CN1835283A - 标签天线 - Google Patents

Abstract

放置长度小于天线谐振波长一半的偶极部件以使其卷曲并使馈电部件(11)馈电给芯片。设置用于调节天线电感器的电感部件(12)以使其夹在馈电部件(11)之间。利用卷曲的偶极部件内部的空间设置电感器(12)。通过设置电感部件(12)，能够调节该天线的电感器以使其与连接到馈电部件(11)的芯片的电容在预定的频率谐振。这时，虽然根据计算该天线的辐射电阻变得非常大，但是由于损耗实际上与芯片的电阻几乎相同，并且能够将该天线接收到的功率供给该芯片。

Description

标签天线

技术领域

本发明涉及一种与RFID读出器/写入器进行通信的非接触标签天线。

背景技术

一种系统被称作RFID系统，该系统通过使用UHF频带(860到960MHz)的无线电信号，从读出器/写入器发送大约1W的信号，在标签端接收这个信号并再将响应信号返回到读出器/写入器，使读出器/写入器读取来自标签的信息。虽然根据标签天线增益、芯片工作电压以及周围环境读出器/写入器与标签端之间的通信距离不同，但是通信距离大约是3米。标签包括厚度为10μm到30μm的天线和连接到天线馈电点的LSI芯片。

图1A到图1C是解释传统RFID系统中使用的标签天线的示意图。图2是示出RFID标签天线的等效电路的示意图。图3是示出根据传统标签天线的导纳圆图的分析实例的示意图。

如图2所示，该LSI芯片可以由电阻器Rc(例如，1200Ω)和电容器Cc(例如，0.7pF)的并联连接来等效地表示。这在图3的导纳圆图中标记为圆圈的位置示出。在另一方面，该天线可以由电阻器Rc(例如，1000Ω)和电感器(例如，40nH)的并联连接来等效地表示。通过LSI芯片和天线的并联连接，电容和电感谐振，并如从谐振频率的公式 $f0=1/\left(2\mathrm{\π}\sqrt{\left(\mathrm{LC}\right)}\right)$ 所见，天线和芯片能够在期望的谐振频率f0匹配，并且将天线的接收功率充足地供给芯片端。

作为用作标签天线的基本天线，考虑图1A所示的总长度是145mm的偶极天线。在这种天线中，偶极部件10与馈电部件11连接，从由偶极部件10接收的信号中提取电功率，馈电部件馈电给芯片并将信号本身也发送到芯片。然而，如图3中由三角形所示，如果f＝953MHz，Ra＝72Ω并且虚数部分＝0。然而，由于RFID标签天线的辐射电阻Ra需要大约1000Ω的极高值，所以必须增加Ra。因而，如图1B所示，众所周知实现了总长度大约145mm的折叠偶极天线并且根据线宽可以将Ra增加到大约300Ω到1500Ω。除了图1A中的偶极部件10变为折叠偶极部件10a以外，图1B与图1A相同。图3示出Ra＝1000Ω的实例。此外，如图1C所示，通过将电感部件12并联连接到这个折叠偶极天线，其在导纳圆图中向左旋转并且虚数分量(Ba＝-1/ωLa)的绝对值与芯片虚数分量(Ba＝-ωCc)的绝对值相同。电感器长度越短，La值越小并且旋转量越大。以这种方式，芯片的虚数部分Bc和天线的虚数部分Ba值相同，相互抵消并产生谐振。

这种虚数分量抵消是RFID标签天线设计中最重要的因素。在另一方面，虽然优选为芯片的电阻Rc和天线的辐射电阻Ra匹配，但是它们不必精确地匹配，并且如果他们的比率大约是2或更小，则将天线接收功率供给芯片没有任何问题。

前面描述RFID标签天线的基本设计方法，并且需要设计这样的基本天线以使在设计频率f＝953MHz和虚数部分＝0的点处Ra＝1000Ω和电感器(Ba＝-1/ωLa；La＝40nH)并联连接，该电感器具有与芯片的电纳(Bc＝ωCc；Cc＝0.7pF)相同的绝对值。

