第一区域101的子区域101a和101b形成限制块30在辐射天线10内部轴向运动的机械止动件。通过将刚性绝缘块30滑入辐射天线10中来安装电子部分。

此外，外接主天线的圆柱体的直径远大于辐射天线的第二区域102的螺旋弹簧的内径的三分之一。尽管外接主天线的圆柱体不与辐射天线10的旋转轴线U同轴，但是所述圆柱体基本上与其平行。此外，辐射天线10的第二区域102和主天线之间的最小距离小于0.3毫米，即远小于辐射天线10的内径的四分之一。通过辐射天线10的第二区域102的经压缩的节距P2实现天线的这种接近度，并且对于弹簧的尺寸(特别是卷绕直径D2)，其能够获得较低的公差。此外，这种接近度确保了两个天线之间的更高质量的电磁耦合。当然，通过在主天线和辐射天线中使用相同形状的匝(例如，圆形匝)可以改善该电磁耦合。还可以通过使两个天线的轴线同轴来优化该耦合，这相当于将电路板放置在主天线的内部使得电子部分的轴向尺寸最小化。因此，两个天线之间的电磁能量的传输面积的质量将是最佳的。

可以使用其它的特定实施方案，特别是在辐射天线的第一区域和第二区域之间螺旋弹簧的卷绕直径变化并且辐射天线的第一区域的内径小于外接电子部分的圆柱体的直径的情况下。

第一实施方案包括协同地进行生产辐射天线的步骤和组装该天线与第一阶段中生产的电子部分的步骤，以便于将该电子部分插入到辐射天线中。

因此，首先使用弹簧卷绕机生产辐射天线的主要部分，所述弹簧卷绕机释放外径为150微米的钢丝，所述钢丝通过施加的运动而发生塑性形变。当然，所述机器可以是自动化的，以便在制造过程中改变施加的形变，从而改变螺旋弹簧的每个环形圈的卷绕直径和螺旋节距。该辐射天线的主要部分必须包括辐射天线的第一区域的第一子区域和辐射天线的几乎所有第二区域，所述第二区域具有较大的卷绕直径。此外，任选地，该第二区域的环形圈的螺旋节距与螺旋弹簧的第一区域的环形圈的螺旋节距不同。

在该第一步骤之后，停止螺旋弹簧的制造，以便将在第一阶段中生产的电子部分安装到所生产的辐射天线的第一部分的内部。在弹簧卷绕机自身中进行该操作。

首先，需要通过释放螺旋弹簧的一个端部以使所形成的螺旋弹簧中的应力松弛。其作用为降低螺旋弹簧中的预应力，从而导致所生产的弹簧的卷绕直径增大。然后，使用喷枪在经松弛的螺旋弹簧的该主要部分中安装电子部分，所述喷枪代替使钢丝形变的指状物。通过主轴的旋转实现工具的更换，所述主轴的角端一方面为喷枪，另一方面为使钢丝形变的指状物。

安装例如包括使电子部分的一个轴向端部抵靠辐射天线的主要部分的一个环形圈，同时确保辐射天线的第一部分的旋转轴线和电子部分的旋转轴线之间的平行度或甚至同轴度。此外，电子部分在辐射天线的第一部分内的轴向设置必须使电子部分的主天线的正中平面相对于最终的辐射天线基本居中。

使用提供机械推进的喷枪进行安装。然而，可以设想任何其它类型的推进：磁推进、气动推进、液压推进或其组合。然后，使形变指状物返回原位置，并使用辐射天线的第二区域(已生产的区域)使电子部分保持原位。

最后，第三步骤包括在电子部分的存在下，从第一步骤结束时停止的位置重新开始螺旋弹簧的形成。在从夹紧定位装置中释放电子部分并将其从生产螺旋弹簧的区域中移除之后，生产辐射天线的第一部分的第二子区域。当螺旋弹簧的长度达到期望长度L0时，切断钢丝。

