CN116830463A - 射频识别标签组件和附着射频识别标签组件的可识别物体 - Google Patents
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Abstract
提供一种射频识别标签组件和附着射频识别标签组件的可识别物体。射频识别标签组件包括：金属板，具有上表面和下表面；辐射元件，所述辐射元件包括标签壳体，所述标签壳体沿着所述金属板的上表面的一侧边布置，所述标签壳体内包括IC芯片、天线以及将所述IC芯片与所述天线电连接的电路板，其中，所述天线由金属制成，所述天线具有与所述金属板的上表面平行的第一段和第二段，所述第一段与所述金属板的上表面之间具有第一间距，并且所述第一段与所述第二段之间具有第二间距，所述金属板的上表面与所述天线所在的平面成角度。
Description
本发明涉及射频识别领域，更具体地涉及一种用于射频识别的标签组件以及附着有射频识别(RFID)标签组件的可识别物体。
近年来，在各种技术领域中，为了室内外资产和设备的移动、安装、管理、维护等，广泛地使用具有各种形式和特殊封装的专用RFID标签。根据应用环境和RFID标签附着条件，分为各种RFID标签的大小、附着方式、特殊材质选择、所需识别性能等而使用。特别地，UHF频段的RFID标签具有利用反向散射方式的特性，不仅是周围电波环境的反射、衰减、吸收、绕射，而且附着对象的材质和位置以及识别(tagging)条件都会大大地影响标签的性能。
通常由于分为圆极化和线极化的极化不一致问题以及读取器天线和标签安装高度的高度差导致的识别率急剧下降是决定RFID系统的完成度的主要因素。通常的RFID标签的最大辐射增益和可读取识别距离形成为在与所附着的物体表面成直角/垂直的方向上。由于RFID应用环境的特性，当标签附着的位置和读取器天线的高度不一致或者以从标签附着位置左右偏移的方向识别标签时，由于雷达截面(Radar cross section，RCS)横截面积减小，导致标签识别距离急剧减小。在实际多层货架物品和资产管理、标签附着高度相对较高的外部设施资产管理以及自动化仓库中的物品识别环境中，这种标签识别距离减小的问题被认为是降低RFID系统的可靠性并且影响集成系统的稳定性的危险因素。因此随着在各个产业领域中利用RFID技术的应用范围扩大，需要防止标签性能随着标签附着位置高度不同而下降并且能够考虑现场的作业过程的专业化RFID标签技术。
发明内容
本发明就旨在克服现有技术中的上述和/或其它问题。通过本发明所提供的射频识别标签组件，即使在与RFID标签天线的位置相比较高或较低或左/右偏斜的位置处由用户的RFID读取器识别时，也可以通过改变相同标签的附着方向而容易地识别，从而有利于解决标签性能随着标签设置位置的高度不同而出现偏差或者标签性能较低的问题。
根据本发明的第一方面，提供一种射频识别标签组件，其中所述射频识别标签组件包括：金属板，具有上表面和下表面；辐射元件，所述辐射元件包括标签壳体，所述标签壳体沿着所述金属板的上表面的一侧边布置，所述标签壳体内包括IC芯片、天线以及将所述IC芯片与所述天线电连接的电路板，其中，所述天线由金属制成，所述天线具有与所述金属板的上表面平行的第一段和第二段，所述第一段与所述金属板的上表面之间具有第一间距，并且所述第一段与所述第二段之间具有第二间距，所述金属板的上表面与所述天线所在的平面成角度。
较佳地，所述IC芯片工作在UHF频段。
较佳地，所述天线的所述第一段的一端经由导体连接至所述第二段的一端。
较佳地，所述导体是所述天线的所述第一段和所述第二段之间的弯折部，所述第一段、所述第二段和所述弯折部一体地构成所述天线。
较佳地，所述导体是布置在所述壳体内的与所述天线分开的导线。
较佳地，所述天线所在的平面与所述金属板的上表面垂直。
较佳地，所述金属板是作为所述射频识别标签组件的接地板。
较佳地，通过将所述金属板的下表面附着到待识别的对象来设置所述射频识别标签组件。
较佳地，所述壳体内部具有安装槽以嵌入所述天线和所述电路板。
较佳地，所述安装槽包括：多个凹槽，用于嵌入天线，其中所述多个凹槽包括多个水平槽和多个竖直槽，所述多个水平槽包括第一水平槽和第二水平槽，所述第一水平槽被构造为嵌入所述天线的所述第一段，所述第二水平槽被构造为嵌入所述天线的所述第二段，并且所述竖直槽被构造为 嵌入所述导体；以及多个容纳空间，所述多个容纳空间中的每一个用于容纳所述电路板。
较佳地，所述多个水平槽中的每一个与所述多个容纳空间中的至少一个相交，所述多个水平槽和所述金属板的上表面平行，所述多个水平槽与所述金属板的上表面相距距离不等，并且所述多个容纳空间与所述竖直槽相距的多个距离。
较佳地，所述天线的所述第一段延伸至所述多个水平槽中的第三水平槽，和/或所述天线的所述第二段延伸至所述多个水平槽中的第四水平槽。
较佳地，所述第一水平槽被构造为能够嵌入不同长度的所述天线的第一段，并且所述第二水平槽被构造为能够嵌入不同长度的所述天线的第二段。
较佳地，所述标签壳体通过定位机构固定至所述金属板，以使得所述标签壳体的下表面相对于所述金属板的上表面保持水平。
较佳地，所述定位机构包括将所述标签壳体固定至所述金属板的螺纹件和位于所述金属板的所述上表面上的格子形固定件。
