CN1557107A - 将射频天线嵌入到轮胎中的方法 - Google Patents

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Abstract

将射频天线(12)与嵌入在轮胎(14)中的无线电设备(10)一同使用，以使其在130MHz以上的频段中工作。该射频天线包括天线主体，及涂敷天线主体的绝缘涂层。该绝缘涂层的介电常数小于橡胶的介电常数，若小于3则更为合适；其厚度为0.02mm以上。该涂层材料的表面电阻率为1012ohms/sq以上，体积电阻率为109ohms*cm以上更为合适。而且，涂层材料的耗散因子最好为小于0.03。天线主体最好为由弹簧钢、镀黄铜的弹簧钢或弹簧黄铜构成的导线。

Description

将射频天线嵌入到轮胎中的方法
背景及简要描述
将电子设备整合到轮胎中可提供多种功能，如在制造、分送、使用过程中的识别及跟踪，及对轮胎使用时压力和温度等物理参数进行测量。轮胎与外部的监控设备或问询设备之间的射频通讯应用于许多系统，而射频通讯联络需要一个或多个天线。
]现在的系统可安装于轮胎或车轮表面，或与充气阀结合在一起。将电子设备和天线直接附于轮胎表面或嵌入于轮胎结构(即橡胶材料)内可形成一个持久、防干扰(tamper-proof)的整体。然而，将天线与轮胎直接接触或嵌入到轮胎中可能会存在困难。天线必须通过周围的弹性材料发出射频，而这些弹性材料通常是导电的，而且其介电常数相对较高，一般为3或更高。与天线相接触的导电材料会使在天线表面上传输的射频能量衰减。而且，与天线相接触的导电性介质材料可造成射频电流在天线相邻的两个馈电点之间通过，这也会引起射频能量的衰减。衰减问题随着频率的增加而增加，这在甚高频(130MHz)或在更高频段时更加明显。
而且，天线通常为金属元件，必须同橡胶材料粘附以使其固定。再者，天线的材料必须能承受轮胎使用时的周期性的压力。
本发明提供了一种方法。这种方法可将射频天线嵌入在导电性弹性材料，如轮胎橡胶中。该方法考虑到天线发射的甚高频或更高频率。本发明所述的方法包括以下步骤：形成天线元件、将天线元件用绝缘涂层进行涂敷，该涂层的介电常数低于弹性材料的介电常数、以及将带有涂层的天线元件嵌入到弹性材料中。优选地，涂层的厚度至少为0.02mm，更为优选地，厚度至少为0.1mm。
根据本发明的另一个方面，优选地，涂层材料的表面电阻率(surfaceresistivity)至少为1012ohms/sq，体积电阻率(volume resistivity)至少为109ohms*cm。而且，涂层材料的耗散因子(dissipation factor)最好为小于0.03。
或者，将天线直接嵌入到具有适当的电学特性的橡胶材料中，这些橡胶材料的表面电阻率应为1012ohms/sq以上，体积电阻率应为109ohms*cm以上，耗散因子要小于0.03。
根据本发明的另一个方面，可调整天线以补偿介电弹性材料对所嵌入的天线的谐振频率所产生的影响。由于电介质产生的作用，会使天线的电学性能发生变化，而显得比其物理长度更长。因而，为了确定天线的最优长度，可单独通过多次重复(a series of iterations)或借助于网络分析程序(network analyzer)，缩短天线长度。或者，在馈电点上串联容抗来调节天线。
本发明也提供一种天线，其嵌入到轮胎的橡胶材料中以适合130MHz以上频段的无线电发射。根据本发明的这个方面，天线至少包括一个天线主体，和包绕天线主体的绝缘涂层，该绝缘涂层的介电常数小于橡胶材料的介电常数，优选地小于3，且厚度至少为0.02mm。