参照关于偶极天线的非专利参考文献1。

非专利参考文献1：电子协会，信息与通信工程师，“Antenna KougakuHandbook”(天线工程手册)。Ohmsha有限公司ISBN 4-274-02677-9

然而，因为大约高15mm和大约宽145mm的天线太大并且不切实际，所以有必要微型化。例如，将天线微型化到大约卡片尺寸(86mm×54mm)的一半或四分之一更实际。然而，当天线被微型化时，如果以前述设计方法设计天线，则由于虚数部分＝0的谐振频率的增加与天线的微型化成反比，谐振条件与待和天线谐振的芯片不匹配。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够被微型化的标签天线。

本发明的标签天线由偶极天线和其上安装有芯片的馈电部件构成，该标签天线包括：偶极部件，其长度小于天线谐振波长的一半；馈电部件，其设置在该偶极部件的中心；以及端部件，其设置在该偶极部件的两端，该端部件具有的面积大于该偶极部件的线宽。

能够形成天线长度小于λ/2(λ是天线谐振波长)的小天线，并且能够保持标准λ/2长度折叠天线通信距离的60％到75％的通信距离。此外通过去除不必要的金属成分能够极大地减少天线的成本。

附图说明

图1A-图1C是解释在传统RFID系统中使用的标签天线的示意图；

图2是示出RFID标签天线的等效电路的示意图；

图3是示出通过传统标签天线的导纳圆图分析实例的示意图；

图4是解释本发明第一实施例的示意图(1)；

图5是解释本发明第一实施例的示意图(2)；

图6是解释本发明第一实施例的示意图(3)；

图7是解释本发明第一实施例的示意图(4)；

图8是解释本发明第一实施例的示意图(5)；

图9是解释本发明第一实施例的示意图(6)；

图10是解释本发明第一实施例的示意图(7)；

图11A-图11B是解释本发明第一实施例的示意图(8)；

图12A-图12B是解释本发明第二实施例的示意图(1)；

图13是解释本发明第二实施例的示意图(2)；

图14是解释本发明第二实施例的示意图(3)；

图15是解释本发明第三实施例的示意图(1)；

图16是解释本发明第三实施例的示意图(2)；

图17是解释本发明第三实施例的示意图(3)；

图18是解释本发明第三实施例的示意图(4)；

图19是解释本发明第三实施例的示意图(5)；

图20是解释本发明第三实施例的示意图(6)；以及

图21是解释本发明第三实施例的示意图(7)。

具体实施方式

在本发明的实施例中，通过将电感器并联连接到天线长度小于λ/2的RFID标签天线，λ是天线谐振波长，通过将低于天线谐振频率(频率高于期望频率)的频率点(期望频率)向左旋转直到与LSI芯片匹配的点，在导纳圆图上该天线谐振频率的虚部＝0，该RFID标签天线能够与LSI芯片匹配。这个天线长度优选为大约3/8λ到λ/6。此外，优选为将天线以绕内侧折叠的这种方式进行折叠。通过在内部的空间中形成电感可以将天线长度在有限面积内最大化。可以部分地加宽天线的线宽并且增加面积。此外，考虑到待附着物体的特定介电常数和厚度，选择合适的电感器长度。此外，可以部分地去除具有低电流密度的天线部件的部分。优选为去除缝隙状的形状。此外，去除之后天线部件的形状优选为三角环或矩形环。优选为在具有金属的薄片(纸、胶片、PET)上形成天线，该金属的主要成分是Cu、Ag或Al。