较佳地，所述金属板被压花、冲压、激光加工或印刷有视觉标识符。
较佳地，所述射频识别标签组件的最大辐射增益的方向从垂直于所述金属板的方向倾斜。
此外，本发明的RFID标签组件被设计为使用薄型金属线作为天线。这种导线形态的标签辐射平台(platform)由于材质本身的柔软和薄型特性，具备以下优点：使将3D标签形状用于RFID标签天线的电阻抗匹配变得更容易，并且可以在有限的空间面积内实现高效的标签设计。此外，还提供了以下优点：由于柔软的导线材质的特性，在RFID标签的中心频率控制和电气匹配优化的过程中，通过简单的导线平台长度变化和金属线相互间距控制，可以容易地改变RFID标签的电气设计。为了实现RFID标签辐射体，这样的3D金属线被放置在耐高温的塑料构件内部，并且通过超声波熔接或注塑成型过程而形成。为了将作为传导性辐射介质的金属线和IC芯片电气连接，构造小型PCB块并在其中接合IC芯片，在小型PCB块两侧接合金 属线而构造金属线辐射体。如上所述地构造的立体形状的标签辐射体结构与下方具有一定面积的另外的金属板结合；标签辐射体被沿着金属板的侧边固定而结合。由此，标签辐射体和金属板结合的相对位置可以用作决定标签天线的辐射增益方向的重要设计参数。
另外，如上所述的金属板与标签辐射体分别地构造，因此可以在金属板表面进行压花和冲压。这种金属板表面压花/冲压作业可以半永久地使用户可以进行直观的、视觉的标识和区分，在传统地需要这种方式的处理的产业领域保持兼容性的同时，提供还可以引入RFID标签的优点。
根据本发明的第二方面，提供一种可识别物体，所述可识别物体附着有前述任一项所述的射频识别标签组件。
较佳地，所述可识别物体包括设施资产和货架。
通过下面的详细描述、附图以及权利要求，其他特征和方面会变得清楚。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1示出了通过使用便携式读取器识别常规的RFID标签110、120时，根据标签附着位置高度差异的辐射区域的示意图。
图2示意性呈现利用RFID读取器识别根据本发明的实施例的RFID标签210、220根据标签附着位置高度差异的辐射区域。
图3示出了根据本发明的实施例的具有主辐射指向性可变的功能的RFID标签组件的立体图。
图4示出了根据本发明的实施例的RFID标签组件的示意性分解图。
图5示出了根据本发明的实施例的辐射元件的分解透视图。
图6a和图6b示出了根据本发明的实施例的安装在标签壳体内部用作标签天线的金属线的正面视图。
图7以史密斯图(Smith chart)示出了根据本发明的实施例的根据设置在第一段中的PCB与和导体相连侧相距的距离变化而变化的辐射元件的阻抗的模拟实验结果。
图8示意性地呈现在不同相对位置处的附着对象上的RFID标签组件的安装方向。
图9a-图9d示出了根据本发明的可选实施例的利用标签天线改变第一段和第二段的结构的正面视图。
图10示出了根据本发明的实施例的根据具有主辐射指向性可变的功能的标签天线的方位角的最大辐射增益的辐射模式的图。
图11示出了在UHF RFID频段测量根据本发明的实施例的利用标签天线的具有主辐射指向性可变功能的RFID标签天线的远距离识别距离的结果。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的 实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。
除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。
在本申请中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。在本申请中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。
在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本发明中提出的RFID标签可附着在特定物体或者资产上，标签远场辐射方向会选择性地偏向于固定式/手持式读写器的天线方向，最大化RFID标签的视距可识别距离。优选地，本发明的RFID标签用于UHF频段。
与AIDC(自动识别数据追踪)领域相比，无源RFID标签提供了能够在远距离区域以非接触式的射频(Radio frequency，RF)方式批量识别多个标签的特征。然而，这种RFID标签的最佳远距离识别需要RFID标签和读取器天线之间不存在电波的反射、绕射、衰减/吸收的稳定的现场环境以及读取器天线与标签天线的极化方向一致并且标签识别方向维持在视距方向时才能实现。
由于电波辐射的特性和RFID基本反向散射的特性，RFID应用环境中根据传导介质的RF无线电波的反射或衍射的现象导致RFID标签天线和读取器天线之间会形成多路径，由这些多路径入射到标签天线的电波由不同相位的电波叠加构成。特别地，根据相位差异的标签天线和读取器天线之间的相消干涉现象是造成RFID标签的识别距离急剧减小、RFID系统稳定性降低的根本原因。此外，远距离标签识别环境中在与诸如高介电材料的高损耗材料相邻的环境中会使RF波信号强度降低并且会改变标签的RF中心频率，对构造最佳标记环境造成阻碍。
