CN1893183A - 天线及安装有天线的射频识别标签 - Google Patents

Abstract

天线及安装有天线的RFID标签。本发明的RFID标签包括标签天线以及与所述标签天线并联连接的LSI芯片。所述标签天线包括馈电端，LSI芯片与该馈电端连接、与所述馈电端连接的环形天线、以及分流所述环形天线的环路的旁路导线。而且，所述旁路导线的线宽被构成为比所述环形天线的线宽更宽。

Description

天线及安装有天线的射频识别标签

技术领域

本发明涉及一种天线及其上安装有所述天线的标签，更具体地，涉及一种由适用于非接触式标签的环形天线构成的天线以及其上安装有所述天线的RFID(射频识别)标签，所述天线执行向RFID读取器的发送和从RFID读取器的接收。

背景技术

近年来，数据管理系统的引入逐渐普及，其中将存储商品信息的标签附于商品(包括诸如家畜的活体)上，并且以非接触方式读取该信息。

称为RFID(射频识别)系统的系统就是这种系统的一个示例。在RFID系统中，采用UHF波段(860-960MHz)无线电信号，从读/写器中发射约1W的信号。

在标签侧，基于所接收的信号，生成用于启动的电力，并且响应于信号中包括的指令信息，将响应信号从标签侧返回至读/写器侧。由此读/写器侧可以读取存储在标签中的信息。

附于商品上的标签由天线和与该天线连接的功能芯片构成。标签和读/写器之间的通信距离接近3米，当然这取决于嵌入标签中的天线增益、芯片的工作电压以及周围环境。

这里，安装在标签上的LSI芯片20中的接口部分可以等效地由电阻器Rc(例如，电阻＝1000Ω)和电容器C(例如，电容＝0.7pF)的并联连接来表示，如图1所示，其中图解了天线和LSI芯片间的匹配。同时，安装在标签上的天线1(称为标签天线)可等效地表示为电阻器Ra(例如，电阻＝1000Ω)和电感器L(例如，电感＝40nH)的并联连接。

通过并联连接上述两个连接，电容C和电感L谐振。如下述公式(1)所示，虚部为零。这导致了匹配，并从而将标签天线10中的接收功率充分地提供给LSI芯片20侧。

$f=1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}---\left(1\right)$

通常，标签天线10最基本的形式是总长度为λ/2的谐振偶极天线。在UHF波段，所需长度约为150mm。然而，当考虑到例如通过将标签贴在家畜耳朵上来管理家畜的情况时，标签必须被形成为具有35mm量级的直径。

然而，几乎不可能形成具有这种所要求的尺寸的λ/2谐振偶极天线。

因此，如图2所示，考虑使用一种由连接至馈电端3的环形天线1构成的环形天线。该环形天线具有例如在《Antenna Kogaku Handbook》(Kogaku means Engieering；1999年3月5日Ohmsha公司出版)的20-22页中描述的特性。即，可以解释为：在同相的特定电流流入连接至馈电端3的圆形环1的条件下，环的半径越大，功率图案(power pattern)中的波瓣(lobe)数量增加得越多。

如上所述目前在用于RFID系统的标签中，关于芯片20和标签天线10间匹配的最重点在于：如图1所示，在LSI芯片20侧的接口部分中的电容C和标签天线10的电感L在使用频率下谐振。

反之，当标签天线10仅由如图2所示的环形天线构成时，由于没有如图1所示的电感L的部分，故不能满意地实现与LSI芯片20的接口部分的匹配。结果，不能将电力充分地从标签天线10提供至芯片20侧。这造成极度减小了通信距离的不便。

此外，为了处理方便，可以通过将标签天线10置于电介质外壳中作为一个单元来使用。因此，当确定了天线形状时，必须仔细考虑用作外壳的电介质的介电常数及其厚度。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有有限尺寸的标签天线以及安装有上述标签天线的RFID标签，所述标签天线与具有电容元件的RFID的LSI芯片谐振。

在根据本发明的实现上述目的的天线的第一方面中，所述天线包括馈电端、与馈电端连接的环形天线、以及旁路(bypassing)所述环形天线的环路的旁路导线(bypass conductive line)，其中旁路导线的线宽比环形天线的线宽更宽。