天线主体可为任何能发射射频能量的物体。若天线主体为弹簧钢、镀黄铜的弹簧钢或者弹簧黄铜形成的导线，由于其在疲劳状态的耐久性，在轮胎中使用更有优越性，也更合适。这些材料能够耐受轮胎通常要经受到的弯曲和扭曲变形。
根据本发明，优选地，涂层材料的的表面电阻率至少应为1012ohms/sq，体积电阻率至少应为109ohms*cm。另外，涂层材料的耗散因子最好要小于0.03。
参考以下的详细说明并结合所附的图表有助于更好地理解本发明。
附图说明
图1所示为根据本发明的具有天线的电气设备的示意图；
图2是轮胎的截面图，显示了根据本发明的具有天线的电气设备安装于轮胎时可能的备选位置；
图3所示为在915MHz的频率下不同的绝缘材料对有涂层的天线通过橡胶材料中发射无线电能力的影响；
图4所示为不同涂敷材料的附着力；以及
图5所示为对天线进行调谐，并将其嵌入到弹性材料后的结果。
具体实施方式
图1所示为用于轮胎中的射频设备10，其包括根据本发明的无线电设备11及天线12。无线电设备11本身可能是识别或跟踪设备，可用于如制造、分送或销售等业务中。设备11也可以是对工作状态下轮胎的温度、压力或其它物理参数进行测量的监控设备；或者设备11中包括这样的监控设备。例如，在这样的设备中，天线12可通过射频向外部设备发送信息和/或从外部设备接收信息。在其它的例子中，天线也可用于接收问询设备的能量。这些无线电设备可作为接收器、发送器、发送应答器或反射器使用，而且，由于本发明中的天线可用于上述所有设备，因而在以下的说明中，“无线电设备”一词包括上述内容。
如图2所示，本发明的优越性在于，射频设备10可安放于轮胎的多个不同的位置，例如，胎冠19、靠近胎缘12、或轮胎赤道13。一个轮胎上可安装有一个或多个上述设备，例如，如果需要对轮胎不同位置上的物理参数监视或监测不同的物理参数下，就希望这样安装。设备11及天线12可嵌入到橡胶补片(rubber patch)30中，后者粘附在轮胎14的表面。还可将无线电设备11及天线12嵌入到轮胎本身的结构中；或者，轮胎14中的橡胶材料会形成面，无线电设备11及天线12在橡胶材料之下。例如，射频设备10可放置在胎体层(carcass ply)16与内衬15之间、胎体层16与侧壁17之间，和/或环带层18与胎冠19之间。本发明人用“整合”一词来描述在将天线12及无线电设备11结合在轮胎中的任何一种形式。
轮胎橡胶材料通常是导电的，这通常是由碳黑及其它的增强填充剂所造成的。这样，将射频天线同轮胎橡胶材料直接接触就会减弱天线传送能量的能力。射频能量按照所谓的“表面效应(skin effect)”，沿天线的表面传送。与天线表面相接触的导电材料会通过涡流使能量衰减。而且，导电性介质材料会使射频能量在天线的两个相邻馈电点之间通过，这也会造成能量的衰减。其结果造成天线的有效发射距离的减少。一设备包括具有半波长的83mm偶极子长度(half-wavelengthdipole length)的天线的915MHz RFID芯片。本发明人发现具有该芯片的设备在空气中发射范围是42英寸。但将其嵌入到通用的轮胎橡胶中时，该设备的发射范围仅为4英寸。
为了克服有效发射范围的缩小，本发明的第一个首选的实施例中天线12包括了天线元件20或是天线主体及其绝缘涂层22。图1所示的实施例中天线为正弦波形，这有利于其在轮胎制造过程中，或是在通常轮胎使用过程中适应在轮胎材料中的张力。天线元件20可为任何可发送射频能量的元件。例如，由弹簧钢、镀黄铜的弹簧钢或者弹簧黄铜制成的导线构成的天线元件20更适用于轮胎。这些材质可耐受轮胎结构周期性的反复变形所引起的金属疲劳。