此外，在现场应用环境和RFID标签的标记情况与读取器天线的最佳极化方向不一致的情况下，通常读取器天线使用圆极化(circular polarization,CP)来缓解极化不一致的问题。也就是说，通常市售的大多数特殊RFID标签普遍体现线极化(linear polarization,LP)特征，不过通过使用读取器天线的圆极化来改善垂直/水平方向上不一致的标记问题。但是，由于被设计为线极化的RFID标签和使用圆极化的读取器天线极化不一致，会产生3dB功率损失从而导致标签远距离识别性能下降。
此外，由于最近在各种产业领域中利用RFID技术的应用范围扩大，与仓库内的货架附着在一起的标签较高或者要求以相对于水平面倾斜的方向标记的应用事例增加。通常，对于RFID标签，由于附着对象的材质特性和附着位置、由于应用环境的电波的干涉影响、标签和读取器天线的极化特性、由于高温环境的长时间暴露的标签劣化特性等，标签本身的电气性能会受到很大的影响。特别地，附着在装载在较高高度的货架230等上的物体上的RFID标签或者附着在外部设施资产的较高高度的标签110与用户 的固定/便携式读取器100的天线具有高度偏差，这样的高度偏差使得读取器天线以相对于标签倾斜的角度识别标签。例如，在图1中，附着在较高高度的物体上的标签110的辐射模式115和附着在较低高度的物体上的标签120的辐射模式125与读取器100的天线的辐射模式105之间具有高度偏差，使得读取器100以相对于标签110、120倾斜的角度识别标签。以倾斜的角度识别RFID标签的情况下，雷达截面(Radar Cross Section，RCS)标签横截面与倾斜角度成比例地减小，导致远距离标签识别距离急剧减小。此外，一般的标签的远距离辐射增益特性以一定的角度分布，并且由于标签的辐射增益分布以标签正面竖直方向为基准形成最大值。这样的标签的辐射增益分布在倾斜的角度处展现出辐射增益特性急剧减小的特性。尽管因标签天线的体积、金属附着对象的大小和RFID标签天线的设计而不同，但是通常的金属标签天线的半功率辐射增益角度(3dB radiation angle)形成在30°～60°左右处。即，一般的金属标签天线在附着在货架的较高的装载物上或者附着在高度较高的设施资产上时，地面的用户通过便携式读取器100识别天线的情况下会损失相当程度的辐射功率，这种趋势导致高度差异越大标签识别性能越降低。
图1示出了通过使用便携式读取器100识别常规的RFID标签110、120时，根据标签附着位置高度差异的辐射区域的示意图。
通常，以与常规RFID标签110、120所附着的物体140垂直的方向形成最大辐射增益区域，并且在没有干扰的周围环境中，在相同的方向上实现读取器天线的最大识别距离。在这种情况下，因为RFID标签110、120的辐射方向和读取器天线100的辐射方向105是有限的，在相对于所附着的标签正前方倾斜的方向上识别标签的情况下，会导致相当的功率损失。在这样的应用环境中，读取器天线的倾斜的角度会大大减小标签的RCS截面面积并且会急剧丢失由读取器天线接收的信号强度。特别地，外部设施资产的标签设置高度位置较高或者室内装载货架130的标签附着位置高度相对于RFID读取器天线100的平行高度位置偏差较大时导致的标签识别距离减小和标签识别比率较低是保持RFID系统的稳定性的重要要素。
为了克服上述应用环境中的缺点，提出了一种在所附着的对象插入另外的机构来机械地调整使得RFID标签的最大辐射增益方向朝向读取器天线的方向的方法。但是这样的使附着在高的设施资产上的标签的设置方向朝向地面的以机械方式调整辐射指向角的方法会产生相当昂贵的导入RFID标签所需的额外费用并且也难以定量地根据标签高度调整设置方向。此外，在这样的存在高度差异的应用环境中，通过在以预定的路径移动的自动驾驶机器人上增加天线高度或者利用设置在作为空间形式飞行体的无人机装置上的移动型RFID装置来识别RFID标签。
本发明涉及通过控制RFID标签的远距离可读识别方向性来较稳定地识别附着在高的设施资产和高的载物货架上的特殊标签，由此使运用RFID系统的标签的电气可靠性最大化的被动(Passive)PFID标签。为了实现上述目的而提出本发明以实现以下目的：通过利用立体结构(3D)的薄型金属线克服现有RFID标签导电介质的劣化和剥离现象并且通过具备另外的自体金属板来提供可以将RFID辐射结构广泛用于金属/非金属材质的物体。
通常UHF频段的RFID标签天线根据电标签设计构造、附着接地面和相对的标签位置、根据平面型或立体构造的标签拓扑变化，以多种方式使最大远距离幅射方向受到影响。通常用于RFID系统的RFID标签在通过使标签天线的辐射增益最大值形成为作为附着对象的物体的竖直正面方向因此读取器天线和极化一致的情况下，可以在标签附着正面方向获得最大可读识别距离。如上所述的通常的RFID标签具有如下特征：RFID标签的附着高度位置与读取器用户的读取器天线相比高度更高或者更低时，会导致读取器天线脱离标签天线的最大可读识别距离，导致标签识别距离急剧减小。特别地，由于交通、电力产业的外部资产设施或者大型仓库内货架上装载的物品等的高度位置相对于地面上的读取器用户设置在较高的高度，因此无法获得直线距离(line of sight)上的最大标签截面(RCS雷达截面)。在这种情况下，为了机械性地使标签辐射增益方向朝向地面，可以使用辅助工具或者在附着标签时利用以倾斜角倾斜地设置的方法，但是难以根据高度偏差而调整精确的倾斜度，并且会有增加的设置费用。