当辐射天线的第一区域和第二区域之间弹簧的卷绕直径变化时，射频转发器的第二实施方案包括首先生产包括放置电子部分的第二区域的单股螺旋弹簧的形式的辐射天线。该第二区域具有卷绕直径D2和螺旋节距P2。螺旋弹簧还包括辐射天线的第一区域的两个片段，其位于第二区域的每个端部处。该第一区域由具有卷绕直径D1和螺旋节距P1的螺旋限定。在标准卷绕机上以优化持续时间的制造周期常规地制造这种类型的螺旋弹簧。

接下来是组装在第一阶段中生产的电子部分和在前一步骤中形成的辐射天线的步骤。

首先，需要在前一步骤中生产的螺旋弹簧上定位过渡区域，所述过渡区域通常包括辐射天线的第二区域和第一区域的一个片段之间的一匝。

从丝线卷绕直径的变化可以察觉出第一区域至第二区域的过渡，这种变化可能伴随着螺旋节距的变化。为了定位该过渡区域，建议使用例如能够聚焦于螺旋弹簧的几匝的摄像机。理想地，呈现出螺旋弹簧的一个端部，并使螺旋弹簧在摄像机的视场之前沿其旋转轴线U移动。图像处理软件包或人眼可以观察到，弹簧的卷绕直径为外接具有旋转轴线U的螺旋弹簧的圆柱体的直径。因此观察到，与卷绕直径恒定的两个区域之间的过渡区域对应的圆柱体直径的变化。

然后，定位过渡区域的最后一匝，其与卷绕直径为D2的螺旋弹簧的第二区域接触。为此，以连续的往返运动使螺旋弹簧再次在摄像机的视场前沿着旋转轴线U移动。

相对于在安装螺旋弹簧的机器中限定的弹簧的直线弯曲线，建议将过渡区域的最后一匝的径向外端部设置在直线弯曲线上。为此，还建议在沿着弹簧的旋转轴线U的方向中移动螺旋弹簧。可能需要横向地移动弹簧，以确保弯曲区域与外接过渡区域的螺旋弹簧的圆柱体相切。最后，需要使弹簧围绕其旋转轴线U转动至最后一匝的一个端部在直线弯曲线上的位置。然后在旋转和移动方面锁定螺旋弹簧的位置。

开始机器循环，这导致螺旋弹簧的第一区域的片段相对于螺旋弹簧的剩余部分围绕直线弯曲线弯曲，所述直线弯曲线垂直于旋转轴线U。这种弯曲(在本申请中，通常以90°角度弯曲，其中外接电子部分的圆柱体的直径接近于辐射天线的第二区域的内径)使得在螺旋弹簧的第二区域的端部中产生开口。该开口的内切直径大于或等于外接电子部分的圆柱体的直径，从而使电子部分易于插入。

通过孔口将电子部分插入到辐射天线的第二部分中。沿外接电子部分的圆柱体的主轴线的电子部分的轴向端部距特定平面的距离必须小于螺旋弹簧的第二区域的螺旋节距。该平面(其法线为螺旋弹簧在机器中锁定的部分的旋转轴线)穿过弯曲点；因此，在电子部分插入至辐射天线的第二区域之后，所述电子部分不会阻碍辐射天线的第一区域的片段的弯曲。理想地，电子部分完全在特定平面的下方。

螺旋弹簧在弯曲点处围绕轴线以与第一角度相反的第二角度再次弯曲，所述轴线垂直于螺旋弹簧在机器中锁定的部分的旋转轴线。对于由直径为0.225mm的低碳钢制成的丝线，此处该角度的大小为约105度。该大小至少等于或大于第一角度的大小。螺旋弹簧的锁定部分的旋转轴线与螺旋弹簧的自由部分的旋转轴线共线。在这种情况下，第一区域的片段的第一次弯曲造成弯曲点处的钢的塑性局部增加。为了确保最终的弹簧具有直线形状的旋转轴线，建议在第二次弯曲的过程中增加弯曲点附近的区域的塑性，因为这会导致第二弯曲角度的增加。