假设RFID标签天线将用在UHF频带。(如果工作频率是2.45GHz，将失去微型化的目的)。

图4到图11是解释本发明第一实施例的示意图。

如图6所示，在面积小于1/4卡片面积的约束下，形成15mm高×48mm宽的偶极(有效总长度，大约116mm＝3/8λ)。图3中的天线具有卷曲的偶极部件10。对这种天线配置进行电磁场仿真，并且当将f＝700MHz到3000MHz的计算结果绘制在导纳圆图上时，形成例如图4细线的轨迹(没有L(电感)的天线)。在虚部＝0处，f＝1340MHz，该频率很大并且Ra＝16Ω，因为该RFID标签天线被微型化。通常，如果该偶极被弯曲，则辐射电阻Ra变得小于普通直偶极的电阻Ra＝72Ω。在这种情况，f＝953MKHz点位于由图4中没有L的天线所表示的三角形示出的位置。然后，如图4所示，通过将电感部件(S2＝30mm)12并联连接到这个偶极，总体上该导纳圆图的轨迹向左旋转。这样，频率特性形成如图4中的粗线(有L的天线)所示的轨迹。这时，当进行电磁场仿真时，f＝953MHz点变为Ra＝8100Ω和La＝40nH。虽然这个点与虚部(电感器)匹配，但是考虑到因为天线辐射电阻Ra＝8100Ω相对于芯片的Rc＝1200Ω太大使被反射的部分很大，所以大部分天线接收功率反弹(rebound)到空气中。

然而，当试验性地生产这种天线(由铜形成35μm厚度的天线)并测量导纳圆图时，如图5所示由于导体中的损耗，发现在导纳圆图上的有L的天线位置相当靠内。这时，证实测量的Ra＝1300Ω和测量的La＝40nH。换句话，实验清楚证明La基本上与电磁场仿真器的值匹配，并且Ra成为接近芯片Rc＝1200Ω的值。以这种方式，我们得到小天线与芯片匹配并且能够将天线接收功率充分地供给该芯片。

这里，因为在本发明中天线的天线长度3/8λ小于辐射效率最高的λ/2天线，所示辐射效率稍微减小，并且此天线的电磁场模拟器计算值是λ/2长折叠偶极的增益＝大约-2.7dBi到增益＝大约2dBi。由于实际生产试验性的天线并比较通信距离，得到的通信距离是λ/2长折叠偶极的60％。然而，从48mm×15mm的小天线得到60％的通信距离对实用目的非常重要。

如图8所示，如果电感长度S2从S2＝24mm变化到33mm，则La值的实际测量值与仿真值匹配得很好，并且如图9所示Ra的实际测量值实际上几乎为常数1200Ω到1300Ω。此外，已知在仿真的增益值大约是-3dBi到-2.5dBi。因而，从这些事实中，当所述Cc值随芯片类型而不同时，如果根据该值适当地选择S2值，则能够得到匹配Cc的La和合适的Ra，并且能够制造具有实际增益的天线。

在前述的总结中，通过将电感器La并联连接到长度小于λ/2的小天线并且根据该芯片的Cc值给出这个电感长度S2的合适长度S2以发生谐振，从而抵消虚数分量。另一方面，因为由于天线的导体损耗该值很接近该芯片电阻Rc，所以天线辐射电阻Ra能够与该芯片匹配得很好。如果只从电磁仿真结果作决定，假定该天线辐射电阻Ra太大并且与芯片不匹配，这样，通常不能考虑本天线设计方法。然而，本制造方法是基于从大量试验生产结果得到的经验数据而发明的。这里，重要的是在本制造方法中芯片的Rc很大，在1000Ω到2000Ω。因为驱动电源也从接收的辐射场中提取，所以选择在RFID标签中使用具有很大电阻Rc的芯片以得到该芯片的工作电压。如果芯片的电阻Rc很小，则考虑由于只有天线的导体损耗，将不能假设既产生谐振又匹配芯片的电阻Rc的天线辐射电阻Ra值。

此外，如图11A和11B所示，偶极形状并不限于前述形状并且可以考虑在高15mm和宽48mm之内的偶极形状。然而，在这些情况下，增益分别是-3.6dBi和-3.0dBi，并且很清楚图7中的天线具有稍高的增益。