图2示意性呈现了利用RFID读取器识别根据本发明的实施例的RFID标签210时根据标签附着位置高度差异的辐射区域的有利优点。通常，RFID标签和读取器天线的指向辐射方向一致与RFID读取器的极化一致问题是决定RFID识别距离性能的因素。特别地，设置于相对于RFID读取器用户较高的高度的RFID标签210(例如，设置于货架230上的物体240上)的指向辐射角度与用户的读取器天线200的辐射模式205角度一致时，可以大大提高RFID标签的识别距离性能。具有这样的RFID标签的主辐射指向性可变的功能的标签提供了以下优点：即使在相较于RFID标签天线的位置相比较高或较低或左/右偏斜的位置处由用户的RFID读取器识别时，也可以通过改变相同标签的附着方向而容易地识别，从而根本地解决取决于标签设置位置的高度差异的标签性能偏差或者标签性能较低的问题。
对于在本发明中使用的标签辐射元件，现有标牌(label)或PCB材质、陶瓷形态的材质由于长时间地在高温环境中会有劣化和剥离现象等而限制RFID标签的耐久性，作为根本上的解决方案，设计成使用薄型金属线。这种导线形态的标签辐射平台(platform)由于材质本身的柔软和薄型特性，具备以下优点：使提供3D标签形状用于RFID标签天线的电阻抗匹配变得更容易，并且可以在有限的空间面积内实现高效的标签设计。此外，还提供了以下优点：由于柔软的导线材质的特性，在RFID标签的中心频率控制和电气匹配优化的过程中，通过简单的导线平台长度变化和金属线相互间距控制，可以容易地改变RFID标签的电气设计。为了实现RFID标签辐射体，这样的3D金属线被放置在耐高温的塑料构件内部，并且通过超声波熔接或注塑成型过程而形成。为了将作为传导性辐射介质的金属线和IC芯片电气连接，构造小型PCB块并在其中接合IC芯片，在小型PCB块两侧接合金属线而构造金属线辐射体。如上所述地构造的立体形状的标签辐射体结构与下方具有一定面积的另外的金属板结合；标签辐射体被沿着金属板的侧边固定而结合。由此，标签辐射体和金属板结合的相对位置可以用作决定标签天线的辐射增益方向的重要设计参数。
此外，如上所述的金属板与标签辐射体分别地构造，因此可以在金属 板表面进行压花和冲压。这种金属板表面压花/冲压作业可以半永久地使用户可以进行直观的、视觉的标识和区分，在传统地需要这种方式的处理的产业领域保持兼容性的同时，提供还可以引入RFID标签的优点。特别地，在现有铭牌(Nameplate)形式的标签本身上进行这种压花/冲压作业直接或间接破坏了标签，因此不可能实现。
通常的UHF频段特殊RFID标签为了用于金属附着材质和非金属附着材质两者而通过使RFID标签被设计为本身具有有限的金属接地面，并且使远距离辐射模式以与附着对象垂直的方向形成最大辐射增益方向。标签附着对象是金属材质的情况下，取决于标签结构本身具有的金属板的变化以及相对于作为附着对象的金属材质的附着位置，远距离标签辐射增益和标签的辐射模式指向性会受到影响。
在本发明中，为了能够容易地实现三维标签立体形状并且增强标签在高温和低温循环环境和超高温环境中的耐久性和可靠性，代替现有的PCB材质或者整体(bulk)形态的高介电常数陶瓷材质，使用导电金属线构造标签辐射元件。
图3示出了根据本发明的实施例的具有主辐射指向性可变的功能的RFID标签组件300的立体图，图4示出了根据本发明的实施例的RFID标签组件300的示意性分解图，图5示出了根据本发明的实施例的辐射元件320的分解透视图，并且图6a和图6b示出了根据本发明的实施例的安装在标签壳体500a、500b内部用作标签天线510的金属线的正面视图，其中图6a示出了PCB 530在第一段520中设置在与和导体550相连侧相距的距离为d1的构造，图6b示出了为了改变辐射元件320的阻抗而可以改变的PCB530的位置610a、610b、610c、610d。通过参考图3-图6b做出如下说明。
图3示出了根据本发明的实施例的具有主辐射指向性可变的功能的RFID标签组件300的立体图。RFID标签组件300可以包括辐射元件320和金属板330。辐射元件320可以沿着金属板330的上表面的侧边布置。金属板330可以用作RFID标签组件300的接地板。安装机构310可以使金属板330的下表面能够附着到待识别的对象上(例如，货架上的物品或资产 设施上)。在一个实施例中，安装机构310可以是螺纹件，并且可以位于金属板330的两侧，但是本领域技术人员可以构想任何其他安装机构、安装位置或附着方式，例如，粘合。通过在金属板330上进行用户能够直观地认知和半永久地使用的压花/冲压340，可以提供进一步扩大RFID标签的应用范围的优点。一般在汽车产业领域或机械产业领域中，为了识别设备和资产，长期以来在铝或铜板表面通过机械压花/冲压来加工多种标识符使用。但是，在RFID标签的情况下，很难找到在表面可以冲压/压花的商用标签，部分RFID标签提供的这种物理冲压/压花操作时对标签的功能造成损伤。本发明中提出的标签组件300中，可以分别构造辐射元件320和能够实现压花/冲压340的金属板330，然后将两者结合。此外，这样的金属板330可以由不同材料(诸如铝、不锈钢)构造成不同大小和厚度。