由此形成的装配有完全在其内部的电子部分的辐射天线代表了根据本发明的射频转发器。任选地，将电子部分插入到螺旋弹簧的第二区域中，以使电子部分的第二轴向端部抵靠在螺旋弹簧的第一区域和第二区域之间的第二过渡区域的匝上。这种抵靠不仅确保电子部分沿轴向设置在螺旋弹簧内，而且确保电子部分的主天线与螺旋弹簧的同轴度。

图5显示了包括根据本发明的射频转发器1的识别标签2，所述射频转发器1嵌入到由电绝缘弹性体材料制成的柔性块3中，该块由块状部3a和3b表示。射频转发器1通常放置在标签2的中间，以使辐射天线10的第一区域101和识别标签2的外表面之间的最小距离最大化。

在通过减小钢丝的卷绕直径来增加辐射天线10的第一区域101的环形圈的螺旋节距和卷绕直径之间的比值的情况下，射频转发器1在弹性体材料的块3中占用的体积减小。

在第一应用中，这能够减小识别标签2的每个块状部3a和3b的厚度，同时使识别标签2的外表面和辐射天线10的第一区域101之间保持相同的距离。该识别标签2的厚度减小有助于将其引入到待识别的物体中，同时保留相同的电绝缘电位。在第二应用中，这能够增加辐射天线10的第一区域101和识别标签2的外表面之间的距离。该第二应用能够改善无线电性能，并因此改善放置在识别标签2中的射频转发器1的通信性能。具体地，标签2的电绝缘与辐射天线10的第一区域101和标签2的外表面之间的距离成比例。通过识别标签2更好的电绝缘，改善了射频转发器1的无线电操作，或如果该距离达到其功效渐近线，则使射频转发器1的无线电操作保持不变。

图6为通过各自位于商标为XINCITY且尺寸为275/70R22.5的米其林轮胎内部的无源射频转发器传输到外部射频读取器的电功率的曲线图。射频转发器的通信频率集中在915MHz。所使用的测量协议对应于标题为“Identification Electromagnetic FieldThreshold and Frequency Peaks”的标准ISO/IEC 18046-3的测量协议。在宽范围的扫描频率内进行测量，而不是像传统情况那样在单一频率下进行测量。x轴表示通信信号的频率。y轴表示相对于当前现有技术的射频转发器传输的最大电功率，以分贝表示的射频读取器接收的电功率。虚曲线1000显示了根据所引文献的射频转发器的响应。实曲线2000显示了根据本发明的转发器对射频读取器传输的相同信号的响应。在射频读取器的通信频率下，注意到得益于根据本发明的射频转发器的约两分贝的改进。在通信频率附近的宽频带中，最小改进保持约至少一分贝。

图7为制造根据本发明的识别标签2的方法的概图。为了获得识别标签2，必须首先制造根据本发明的射频转发器1。标明了制造射频转发器1的各个连续步骤，然后是制造识别标签2的各个连续步骤。通过轮胎制造商进行的与组装相关的步骤(例如，应用至充气轮胎)可清楚地描绘与电信技术或电子技术相关的步骤。

参考图7，其显示了制造识别标签2的概图，可以看到，制造方法包括三个独立且连续的阶段。

在对应于电信技术的第一阶段中，形成辐射天线10，所述辐射天线10确保向/从外部射频读取器传输/接收无线电波。

在一个特定的实施方案中，第一步骤包括使外径为200微米的钢丝12(尽管也可以使用50、100、150或250微米的丝线直径)发生塑性形变，从而使用适当的工业装置(例如，卷簧机)形成螺旋弹簧。在本申请中，可以改变弹簧的每个环形圈之间的螺旋弹簧的螺旋节距，所述节距可以小于4毫米。同样地，对于螺旋弹簧的每个环形圈，可以将螺旋弹簧的卷绕直径改变成0.6毫米和2毫米之间。因此，获得的弹簧的可变卷绕直径相对于最终辐射天线的期望长度较小，所述长度介于30毫米和50毫米之间，例如为40毫米。在该塑性形变步骤之后可以施加热处理(在200℃以上热处理至少30分钟)，从而释放由此形成的螺旋弹簧中的任何预应力。