在根据本发明的实现上述目的的天线的第二方面中，第一方面中的旁路导线的线宽是使环形天线在环绕方向中产生最大方向性的宽度。

在根据本发明的实现上述目的的天线的第三方面中，第一方面中的旁路导线置于距环形天线中心距离S处，并设定距离S的大小，使得旁路导线的电感器具有预定电感值。

在根据本发明的实现上述目的的天线的第四方面中，第三方面中的预定电感值是与连接至馈电端的LSI芯片中的接口部分的电容值谐振的值。

作为根据本发明的实现上述目的的RFID标签的第一方面，所述RFID标签包括天线以及与所述天线并联连接的LSI芯片。所述天线还包括：馈电端，LSI芯片与该馈电端连接；环形天线，与所述馈电端连接；以及旁路导线，旁路该环形天线的环路，其中所述旁路导线的线宽比所述环形天线的线宽更宽。

作为根据本发明的实现上述目的的RFID标签的第二方面，在RFID标签的第一方面中，旁路导线的线宽是在环绕方向中产生环形天线最大方向性的宽度。

作为根据本发明的实现上述目的的RFID标签的第三方面，在RFID标签的第一方面中，旁路导线置于距环形天线中心距离S处，并设定距离S的大小，使得旁路导线的电感器具有预定电感值。

作为根据本发明的实现上述目的的RFID标签的第四方面，在RFID标签的第三方面中，预定电感值是与连接至馈电端的LSI芯片中的接口部分的电容值谐振的值。

作为根据本发明的实现上述目的的RFID标签的第五方面，在RFID标签的第一方面中，RFID标签还包括置于天线至少一侧的表面上的介电板，用于保持天线。

作为根据本发明的实现上述目的的RFID标签的第六方面，在RFID标签的第三方面中，在介电板中央设置有一通孔。

作为根据本发明的实现上述目的的RFID标签的第七方面，在RFID标签的第六方面中，旁路导线包括沿通孔外围设置的弧，以避开通孔。

作为根据本发明的实现上述目的的RFID标签的第八方面，在RFID标签的第五方面中，介电板包括与环形天线对应的环形槽，其至少具有能够容纳LSI芯片的宽度和深度。

作为根据本发明的实现上述目的的RFID标签的第九方面，在RFID标签的第五方面中，天线由在薄片上的以铜、银或铝作为主要成分的导体形成。

根据本发明，能够提供一种在标签天线直径为35mm量级的极其有限的面积内与具有电容元件的RFID LSI芯片谐振的标签天线以及安装有该标签天线的标签。

此外，当将直径从近35mm变大到例如50mm量级时，通过令旁路导线线宽比环形天线线宽更宽，可以减弱与环绕方向正交的方向上的方向性，并且增强环绕方向的方向性。

结合附图，通过下述对实施例的描述，本发明进一步的范围和特征将更加显见。

附图说明

图1示出了表示天线和LSI芯片间匹配的图。

图2示出了表示常规环形天线的图。

图3示出了表示根据本发明的天线的结构原理的图。

图4示出了表示电感L和从环形天线1中心至旁路导线2的距离S之间的关系的图表。

图5A和5B示出了表示图3中所示的根据本发明原理的实施例(第一实施例)的图。

图6A和6B示出了表示考虑到附于商品上的RFID标签结构的实施例(第二实施例)的图。

图7A和7B示出了表示对于第一实施例考虑到附于商品上的RFID标签结构的实施例(第三实施例)的图。

图8A、8B和8C示出了用于集成构造LSI芯片和标签天线的实施例(第四实施例)。

图9A和9B示出了表示又一实施例(第五实施例)的图。

图10A和10B示出了表示在标签天线一侧上形成电介质的实施例(第六实施例)的图。

图11A和11B示出了表示根据本发明通过电磁场模拟获得的天线方向性特性的图。

图12示出了表示图11中三个轴向x、y、z的定义的图。

图13示出了表示旁路导线线宽比环形天线线宽更宽的实施例(第七实施例)的图。

图14A和14B示出了对于不同的旁路导线线宽，通过电磁场模拟获得的天线方向性特性。

具体实施方式

下面参照图表和附图来描述本发明的优选实施例。然而，需要注意的是，对实施例的描述旨在更好地理解本发明，而本发明的技术范围并不限于下述实施例。

【本发明的原理】

在描述实施例前，将参照图3描述根据本发明的天线的结构原理。图3中，形成连接至馈电端3的环形天线1。此外，在环形天线1内部形成旁路导线作为匹配电感器L。而且，在图3中，S为从环形天线1的中心到所形成的旁路导线2的距离。根据距离S的大小，由旁路导线2引起的电感L的参数(S)发生变化。

图4是示出了电感L与从环形天线1的中心至旁路导线2的距离S之间的关系的图表。图4中所示的数值是借助电磁场模拟器所计算的值。根据图4，可以理解电感L随距环形天线1中心的距离S而变化。因此，通过适当选取距离S，可以设定标签天线10的电感L与LSI芯片20中的接口部分的电容C匹配。