图4示出了根据本发明的实施例的RFID标签组件的示意性分解图。金属板330可以是任意大小和厚度并且可以被冲压/压花340。可以考虑实现冲压/压花工艺的设备的配置选择金属板330的材质、厚度和大小，并且可以与金属板330的材质、厚度和大小无关地选择RFID标签组件的标签天线的电特性。根据用户的环境和需要，可以在金属板330表面选择性地执行冲压/压花操作、激光加工、油漆形态的印刷操作。
辐射元件320可以通过各种固定机构安装到金属板330的上表面。图4中示出了一种将辐射元件320安装到金属板330的上表面的固定机构，可以包括螺纹件410和格子形固定件420，用于容纳螺纹件410的螺孔部分可以被构造为从金属板330的上表面凸起以保持金属板330下表面平坦地安装到附着对象，并且格子形固定件420可以从金属板330凸起以用于加强与辐射元件320的连接强度。通过诸如螺纹件410将辐射元件320和金属板330机械连接，可以增加连接强度，并且通过格子形固定件420来保持辐射元件320的下表面与金属板330的上表面之间的恒定间距，可以在将RFID标签组件300附着到设施资产上时保持附着表面平坦和稳定。本领域技术人员可以构想到，可以选择其中一者或两者来安装，或者可以使用任何其他安装结构。辐射元件320可以被安装以使得其中包含的标签天线510 (如图5所示)所在的平面与金属板330的上表面成一角度。优选地，该角度可以在30°与150°之间。更优选地，标签天线510所在的平面可以垂直于金属板330的上表面。以此方式，RFID标签组件300的最大辐射增益可以不在垂直于金属板330的表面(以及因此附着至可识别物体的表面)的方向上。
图5示出了根据本发明的实施例的辐射元件320的分解透视图。辐射元件320可以包括用作标签天线510的立体形状的薄型金属线，标签天线510可以被安装在标签壳体500a和500b内部。为了提高标签天线510的高温可靠性和耐久性，用于标签天线510的金属可以是铜、铁、铝、金或合金等各种可以制成线的金属。标签壳体500a和500b可以由耐高温的塑料形成并且在分别构造后通过超声波熔接的方式紧密结合。耐高温的塑料可以是环氧树脂。本领域技术人员也可以构想能够将标签壳体500a和500b紧密结合的其他方式。标签壳体320内还可以包括IC芯片。为了将标签天线510与IC芯片连接，可以将PCB 530用作连接媒介。PCB 530可以被构造为在其中接合IC芯片，并且在两侧具有用于接合标签天线510的电极。可以通过焊接来将标签天线510接合到PCB 530，并且本领域技术人员可以构想其他接合方式。
根据本发明的一个实施例，标签天线510可以包括第一段520和第二段540，PCB 530可以定位于标签天线510的第一段520上。标签天线510的第一段520可以在该侧由导体550与第二段540相连接，并且在第一段520的另一侧(即，与导体550相对的一侧)可以与第二段540断连，由此，第一段520与第二段540可以在一侧相互耦合。
导体550可以是与第一段520和第二段540一体构成标签天线510的弯折部。替代地，导体550可以是固定于标签壳体500b内部并且在安装后与第一段520和第二段540相连的分开的导线。第一段520与金属板330的上表面之间可以具有第一间距h1，并且第一段520与第二段540之间可以具有第二间距h2(如图6a所示)。
此外，标签壳体500a、500b内部可以具有安装槽以嵌入标签天线510 和PCB 530以使标签天线510可以稳定地固定在标签壳体500a、500b内部并且维持在有效的共轭阻抗匹配状态。安装槽可以包括用于容纳标签天线510的多个凹槽和用于容纳PCB 530的多个容纳空间以提供多种不同的路径，以便提高在有限的面积内的标签天线510的有效谐振长度。这样的多种路径能够提供以下优点：在控制辐射元件320的中心频率或者在制造标签组件300的过程中，无需过多改变已有的材质或设计就可以容易地改善性能偏差实现所需的辐射元件320的性能。
在一个实施例中，多个凹槽可以包括多个水平槽和多个竖直槽，包括用于容纳标签天线510的第一段520的第一水平槽560a、用于容纳第二段540的第二水平槽560b、和用于容纳导体550的竖直槽560c。
图6a和图6b示出了根据本发明的实施例的安装在标签壳体500a、500b内部用作标签天线510的金属线的正面视图，其中图6a示出了PCB 530在第一段520中设置在与和导体550相连侧相距的距离为d1的构造，图6b示出了为了改变辐射元件320的阻抗而可以改变的PCB 530的位置610a、610b、610c、610d，这些位置仅作为示例性示出，本领域技术人员可以根据需要构想PCB 530的位置。