第二步骤包括通过激光切割将螺旋弹簧切割至期望长度，该长度对应于在无线电通信信号的频率下的一半波长，考虑到这些波在弹性体介质中的传播速度，即约40mm。由此获得的机械部分为根据本发明的辐射天线10。

根据一个特定的实施方案，产生的第一环形圈邻接相邻的环形圈，并且辐射天线的最后两个环形圈也是如此。为此，建议预先知晓辐射天线的期望长度，以便能够在螺旋弹簧的正确长度处产生这两个终端环形圈，使得在释放预应力之后，最终辐射天线具有正确的期望长度。

在第二阶段中，生产射频转发器的电子部分，所述电子部分将询问电子芯片并将响应发送至辐射天线。使用主天线通过电磁耦合实现辐射天线和电子部分之间的信息传输。

封装在刚性块中的该电子设备一方面包括电子芯片，另一方面包括主天线。

在该电子设备的一个优选的实施方案中，使用引线框架法形成主天线和电子芯片的机电载体，所述引线框架形成印刷电路板的等同物。该方法特别适合这种构造，因为其非常适合小型化。

第一步骤包括形成电路板。为此，首先使用导电粘合剂(例如，来自Tedella的粘合剂H20E)将电子芯片紧固在引线框架上。然后，通过引线接合连接芯片，即例如使用直径为20微米的金丝在电子芯片和引线框架所代表的印刷电路板之间产生电桥。然后可以使用合适的电气设备(例如，阻抗计)在主天线紧固至引线框架的点处测量电路板的电阻抗。

第二步骤包括生产主天线。在一个实施方案中，该天线由具有通过引线结合技术直接在引线框架上构造的圆形匝的线圈形成。在另一个变体中，通过使用两根铜丝片段产生天线来形成主天线，所述铜丝片段通过在电子工业中使用的金属焊接技术连接至电路板，然后在不同的方向中定向以形成偶极天线。为了在引线框架上构造具有多匝的线圈，使用直径为20微米的金丝(尽管也可以使用涂覆铝或涂覆钯的铜丝)以在引线框架的背面生产线圈的半匝。半匝的直径为400微米，并且使用通常在半导体工业中使用的超声波技术来电连接金丝和引线框架。然后，在引线框架的正面生产另一个半匝，以获得具有直径为400微米的15匝的圆柱形线圈。

限定主天线的匝数，使得主天线的电阻抗与电路板的电阻抗相匹配，所述电路板至少包括引线框架所代表的印刷电路板和电子芯片。在本申请中，电子芯片本身的电阻抗为复数，其例如为(10-j*150)欧姆的值。因此，具有直径为400微米的15匝的线圈对应于与由铜引线框架构造的电路板的电阻抗的良好匹配。

生产电子部分的最后一个步骤包括使用高温环氧树脂将印刷电路板及其连接的组件和主天线封装在刚性块中。为此，使用本领域技术人员公知的圆顶封装技术。刚性块形成保护射频转发器的电路板的胶囊。

在电子设备的另一个实施方案中，首先开始使用涂覆有电绝缘热塑性护套的180微米的铜丝来生产主天线24。该铜丝围绕刚性电绝缘管状内芯卷绕，以生产具有约10匝的线圈，所述线圈的外径为1毫米，螺旋节距为0.2毫米，并终止于两个未涂覆的端部。然后可以使用铜丝的直径、天线的外径、螺旋节距以及总匝数来评估主天线的实际外围面积s。在这种情况下，螺旋表面的半径为500微米。

使用柔性载体生产电路板。在第一变体中，使用ACP(ACP为各向异性导电胶的首字母缩写)类型的导电粘合剂紧固电子芯片，而不需要芯片和电路板之间的电气布线。在第二变体中，使用安装电子组件的非导电粘合剂紧固电子芯片。通过引线接合实现芯片与电路板的连接，即使用例如直径为20微米的金丝在电子芯片和印刷电路板所代表的柔性载体之间产生电桥。