例如，当LSI芯片20中的电容器C的电容为C＝0.7pF，根据上述公式(1)，在f＝950MHz附近，在L＝40nH处产生谐振。在图3的示例中，当天线置于空气中时，采用空气的介电常数εr(＝0)。因此，为了获得L＝40nH，从图4的特征曲线A中可以读出：应设定S＝4.2mm，由此可以获得标签天线10与LSI芯片20的匹配。

另外，通过多次试制和实验，本发明的发明人已经确认在最外侧直径设为33mm作为标签天线10的尺寸、采用铜作为导电材料、厚度20μm、线宽2mm的情况下，天线的并联电阻Ra的电阻值接近1000Ω。因此，即使当LSI芯片20的电阻Rc的实部例如为1000Ω至2000Ω的量级时，仍可以实现充分匹配。

在图3中，可以通过在由环形天线1和旁路导线2构成的天线平面的上面和下面，或在天线平面的任一个面上，形成介电板来保持标签天线10。在这种情况下，根据介电板的介电常数及其厚度来选择参数(S)是理想的。

【第一实施例】

图5A和5B示出了表示根据图3中所示的本发明原理的第一实施例的图。图5A示出了平面图，而图5B示出了中央剖视图。

介电板4、5置于由环形天线1和旁路导线2构成的标签天线10的天线平面的上侧和下侧，从而夹住了标签天线10并保持了标签天线10的形状。为此，介电板4、5由树脂粘接剂等固定，来夹住标签天线10。

在本实施例中，对应于图3中所示的原理图，从环形天线1中间连接旁路导线2，环形天线1与馈电端3相连，从而形成了电感L元件。

至于尺寸，通过实施例的示例，导体材料为铜的环形天线1的直径设为33mm，厚度为20μm且线宽2mm。并且，介电板4、5中的每一个的厚度设为t＝1mm。

当每个介电板4、5由诸如塑料和橡胶的材料形成时，已知介电常数取值约εr＝3到5。因此，当通过电磁场模拟器采用εr＝3和εr＝5获得特性时，各特性由图4中的特性曲线B、C表示。

类似于空气情况(介电常数εr＝0)的特性曲线A，电感L随距离S而变化，其中S为从环形天线1的环中心O至旁路导线2的距离。根据图4所示的借助电磁场模拟器获得的计算值，当在图5A、5B所示的结构中介电板4、5的介电常数为εr＝3时，对应于图4中的特性曲线B。并且，当介电常数为εr＝5时，对应于图4中的特性曲线C。因此，为了与L＝40nH谐振，可以理解应分别将S设定为：在εr＝3情况下，S＝6mm；以及在εr＝5情况下，S＝7.5mm。

【第二实施例】

在上述示例中，有必要考虑一种结构以将RFID标签附于商品上。图6A、6B示出了满足上述要求的第二实施例。在RFID标签的中心处形成通孔6。利用该通孔6，可以将标签附于商品上。

然而，形成在RFID标签中央的通孔6使得旁路导线2与之交叠。在图6A所示的实施例中，为了避免旁路导线2经过通孔6，将旁路导线2构造为具有沿通孔6的外围形成的弧2a。作为电磁场模拟的结果，当固定上述弧2a，并将距旁路导线2的线性导线部分的距离S作为参数时，特性与分别对应于εr＝3和εr＝5的特性曲线B、C一致。

在图6中，当通孔6的半径r1为6.5mm，导体宽为2mm，而距离S被设定为大于[通孔6的半径+导体宽](即，S＞8.5mm)时，例如在类似于第一实施例取芯片电容C＝0.7pF的情况下，根据公式1，在f＝950MHz附近，在L＝40nH处产生谐振。

根据图4，获得L＝40nH所要求的距离S为：εr＝3时，S＝6.1mm；εr＝5时，S＝7.5mm。通过根据相对介电常数选取适当的S，并形成具有图6A、6B所示的结构的天线，则芯片20可以与天线10匹配。

【第三实施例】

图7A、7B示出了同样具有通孔6的第三实施例。与图5A、5B所示的第一实施例的结构相比，通过令通孔6的半径小于从环形天线1的中心至旁路导线2的距离S，则可以形成不必设置图6A中所示的弧2a的结构。

【第四实施例】

在上述实施例中，优选地，LSI芯片20与标签天线10集成构造。图8A、8B示出了满足上述要求的第四实施例。

在图8A中，LSI芯片20连接至由环形天线1和旁路导线2构成的标签天线10的馈电端，各部分与图6A相对应。图8A是安装在介电板5上的标签天线10和LSI芯片20的图。