本发明中提出的包含标签天线510的RFID标签组件300可以包括以下重要的设计参数：在三维立体结构中，接合有IC芯片的PCB 530与天线510和导体550相连侧相聚的距离d1、标签天线510的第一段520与金属板330的上表面相距的距离h1、标签天线510的第一段520与标签天线510的第二段540相距的距离h2、能够控制标签天线510的有效谐振长度的天线510(包括第一段520、第二段540和导体550)的长度。这些重要的设计参数可以提供以下优点：为了对各种各样的UHF频段的IC芯片的阻抗进行复数阻抗匹配，通过使RFID标签组件300的一个或者多个设计参数最适当而在不改变已有标签的材质和外观的情况下可以在相同的结构中容易地使电气匹配可变。特别地，接合了RFID IC芯片的PCB 530的相对位置变化可以作为最大地影响特定IC芯片的阻抗变化的设计参数，提供在不改变已有标签壳体的结构的情况下能够应对各种常用IC芯片的设计兼容性。 通过调整PCB 530与导体550相距的距离(即，图6a中的d1)，能够控制标签天线的阻抗匹配和中心谐振频率。
图7以史密斯图(Smith chart)示出了根据本发明的实施例的根据设置在第一段520中的PCB 530与和导体550相连侧相距的距离(即，图6a中的d1)变化而变化的辐射元件的阻抗的模拟实验结果。作为示例，该模拟实验结果采取了在一侧通过将金属线折叠成竖直方向来形成导体550，使得第一段520和第二段540经由导体550短路连接，并且在相对侧断开来实现通常的IC芯片的复数阻抗的有效阻抗匹配的结构。即，在标签天线510的右侧，第一段520和第二段540可以通过侧面的安装槽560c中的导体550而短路连接，并且为了实现有效的阻抗控制和适当的标签辐射增益，在标签天线510的左侧，第一段520和第二段540之间可以相距距离h2并且第一段520和金属板330上表面之间可以相距距离h1。上述所有设计参数是为了能够有效控制标签组件300的中心频率和阻抗匹配，并且这样的在一侧短路的结构和设置在容纳空间中的PCB 530可以用作控制标签组件300的阻抗匹配的重要的设计参数。
如图7所示，在史密斯图中示出了当d1以2.5mm的间隔由13mm逐渐变为3mm的过程中IC芯片的阻抗的虚部。当d1为13.0mm时，复数阻抗的虚部为+282Ohm；当d1为10.5mm时，复数阻抗的虚部为+227Ohm；当d1为8.0mm时，复数阻抗的虚部为+194Ohm；当d1为5.5mm时，复数阻抗的虚部为+174Ohm；当d1为3.0mm时，复数阻抗的虚部为+158Ohm。通常常用的UHF频段的IC芯片的阻抗在上述范围内，并且通过利用PCB530的可变位置能够实现常用UHF频段的IC芯片的一般的阻抗匹配。
此外，标签天线510的第一段520与金属板330的上表面之间可以形成间距h1。这样的耦合可以对标签匹配和远距离辐射模式指向性产生影响。
标签天线510的第一段520可以以非对称的结构与金属板330耦合，并且标签天线510所在的平面可以相对于金属板330的上表面成一角度(优选地，垂直)，由此使标签组件300的远距离辐射指向角以特定方向偏向。
图8示意性呈现了在不同相对位置处的附着对象上的RFID标签组件 的安装方向。
可以通过固定机构将包含标签天线510的辐射元件320安装到金属板330，由此形成的标签组件300的整体外观可以在左右方向上形成为对称结构而在上下方向上形成为非对称结构。在这样的非对称结构中，辐射元件320的最大辐射增益可以被呈现为从垂直于金属板330表面的方向偏向为朝向辐射元件320的方向。这样的特征使得当在高度较高的设施资产810中辐射元件320被定位为沿着金属板330的下边缘时标签组件300的最大辐射增益方向可以向下倾斜，相反，当在高度较低的设施资产820的情况下辐射元件320被定位为沿着金属板330的上边缘时标签组件300的最大辐射增益可以向上方倾斜，使得标签组件的可读识别距离增大。当在相对左侧的设施资产830的情况下辐射元件320被定位为沿着金属板330的右边缘时标签组件300的最大辐射增益可以向右侧倾斜，当在相对右侧的设施资产840的情况下辐射元件320被定位为沿着金属板330的左边缘时标签组件300的最大辐射增益可以向左侧倾斜，使得标签组件的可读识别距离增大。
图9a-图9d示出了根据本发明的可选实施例的利用标签天线510，改变第一段520和第二段540的结构的正面视图。根据本发明的一个实施例，PCB 530可以位于标签天线510的第一段520中，并且可以在标签天线510的一侧短路连接而在相对侧断连。本领域技术人员可以构想到，通过将标签天线510的上述结构变为任何形状，可以将其作为为了实现辐射元件320的中心频率调节和符合个别IC芯片的最适阻抗匹配的变量。在图9a中示出了PCB 530可以位于标签天线510的第一段520中的一侧附近的基本结构。在图9b中示出了标签天线510的第一段520和第二段540与图9a相比在断连侧都可以以水平方向延长的变形结构。这样的水平方向上的长度增加可以用作向下调节标签组件的中心频率的最重要的设计参数，并且根据标签天线510的第一段520和第二段540的相对长度的调节，可以用作控制辐射增益的设计参数。图9c中示出了天线510的第二段540可以在断连侧向下弯折的变形结构，并且图9d中示出了天线510的第一段520可以 在断连侧向上弯折的变形结构。为了实现这样的弯折结构，标签壳体500a、500b内的安装槽可以包括更多的水平槽(例如，图5中的560d)和/或竖直槽(例如，图5中的560e)，由此可以在不改变辐射元件320的外形大小的情况下增加标签天线510的有效谐振长度。然而，天线510的第一段520的向上弯折和天线510的第二段540的向下弯折以及相应的更多的水平槽是可选的，本领域技术人员可以根据需要选择不同的开槽方式，本发明不旨在对此进行限制。