然后，使用导电粘合剂(例如，Tedella品牌的粘合剂H20E)将主天线24的两个未涂覆的端部连接至印刷电路板26。

最后，使用本领域技术人员公知的圆顶封装技术用刚性电绝缘材料(例如，高温环氧树脂)覆盖电路板和主天线的未涂覆的端部。

生产射频转发器的第三阶段包括组装在第二步骤中生产的电子部分和在第一步骤中生产的辐射天线。

首先，使用适合的尖嘴镊子夹起电子部分，所述电子部分内切在圆柱体中，所述圆柱体的直径小于或等于在第一步骤中生产的辐射天线10的内径(即约1毫米)。

将电子部分嵌入至辐射天线的内部，使得主天线的对称轴线以辐射天线的旋转轴线的方向定向。然后移动电子部分使其深入到辐射天线中，直到主天线的正中平面与辐射天线的正中平面重合。然后，使尖嘴镊子松开电子部分，从辐射天线的内部小心地取出镊子。

由此实现自动居中，即辐射天线和主天线的轴线平行并且正中平面相对定位，这有利于在两个天线之间获得高质量电感耦合。

由此形成的组件为根据本发明的射频转发器。

在生产射频转发器之后，最后步骤是获得识别标签，以便于在部分由弹性体共混物组成的待识别的物体中使用射频转发器。

将前一步骤中形成的射频转发器放置在柔性块的中间。如图5的示例所示，射频转发器1夹在两个块状部3a和3b之间，所述块状部3a和3b由胎坯弹性体材料制成，所述块状部3a和3b的尺寸取决于射频转发器1的尺寸且厚度例如介于2毫米和5毫米之间。块状部的纵向方向对应于辐射天线10的轴线。将组件预先放置在具有冲压工具的金属模具的内表面上，冲压工具的尺寸适合于弹性体块的体积。

使用与模具互补的金属冲头，通过冲压工具(例如，气动单轴压缩机)向组件施加压缩力，从而形成对应于根据本发明的射频转发器的识别标签的紧实几何形状，所述紧实几何形状具有对称轴线，长度例如为60毫米，外接的圆柱体的直径为约20毫米。

可以使用其它方法(例如挤出法或注塑成型法)将射频转发器1结合到一种或多种弹性体共混物的块中。

在一个特别的实施方案中，使用本领域技术人员公知的粘合促进剂来促进封装射频转发器的电子部分的由高温环氧树脂制成的刚性块和识别标签的弹性体共混物之间的粘合。这可以改善射频转发器在使用时的耐久性。

最后，根据至少两个实施方案，根据本发明的射频转发器可以在待识别的物体(例如，充气轮胎)中工业化地实施。在第一优选的实施方案中，在生产充气轮胎的过程中足以将胎坯弹性体共混物中的射频转发器或识别标签结合到未完成的轮胎中。转发器或识别标签放置在未完成的胎坯充气轮胎的各个弹性体组件之间。理想地，其放置在经受可接受等级的形变的空间区域中，使得辐射天线10不发生塑性形变。未完成的轮胎经历轮胎的各个制造阶段，包括硫化各种弹性体共混物并使转发器或识别标签成为由此生产的充气轮胎的组成部分的烘胎。然后射频转发器即可使用。

另一个优选的实施方案包括在制造识别标签之后的步骤中通过交联或硫化设置识别标签的弹性体结构。使用本领域技术人员公知的常规弹性体/弹性体粘合技术将该操作之后获得的器件紧固至充气轮胎的容纳区域中，例如通过将粘合橡胶层冷交联至充气轮胎的内部橡胶来实现粘合。然后轮胎的射频转发器即可使用。

Claims (15)

1.无源射频转发器(1)，所述无源射频转发器(1)旨在集成到由弹性体共混物制成的块中，所述无源射频转发器(1)包括：

-辐射偶极天线(10)，所述辐射偶极天线(10)由单股螺旋弹簧组成，所述单股螺旋弹簧具有旋转轴线(11)、卷绕直径(D1，D2)、螺旋节距(P1，P2)、正中平面(19)以及丝线直径，所述丝线直径限定辐射偶极天线(10)的内径(13)和外径(15)，所述辐射偶极天线(10)的长度(L0)适于在频带内与射频传输读取器通信，和