涂层22由绝缘材料构成，在未固化的状态下垂直于天线测量时的厚度至少为0.02mm。该厚度为相对于天线主体的平均厚度，例如，可通过度量用于整个天线的涂层材料的体积来确定。该厚度可保证在导电的弹性材料与天线20之间有足够的空间以避免出现向弹性材料的渗漏性放电。根据本发明，涂层材料的介电常数应小于弹性材料的介电常数，小于3更为合适。而且，该涂层材料的表面电阻率应为1012ohms/sq以上，体积电阻率应为109ohms*cm以上更为合适。再者，涂层材料的耗散因子最好为小于0.03。这样的涂层材料可增加发射范围。如下所述，本领域的技术人员可选择适当的涂层材料及厚度以保证在特定的使用该设备的条件下有足够的发射范围。
本发明人业已发现的可用于作为涂层材料使用的材质包括电收缩管材(electrical shrink tubing)、热塑性聚碳酸脂(thermoplasticpolycarbonate)、丁二烯橡胶(butadiene rubber)、低碳橡胶(低碳的定义为橡胶混合物中的碳黑按重量计算小于10％)、异氰酸酯橡胶的金属粘合剂(isocyanate-based rubber to metal adhesive)，如Chemlok(商品名)TS3604-50粘合剂(由位于宾夕法尼亚州，伊利，West GrandView大道2000号的Lord公司，化学品分公司生产)、聚乙烯、绝缘清漆、环氧树脂、TPE醋酸纤维素、聚对二甲苯(又称为“帕利灵”)和绝缘聚酯漆。这些材料有一定的优点，包括可在所需的厚度下使用的特性。而且，这些涂层材料对天线材料(在上述的实施例中为黄铜或钢)及轮胎或补片的橡胶材料两者都有较好的粘着性。因而，就不需要另外的粘附涂层。
使用不同绝缘涂层材料的实验用天线，嵌入到橡胶基质中以模拟同轮胎结合在一起的情况，所取得的实验结果与图3所示。这些不同的天线与915MHz RFID芯片相连，该芯片作为发送应答器使用。从图中可知，在橡胶中的无涂层天线的感应距离大约为4英寸。第一组，包括收缩管材、热塑性聚碳酸脂、丁二烯橡胶和Chemlok(商品名)TS3604-50粘合剂可使感应距离扩大到35英寸以上。第二组，包括绝缘清漆、环氧树脂、TPE醋酸纤维素、聚对二甲苯和绝缘聚酯漆所取得的效果略差，但都可使感应距离同无涂层的天线相比增大了一倍。经过检查，发现第二组的材料在绝缘层出现裂缝或在这个涂层厚度上有其它的缺陷。重复实验发现厚度为0.015mm的聚对二甲苯涂层可使感应距离达到19英寸，厚度为0.5mm的Chemlock TS3604-50涂层可使感应距离达到9英寸，厚度为1mm时可使感应距离达到18至24英寸，厚度为1.5mm时可使感应距离达到30英寸以上。本发明人相信，在通常情况下，任何适宜材料的涂层在厚度为0.02mm以上时就足以使感应距离有显著扩大，在厚度为0.1mm以上时更为合适。
或者，天线使用薄层的低碳橡胶作为涂层。这种低碳橡胶混合物含有替代碳黑的填充材料，如硅石或粘土。无线电设备的补片可完全由低碳橡胶构成，这样它就可既可起到天线涂层的作用，又可当作固定补片使用。
还有另一种选择，无线电设备所嵌入的那部分轮胎的材料本身就可由低碳橡胶混合物构成。这样，轮胎的部分侧壁由低碳橡胶混合物构成以替代天线的涂层。
根据本发明的一个方面，绝缘涂层起着将天线同橡胶材料粘合在一起的粘着物作用。即，绝缘涂层对天线材料和轮胎橡胶材料两者有着良好的粘着性。本发明的这一方面避免了应用一种或两种粘合剂及相应的使用过程，从而简化了制造流程。但是，绝缘涂层并不一定要具备这种功能，单独使用粘合剂也在本发明的保护范围之内。