图10示出了根据本发明的实施例的根据具有主辐射指向性可变的功能的标签天线的方位角的最大辐射增益的辐射模式的图，示出了UHF频段中心频率为920MHz的Y-Z平面(phi＝90°)的辐射方向图。考虑附着在金属附着对象上的情况，可以将能够进行表面冲压的金属板的大小设置为85×58mm的大小，并且金属板能够随着金属附着对象的大小和相对位置的变化而引起辐射增益的变化。
通常的标签天线510的辐射增益的最大值的指向性形成为在与金属附着对象的表面垂直的方向上，然而本发明的具有主辐射指向性可变的功能的辐射元件320可以位于金属板330的一侧，并且其主辐射可以形成为从垂直方向倾斜43°。如图所示，展现出4.15dBi的远距离辐射模式的最大辐射增益，并且在Y-Z平面上左右不对称的特性。
这样的最大辐射增益以特定的指向角度偏向的辐射元件320的结构可以有效地改善RFID读取器天线和标签天线的高度差异导致的远距离识别性能较低的问题。根据标签附着对象的高度和左右识别角度偏差，简单地变化标签的上下、左右附着方向，有效改善在存在方位差异(高度差异和左右差异)的情况下RFID读取器的通信灵敏度。即，与RFID读取器相比标签附着高度较高的情况下，可以通过使标签壳体320附着在金属板330的下侧固定而使标签辐射增益指向性变为偏向下方；相反，与RFID读取器相比标签附着高度较低的情况下，可以通过使标签壳体320附着在金属板330的上侧固定而使标签辐射增益指向性变为偏向上方。通过将相同的标签壳体320根据附着高度差异或左右识别角度偏差以不同方向附着，可以使 标签最大辐射增益方向偏向，实现在不使用另外的机械支架就可以控制标签主辐射指向性。
图11示出了在UHF RFID频段测量根据本发明的实施例的利用标签天线的具有主辐射指向性可变功能的RFID标签天线的远距离识别距离的结果。用于测量的标签组件300可以被定位在用作附着对象的边长为15cm的正方形金属板中间，可以通过使用Voyantic公司的Tagformance系统在微波暗室(Anechoic chamber)中用标准功率36dBm测量。可以从垂直/正面方向上测量附着在金属附着对象上的标签组件的识别距离。如图10所示，在UHF频段中心频率920MHz处可以具有14m的最大识别距离。
至此，描述了一种RFID标签组件。通过将柔性金属线构造为立体形状用于UHF频段的RFID标签辐射元件并且将该辐射元件以非对称的方式安装到金属板上，能够使RFID标签组件的最大辐射增益方向以特定角度倾斜。在各种RFID应用环境中，在不容易获得RFID标签组件的高度位置和用于识别的读取器天线的直线距离(Line-of-sight,LOS)的情况下，现有RFID标签的可读识别距离性能急剧降低。特别地，在从水平方向倾斜的方向识别RFID标签或者附着在设施资产上的标签的高度位置较高或较低的情况下以读取器天线为基准的标签RCS截面面积急剧减小，反射散射效率降低，导致RFID标签识别性能降低。本发明提出的RFID标签在这种特殊情况下通过改变标签附着方式来使标签的最大辐射增益指向性上下和左右偏向，由此有效地保证标签可读识别距离性能并且提高RFID系统的性能。本发明中将金属线用于标签辐射元件，提供在高温应用环境和热冲击环境中的标签耐久性，极大地改善标签劣化特性。
特别地，设置并封装在塑料结构内的金属线的标签辐射元件和另外结合的金属板物理地分别构成并且用安装机构结合，由此可以实现从金属板表面突出的压花操作或冲压操作，并且这种刻印操作可以提供不影响标签的外观或电气性能的优点。此外，分别构成的金属板可以具有各种大小，与嵌入塑料结构内的金属线独立构成后结合在一起。
如上所述，可以提供特定应用领域要求的通过在金属板表面机械压花/ 冲压实现半永久和直观的可识别的刻印，同时可以扩展应用为另外实现电气RFID标签功能。现有的RFID标签不存在在标签表面具有金属板的产品，或者即使存在，由于在标签表面进行物理冲压/压花会物理损伤标签本身，会引起防水问题和标签耐久性降低的问题。本发明通过将标签天线的电接合和决定标签的辐射增益的基本设计参数独立分离出来，提高了标签耐久性和设计的灵活性。也就是说，将电气RFID标签设计和金属板分离，然后通过安装装置将两者结合，由此使机械冲压/压花操作不影响标签的电气/物理性能。
上面已经描述了一些示例性实施例。然而，应该理解的是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，还可以对上述示例性实施例做出各种修改。例如，如果所描述的技术以不同的顺序执行和/或如果所描述的系统、架构、设备或电路中的组件以不同方式被组合和/或被另外的组件或其等同物替代或补充，也可以实现合适的结果，那么相应地，这些修改后的其它实施方式也落入权利要求书的保护范围内。