图12A到图14是解释本发明第二实施例的示意图。

在RFID中，可以实现将标签天线附着在目标物体上。在这种情况下，因为谐振波长由于所附着物体的特定介电常数(εr)而变化，所以必须很认真地选择最合适的电感。

如图12A所示，使用与第一实施例相同的考虑，形成高10mm和宽60mm(有效总长度，大约75mm＝λ/4)的偶极并使用电磁仿真和试验产品测量进行设计。假定该天线所附着的物体厚度为t＝1mm并且特定的介电常数为εr＝1、3或5(空气是εr＝1，塑料是εr＝3到4，以及橡胶是εr＝4到5)。结果，该天线的电感器La与电感长度S2的数值如图13中所示。因为从第一实施例得知电感的实际测量值和仿真值几乎匹配，所以这个仿真值是可靠的。此外，从天线的试验产品的结果中得到，不管S2值为多少，该天线的辐射电阻是Ra＝1270Ω。此外，增益的仿真值是图14中所示的数值。这里，εr越大，增益越大，因为εr越大，波长变得越短，并且从变短的波长看天线长度看起来更长并更接近具有很高辐射效率的λ/2的长度。然而，在介电常数的介电损耗是Tanδ＝0.001的假设下进行计算，因而，介电常数对天线增益几乎没有影响。然而如果介电损耗很大，则增益可以下降。

为使天线的电感器值La变为40nH，该值与图13中Cc＝0.7pF芯片匹配，如果只使用天线，或者换句话说，当天线没有附着在任何地方时，则从εr＝1的曲线中选择S2＝22mm。如果该天线附着在厚度1mm的物体上并且εr＝3，则应该选择S2＝20mm，并且如果该天线附着在厚度1mm的物体上并且εr＝5，则S2＝18mm。

由于实际试验性地生产S2＝20mm的天线，将它附着在厚度1mm的塑料物体上，并测量通信距离，便得到的通信距离是λ/2折叠偶极的65％。虽然通信距离变得更短，但是距离10mm×60mm小天线的65％的通信距离是非常实用的。

虽然在本发明中假设将天线的一个表面被附着的实例，例如，天线涂覆有树脂等，但是介电材料存在于天线的两个表面，因而，如果假设在天线的两个表面都有介电材料而通过电磁仿真器得到La值与S2值的数据，则能够使用与本实施例相同的方法设计天线。此外，虽然假设厚度是1mm，即使厚度比假设的厚，通过考虑厚度利用该电磁仿真器足以进行计算。

此外，可以使本实施例中使用的天线形状成形为如图7和图11中所示的第一实施例的天线。

图15到图21是解释本发明第三实施例的示意图。

如图15所示，假设大小是卡片大小的一半，形成高37mm和宽48mm(有效总长度，大约110mm＝3/8λ)的蝴蝶结形状的偶极，并且使用与第一实施例相同的考虑，利用电磁仿真和试验产品测量进行设计。结果，La值成为图16所示的电感器长度S1的函数。因为从第一实施例得知电感器的实际测量与仿真值几乎匹配，所以这个仿真值是可靠的。此外，从天线的试验产品的结果得到，不管S1值为多少，天线辐射电阻是Ra＝1150Ω。此外，增益的仿真值是图14所示的值。因为该偶极部件的面积比第一和第二实施例所示的天线面积大，所以增益增加。

为了实现La＝40nH，从图16中选择S1＝12.7mm。

由于实际试验性地生产S1＝12.7mm的天线并测量通信距离，便得到75％的λ/2折叠偶极的通信距离。虽然通信距离减小，但是距离37mm×48mm的小天线75％的通信距离是非常实用的。

这里有一种方法用于在形成天线时将混合银膏的导电墨水印制到胶片等上。在这种情况下，如果银膏的数量很大，则天线的成本变得很高。这样，如图18所示，考虑通过切下几乎无电流流过的天线部分来形成天线。在图18中切下蝴蝶结部件13。通常，因为高频电流集中在导体的边缘部分，所以当金属面积很大时即使将接近中心的金属切掉，对天线特性也几乎没有影响。特别地，对于象这种具有很大金属面积的蝴蝶结形状的天线非常有效。如前述，如图19和图20所示，确定La值和增益。因为保留了足够数量的电感的金属部分，所以能够得到与被切成三角形之前图15中的天线几乎相同的La值。增益值不是问题因为只减少了大约0.2dB。通过这种三角形切割，金属部分的面积从920[mm²]减少到540[mm²]，并且能够保持与原来的天线特性几乎相同的天线特性，即使导电墨水的量大大减少。