应用不同的绝缘涂层将外层为黄铜(弹簧黄铜或镀黄铜的弹簧钢)的天线导线在轮胎橡胶内粘合，对其进行粘着强度测试时的结果如图4所示。预先准备的样品天线包括无涂层的导线，有着不同橡胶混合物涂层的导线。这些涂层分别使用了带束(tire belts)、Chemlok(商品名)TS3604-50粘合剂、硅橡胶、丁二烯橡胶、聚对二甲苯C、聚对二甲苯N、Bayer9371(商品名)热塑性聚碳酸脂以及Bayer2608(商品名)热塑性聚碳酸脂(由宾夕法尼亚州匹兹堡拜尔路100号，拜尔公司生产，邮政编码15205)。预先准备的天线固定于由侧壁橡胶和胎体层橡胶混合物的夹层中。固化之后，进行剥离试验，将橡胶从天线上剥离所需的力如图4所示。涂层为带束橡胶混合物、Chemlok(商品名)TS3604-50粘合剂、硅橡胶的天线导线及在胎侧胶中无涂层导线所需剥离力最大。
对比图3和图4的结果，可以发现Chemlok(商品名)TS3604-50粘合剂将绝缘特性(扩大感应距离(read range))和粘附性(剥离强度)两者结合得最好。
为将天线在轮胎或橡胶基质中使用，所作的进一步准备包括对天线再次调节，以调节其嵌入在介电材料中所受的影响。将天线用标准的电热缩管包覆，截为不同的长度，嵌入在固化的或未固化的标准轮胎胎侧胶混合物中进行实验。实验结果如图5所示。同样，不同的天线与作为发送应答器的915MHz RFID芯片相连。横轴为天线的半波长偶极子长度，单位是毫米。纵轴为感应距离，单位是英寸。可以看到，半波长偶极子长度为83mm的天线在大气中(未嵌入到橡胶中时)的感应距离大约为48英寸。在未固化的橡胶混合物中，同样长度的天线的感应距离大约为30英寸。在固化的橡胶混合物中，同样长度的天线的感应距离大约为12英寸。调整半波长偶极子长度至47mm，可使感应距离恢复至41英寸，如图所示，这个配置为最佳。
如图5所示，可通过多次重复来完成调整。或者，应用网络分析程序来确定嵌入在某种特定的橡胶中的天线的实际谐振频率，以减少得出最适长度所需进行重复的次数。
或者，也可在天线与设备之间的馈电点加入容抗来调整天线。
根据本发明将天线嵌入在轮胎或弹性基质中的方法包括下述步骤：制作天线主体、用厚度为至少0.02mm的绝缘涂层(厚度为0.1mm更为合适)涂敷天线主体、及将有涂层的天线主体固化于弹性材料中。进一步的步骤还包括，按上述的流程在将天线嵌入到橡胶材料之前，调整天线的导线。此外还有按照前面所述的性质选择涂层材料的步骤。
可通过反复浸渍建立涂层以形成所预期的层次，这样就可完成对天线主体的涂敷。或者，通过喷涂或其它已知的在线形材料上建立涂层的技术来建立涂层。橡胶涂层可通过喷涂来实现，或者将橡胶混合物制成薄层以便涂敷无线电设备及天线，还可应用其它建立橡胶涂层的技术来实现。
为了便于说明和解释，对本发明的说明选用了较为适合的原理、实施例和结构。本领域的技术人员应该认识到，本发明可能的替代形式或等同形式均处于所附的权利要求书确定的保护范围之内。

Claims (27)

1一种射频设备，该射频设备具有嵌于橡胶材料中的天线，可在130MHz以上频段工作，其包括：
射频设备；
天线主体；及
至少包覆所述天线主体的绝缘涂层，该绝缘涂层的介电常数小于所述橡胶材料的介电常数。
2如权利要求1所述的射频设备，其中的所述涂层厚度至少为0.02mm。
3如权利要求2所述的射频设备，其中的所述涂层厚度至少为0.1mm。
4如权利要求1所述的射频设备，其中所述涂层由聚对二甲苯构成，其厚度至少为0.015mm。
5如权利要求1所述的射频设备，其中所述绝缘涂层的介电常数小于3。
6如权利要求1所述的射频设备，其中所述涂层材料的表面电阻率至少为1012ohms/sq，体积电阻率至少为109ohms*cm，而且耗散因子小于0.03。