同时，图8B示出了介电板4，其具有如下特征：设置有与环形天线1对应的环形槽30。槽30的宽度和深度能够容纳具有至少0.5mm左右芯片厚度的LSI芯片20。因此，通过按顺序叠放介电板5、与LSI芯片20连接的标签天线10和介电板4，就可以获得如图8C所示的集成结构。

其特征在于，在叠放时无论LSI芯片20位于何处，由于槽30，在介电板4上都可以保证能容纳LSI芯片20的空间。因此，上介电板4和下介电板5可以彼此准确粘接。由此，当在上介电板4和下介电板5之间夹住标签天线10时，可以减小工作量，使得能够以低成本提供天线单元。

【第五实施例】

图9A、9B示出了第五实施例。在上述各实施例中，作为由环形天线1和旁路导线2构成的标签天线10的制造方法，可以采用铜、银、铝等的薄导体(厚度例如为20μm)进行制造以将其形成在由纸、PET(聚乙烯片)等制成的极薄片40(例如，0.1mm厚)上。或者，代替薄导体，也可以采用丝状导线。

【第六实施例】

另外，在上述各实施例中，已经示出夹在介电板4、5之间的由环形天线1和旁路导线2构成的标签天线10的结构。如图10所示的第六实施例，从保持标签天线10的角度，可以仅在标签天线10的一侧形成介电板4(5)。

图11A、11B示出了表示通过对根据本发明的天线的电磁场模拟获得的天线方向性特性的图。如图12中所示定义了三个轴向x、y和z。此外，将在x-y平面上与x轴的夹角定义为，而将与z轴的夹角定义为θ。

从图11A可以看出，当＝90°，即沿y轴方向时，当与z轴的夹角θ为90°和-90°时获得最大方向性特性。而且从图11B可以看出，当＝0°，即沿x轴方向时，当与z轴的夹角θ为90°和-90°时获得最大方向性特性。图11A和11B总体上表示出相同的方向性特性，具有指向θ＝±90°的方向性，这获得了环形天线特有的结果。

因此，根据上述方向性，可以理解根据本发明的天线具有理想的方向性特性。因此，当具有本发明的天线的RFID标签用作商品的RFID标签时，该RFID标签可用于诸如动物的运动商品中，并具有广阔的应用范围。根据本发明，可以提供一种在标签天线直径为35mm量级的极其有限的面积内与具有电容元件的RFID LSI芯片谐振的标签天线，以及其上安装有该标签天线的RFID标签。

此外，根据本发明，很容易根据旁路导线(其构成具有预先计算的电感L并与LSI芯片中的接口部分的电容C谐振的电感器)的布局、介电板的介电常数及其厚度来确定最优尺寸。

另外，在制造过程中，无论LSI芯片置于何处，都很容易叠放上下介电板。

【第七实施例】

在上述各实施例中，已经示出环形天线1具有直径33mm、厚度20μm和线宽2mm作为标签天线10的各个尺寸的示例情况。上述直径33mm适用于例如将RFID标签附于猪耳上。当可以保证更宽的空间作为标签天线10的附接部时，通过令环形天线1的直径更大，则可以获得更高的增益，从而实现更长的通信距离。这里，当环形天线直径变大时，出现了下述问题。

即，通过令环形天线1的直径增大，环形天线的曲率变小，环形天线1近似直线的程度增大。利用旁路导线2和环路天线1的与旁路导线2距离较窄的直线部分，构成了类似于偶极天线的结构。由此，加强了偶极天线的方向性，并且减弱了图12中x轴方向(即环绕方向)上的方向性，同时加强了与环绕方向(x-y平面方向)正交的z轴方向上的方向性。换言之，尽管环形天线增益整体变大，然而在环形天线固有设置的环绕方向上的方向性减弱。这造成在环绕方向上通信距离缩短的问题。

根据第七实施例，通过令旁路导线2的线宽做成比环形天线1的线宽更宽来解决上述问题。

图13示出了表示第七实施例的图。作为示例，标签天线10的尺寸为：环形天线1直径50mm，线宽5mm，以及厚度20μm；而旁路导线2的线宽为20mm，厚度20μm。即，在第七实施例中，通过令旁路导线2的线宽Wb比环形天线1的线宽Wa更宽，减小了流入旁路导线2的电流密度，从而减弱了近似偶极天线的效应(方向性)。这增强了环形天线在环绕方向上提供的固有的方向性。即使当环形天线1直径增大时，仍可保持在环绕方向上的方向性，并因此保持了长的通信距离。