由于实际试验性地生产S2＝12.5mm的天线并测量通信距离，便得到75％的λ/2折叠偶极的通信距离。虽然通信距离减小，但是距离37mm×48mm的小天线75％的通信距离是非常实用的。

此外，虽然在本实施例中将金属部分切成三角环，但是也能够切成如图21所示的狭缝。在图21中，使用一种是通过将蝴蝶结部件13切成狭缝而不是完全去除那些部分来确保增益的方法。

此外，用于去除电流不集中的部分的方法对例如图7和图12A中所示的天线也有效。此外，除了例如本实施例中所示的那些形状的天线，用于去除电流不集中的部分的方法非常有效。

在将导电墨水印制到胶片上的制造方法中，在具有金属的薄片(纸、胶片或PET)上形成天线，该金属的主要成分是Cu、Ag或Al。关于制造方法的细节参照美国专利No.6,259,408。

Claims (14)

1.一种由偶极天线和其上安装有芯片的馈电部件构成的标签天线，该标签天线包括：

偶极部件，其长度小于天线谐振波长的一半；

馈电部件，其设置在所述偶极部件的中心；以及

端部件，其设置在所述偶极部件的两端，该端部件具有的面积大于所述偶极部件的线宽。

2.一种由偶极天线和其上安装有芯片的馈电部件构成的标签天线，该标签天线包括：

偶极部件，其长度小于天线谐振波长一半；

馈电部件，其设置在所述偶极部件的中心；

电感部件，其形成如环包所述馈电部件，与所述馈电部件一起设置在所述偶极部件的中心，并且其两端与所述偶极部件连接；以及

端部件，其设置在所述偶极部件的两端，该端部件具有的面积大于所述偶极部件的线宽。

3.如权利要求1和2其中之一所述的标签天线，其中：

所述偶极部件的两端被折叠。

4.如权利要求1和2其中之一所述的标签天线，其中：

所述偶极部件的两端被折叠以使它们相互靠近。

5.如权利要求1和2其中之一所述的标签天线，其中：

使所述偶极部件成形为如同蝴蝶的翅膀。

6.一种标签天线，其连接到芯片并向所述芯片供给信号和功率，该标签天线包括：

偶极部件，其长度小于天线谐振波长的一半；以及

在该偶极部件中的电感部件，其具有一定长度以调节所述标签天线的导纳圆图，从而使所述标签天线的导纳圆图的虚部与所述芯片的导纳圆图的虚部具有相同的绝对值；

其中在所述偶极部件中，所述偶极部件因损耗，其辐射电阻变得与所述芯片的电阻几乎相同。

7.如权利要求6所述的标签天线，其中：

通过绕内侧折叠形成所述偶极部件。

8.如权利要求7所述的标签天线，其中：

所述电感部件形成在所述偶极部件的内侧空间中。

9.如权利要求8所述的标签天线，其中：

所述偶极部件的该长度比该电感部件长。

10.如权利要求6所述的标签天线，其中：

根据所述标签天线所附着的物体的特定介电常数和厚度来确定所述电感部件的长度。

11.如权利要求6所述的标签天线，其中：

所述偶极部件的线宽被部分加宽。

12.如权利要求11所述的标签天线，其中：

所述偶极部件被形成为部分切掉具有低电流密度的偶极部件部分。

13.如权利要求12所述的标签天线，其中

所述偶极部件被切成狭缝。

14.如权利要求2所述的标签天线，其中：

所述偶极部件和所述电感部件是采用如印制工艺相同的步骤制成，该印制工艺为采用其主要成分是铜、银或铝的金属液体，将偶极部件和电感部件印制在由纸、胶片或PET材料构成的薄片上。

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