7如权利要求1所述的射频设备，其中所述涂层材料从一组材料中选取；这组材料包括电收缩管、热塑性聚碳酸脂、丁二烯橡胶、低碳橡胶、异氰酸酯粘合剂、聚乙烯、绝缘清漆、环氧树脂、TPE醋酸纤维素、聚对二甲苯和绝缘聚酯漆。
8如权利要求1所述的射频设备，其中所述橡胶材料可形成补片用于附于轮胎表面。
9如权利要求1所述的射频设备，其中橡胶材料可形成所述轮胎的一部分。
10一种包含将天线整合于其中的射频设备的轮胎，该轮胎包括胎体加强层及用于上述胎体的橡胶材料层，该天线包括：
可在130MHz以上的频率工作的射频设备；
可与所述射频设备相连的天线主体；及
至少包覆所述天线主体的绝缘涂层，该绝缘涂层的介电常数小于所述橡胶材料的介电常数。
11如权利要求10所述的包含有射频设备的轮胎，其中所述绝缘涂层的厚度为0.02mm以上。
12如权利要求10所述的包含有射频设备的轮胎，其中所述绝缘涂层的厚度至少为0.1mm。
13如权利要求10所述的包含有射频设备的轮胎，其中所述绝缘涂层的介电常数小于3。
14如权利要求10所述的包含有射频设备的轮胎，其中所述涂层材料的表面电阻率至少为1012ohms/sq，体积电阻率至少为109ohms*cm，而且耗散因子小于0.03。
15如权利要求10所述的包含有射频设备的轮胎，其中所述涂层材料从一组材料中选取；这组材料包括电收缩管、热塑性聚碳酸脂、丁二烯橡胶、低碳橡胶、异氰酸酯粘合剂、聚乙烯、绝缘清漆、环氧树脂、TPE醋酸纤维素、聚对二甲苯和绝缘聚酯漆。
16如权利要求15所述的包含有射频设备的轮胎，其中所述涂层材料为聚对二甲苯，所述涂层的厚度至少为0.15mm。
17如权利要求10所述的包含有射频设备的轮胎，其中所述天线可嵌于附于所述轮胎表面的橡胶补片中。
18如权利要求10所述的包含有射频设备的轮胎，其中所述天线可嵌于所述轮胎的一部分结构中。
19如权利要求10所述的包含有射频设备的轮胎，其中所述涂层可由所述轮胎的橡胶材料层构成。
20一种轮胎，该轮胎包含整合于其中的射频设备。该轮胎包括用于上述胎体的胎体加强层及橡胶材料层。所述射频设备包括：
可在130MHz以上的频率工作的无线电设备；
与发送应答器相连的天线主体；其中
天线所嵌入的所述橡胶材料层的介电常数小于3，表面电阻率至少为1012ohms/sq，体积电阻率至少为109ohms*cm，而且耗散因子小于0.03。
21一种将射频天线嵌入到轮胎中的方法，其步骤包括：
制作天线元件；
用绝缘涂层涂敷所述天线元件，所述涂层的介电常数小于弹性材料的介电常数，所述涂层的厚度至少为0.02mm；及
将带有涂层的天线元件嵌入到弹性材料中，以便其同轮胎整合。
22如权利要求21所述的方法，其中所述涂层材料的表面电阻率至少为1012ohms/sq，体积电阻率至少为109ohms*cm，而且耗散因子小于0.03。
23如权利要求21所述的方法，其中涂层材料的厚度至少为0.1mm。
24如权利要求21所述的方法，其中所述涂层材料从一组材料中选取；这组材料包括电收缩管材、热塑性聚碳酸脂、丁二烯橡胶、低碳橡胶、异氰酸酯粘合剂、聚乙烯、绝缘清漆、环氧树脂、TPE醋酸纤维素、聚对二甲苯和绝缘聚酯漆。
25如权利要求21所述的方法，该方法还包括调整所述天线以用于所述弹性材料的谐振频率的步骤。
26如权利要求21所述的方法，其中所述弹性材料为橡胶补片，该方法还包括将所述补片粘附于轮胎表面的方法。
27如权利要求21所述的方法，其中所述弹性材料为轮胎的一部分。
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