Claims (19)
- 一种射频识别标签组件，其特征在于，所述射频识别标签组件包括：金属板，具有上表面和下表面；辐射元件，所述辐射元件包括标签壳体，所述标签壳体沿着所述金属板的上表面的一侧边布置，所述标签壳体内包括IC芯片、天线以及将所述IC芯片与所述天线电连接的电路板，其中，所述天线由金属制成，所述天线具有与所述金属板的上表面平行的第一段和第二段，所述第一段与所述金属板的上表面之间具有第一间距，并且所述第一段与所述第二段之间具有第二间距，所述金属板的上表面与所述天线所在的平面成角度。
- 如权利要求1所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述IC芯片工作在UHF频段。
- 如权利要求1所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述天线的所述第一段的一端经由导体连接至所述第二段的一端。
- 如权利要求3所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述导体是所述天线的所述第一段和所述第二段之间的弯折部，所述第一段、所述第二段和所述弯折部一体地构成所述天线。
- 如权利要求3所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述导体是布置在所述壳体内的与所述天线分开的导线。
- 如权利要求1所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述天线所在的平面与所述金属板的上表面垂直。
- 如权利要求1所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述金属板是作为所述射频识别标签组件的接地板。
- 如权利要求1所述的射频识别标签组件，其特征在于，通过将所述金属板的下表面附着到待识别的对象来设置所述射频识别标签组件。
- 如权利要求3所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述壳体内部具有安装槽以嵌入所述天线和所述电路板。
- 如权利要求9所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述安装槽包括：多个凹槽，用于嵌入天线，其中所述多个凹槽包括多个水平槽和多个竖直槽，所述多个水平槽包括第一水平槽和第二水平槽，所述第一水平槽被构造为嵌入所述天线的所述第一段，所述第二水平槽被构造为嵌入所述天线的所述第二段，并且所述竖直槽被构造为嵌入所述导体；以及多个容纳空间，所述多个容纳空间中的每一个用于容纳所述电路板。
- 如权利要求10所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述多个水平槽中的每一个与所述多个容纳空间中的至少一个相交，所述多个水平槽和所述金属板的上表面平行，所述多个水平槽与所述金属板的上表面相距的距离不等，并且所述多个容纳空间与所述竖直槽相距多个距离。
- 如权利要求10所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述天线的所述第一段延伸至所述多个水平槽中的第三水平槽，和/或所述天线的所述第二段延伸至所述多个水平槽中的第四水平槽。
- 如权利要求12所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述第一水平槽被构造为能够嵌入不同长度的所述天线的第一段，并且所述第二水平槽被构造为能够嵌入不同长度的所述天线的第二段。
- 如权利要求1所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述标签壳体通过定位机构固定至所述金属板，以使得所述标签壳体的下表面相对于所述金属板的上表面保持水平。
- 如权利要求14所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述定位机构包括将所述标签壳体固定至所述金属板的螺纹件和位于所述金属板的所述上表面上的格子形固定件。
- 如权利要求1所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述金属板被压花、冲压、激光加工或印刷有视觉标识符。
- 如权利要求1-16中任一项所述的射频识别标签组件，其特征在于，所述射频识别标签组件的最大辐射增益的方向从垂直于所述金属板的方向倾斜。
- 一种可识别物体，所述可识别物体附着有如权利要求1-16中任一项所述的射频识别标签组件。
- 如权利要求18所述的可识别物体，其特征在于，所述可识别物体包括设施资产和货架。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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