-电子部分(20)，所述电子部分(20)位于辐射偶极天线(10)的内部，并且包括：

i.电子芯片；

ii.主天线，所述主天线电连接至电子芯片，并电磁耦合至辐射偶极天线(10)；

iii.所述主天线的轴线基本平行于辐射偶极天线(10)的旋转轴线(11)；

iv.所述主天线的正中平面(21)基本上与辐射偶极天线(10)的正中平面(19)重叠；以及

v.所述主天线外接在圆柱体中，所述圆柱体的旋转轴线平行于主天线的轴线，并且其直径大于或等于与主天线对齐的辐射偶极天线(10)的内径的三分之一，

其特征在于，在辐射偶极天线(10)的辐射偶极天线(10)不与电子部分(20)对齐的第一区域(101，101a，101b)中，螺旋弹簧的至少一个环形圈的螺旋节距(P1)和卷绕直径(D1)之间的比值大于0.8。

2.根据权利要求1所述的无源射频转发器(1)，其中，辐射偶极天线(10)的第一区域(101，101a，101b)中的螺旋弹簧的每个环形圈的螺旋节距(P1)和卷绕直径(D1)之间比值均小于3。

3.根据前述权利要求中任一项所述的无源射频转发器(1)，其中，辐射偶极天线(10)的第一区域(101，101a，101b)的最后两个环形圈，即相对于电子部分(20)沿轴向位于最外部的两个环形圈在至少一匝中邻接。

4.根据权利要求1所述的无源射频转发器(1)，其中，主天线连接至包括电子芯片的电路板的端子，所述主天线的电阻抗与电路板的电阻抗相匹配。

5.根据权利要求1所述的无源射频转发器(1)，其中，主天线的至少一部分和电子芯片嵌入在刚性电绝缘块(30)中。

6.根据权利要求1所述的无源射频转发器(1)，其中，主天线的未嵌入刚性块中的至少一部分涂覆有电绝缘材料。

7.根据权利要求1所述的无源射频转发器(1)，其中，在辐射偶极天线(10)的辐射偶极天线(10)与电子部分(20)对齐的第二区域(102)中，螺旋弹簧的每个环形圈的螺旋节距(P2)和卷绕直径(D2)之间的比值小于或等于0.8。

8.根据权利要求1所述的无源射频转发器(1)，其中，射频转发器的电子部分的几何形状内切在圆柱体中，所述圆柱体的直径小于或等于辐射偶极天线(10)的内径(13)，并且其旋转轴线平行于辐射偶极天线(10)的旋转轴线(11)。

9.根据权利要求1所述的无源射频转发器(1)，其中，与射频传输读取器的射频通信发生在UHF频带中。

10.根据权利要求9所述的无源射频转发器(1)，其中，与射频传输读取器的射频通信发生在860MHz和960MHz之间的频带中。

11.根据权利要求10所述的无源射频转发器(1)，其中，辐射偶极天线(10)的长度(L0)介于30毫米和50毫米之间。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的无源射频转发器(1)，其中，辐射偶极天线(10)的第一区域(101，101a，101b)中的辐射偶极天线(10)的卷绕直径(D1)介于0.6毫米和2.0毫米之间。

13.根据权利要求9至11中任一项所述的无源射频转发器(1)，其中，辐射偶极天线(10)的第一区域(101，101a，101b)中的辐射偶极天线(10)的至少一个环形圈的螺旋节距(P1)介于1毫米和4毫米之间。

14.根据权利要求9至11中任一项所述的无源射频转发器(1)，其中，辐射偶极天线(10)的丝线(12)的直径介于0.05毫米和0.25毫米之间。

15.识别标签(2)，所述识别标签(2)包括根据前述权利要求中任一项所述的无源射频转发器(1)，其中，所述无源射频转发器(1)嵌入在至少一个柔性电绝缘弹性体共混物(3)中。

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