例如，当考虑将标签天线附于盘子(dish)背面并且多个盘子接连叠放的情况时，各标签天线沿z轴方向相互紧靠放置。在这种情况下，如果沿与各标签天线的环绕方向正交的方向(即，沿z轴方向)上的方向性很强，则来自各标签天线的辐射在z轴方向上相互干涉，这会导致标签天线增益整体下降。于是，也可能缩短在环绕方向上的通信距离。然而，采用根据本发明的标签天线，可以充分降低在与环绕方向正交的方向上的方向性。因此，即使在使得标签天线多片叠放的情况下，仍可在最大程度上保证在环绕方向上的方向性。

图14A、14B是示出通过对根据第七实施例的天线的电磁场模拟得到的天线方向性特性的图。与图12类似，三个轴x、y、z的方向如图12中所示定义，并且在x-y平面上与x轴的夹角定义为，而将与z轴的夹角定义为θ。

在图14A的＝0°和在图14B的＝90°的情况下，在与z轴夹角θ为90°和-90°的方向(即，包括x轴方向和y轴方向在内的环绕方向)上获得最大方向性。应当指出的是，随着旁路导线2的线宽Wb变宽，在环绕方向上的方向性增强。这里，在旁路导线2线宽为20mm和30mm时，两种情况下的方向性基本相同。还可知在线宽20mm时方向性达到饱和状态。因此，根据上述模拟结果，在环形天线1直径为50mm、其线宽为5mm的情况下，旁路导线2的线宽Wb的最优值为20mm量级。

当设定环形天线1的直径继续变大，基于例如图14A、14B所示的电磁场模拟可以获得旁路导线2的最优线宽，使得在环绕方向上产生最大方向性。此外，示于第七实施例中的结构也可以用于上述第一至第六实施例中。

上述对实施例的描述并不意在将本发明限于对图解示例的具体详述中。任何适当修改和等同可视为落入本发明的范围。由所附权利要求来覆盖落入本发明范围内的本发明的所有特征和优点。

本申请基于并要求2005年7月8日提交的在先日本专利申请No.2005-199662的优先权，在此通过引用并入其全部内容。

Claims (13)

1、一种天线，该天线包括：

馈电端；

环形天线，与所述馈电端连接；以及

旁路导线，旁路所述环形天线的环路，

其中所述旁路导线的线宽比所述环形天线的线宽更宽。

2、根据权利要求1所述的天线，

其中所述旁路导线的线宽是使所述环形天线在环绕方向上产生最大方向性的宽度。

3、根据权利要求1所述的天线，

其中所述旁路导线置于距所述环形天线中心距离S处，并且设定所述距离S的大小，使得所述旁路导线形成的电感具有预定电感值。

4、根据权利要求3所述的天线，

其中所述预定电感值为与在连接至所述馈电端的LSI芯片中的接口部分的电容值谐振的值。

5、一种射频识别标签，包括：

天线；以及

与所述天线并联连接的LSI芯片，

其中所述天线还包括：

馈电端，所述LSI芯片与该馈电端连接；

环形天线，与所述馈电端连接；以及

旁路导线，旁路所述环形天线的环路，

其中所述旁路导线的线宽比所述环形天线的线宽更宽。

6、根据权利要求5所述的射频识别标签，

其中所述旁路导线的线宽为使所述环形天线在环绕方向上产生最大方向性的宽度。

7、根据权利要求5所述的射频识别标签，

其中所述旁路导线置于距所述环形天线中心距离S处，并且设定所述距离S的大小，使得所述旁路导线的电感具有预定电感值。

8、根据权利要求7所述的射频识别标签，

其中所述预定电感值为与连接至所述馈电端的LSI芯片中的接口部分的电容值谐振的值。

9、根据权利要求5所述的射频识别标签，还包括：

介电板，置于所述天线的至少一侧的表面上，用于保持所述天线。

10、根据权利要求7所述的射频识别标签，

其中在所述介电板中央设置有通孔。

11、根据权利要求10所述的射频识别标签，

其中所述旁路导线包括沿所述通孔外围设置的弧，用以避开所述通孔。

12、根据权利要求9所述的射频识别标签，

其中所述介电板包括与所述环形天线对应的环形槽，所述环形槽具有至少能够容纳所述LSI芯片的宽度和深度。

13、根据权利要求9所述的射频识别标签，

其中所述天线由在薄片上的以铜、银或铝作为主要成分的导体形成。

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