CN1953273B - 标签天线、使用该标签天线的标签和射频标识系统 - Google Patents

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Abstract

标签天线、使用该标签天线的标签和射频标识系统。可以消除由于被贴附物体而导致的通信距离差，并且可以提供无论标签的贴附位置即贴附面如何都具有大致相等的通信距离的射频标识系统。用于这种射频标识系统的标签天线用于在射频标识系统中向/从射频标识读取器/写入器发送/接收无线电信号，并具有以馈电点为中心的一对天线振子，并且，当无线电信号的载波波长为λ时，这一对天线振子中的每一个都包括从馈电点起的长度为大约λ/4并具有多个弯折部的偶极部、以及与偶极部的端部相连接的圆极化波产生部。

Description

标签天线、使用该标签天线的标签和射频标识系统
技术领域
本发明涉及一种向/从RFID读取器/写入器进行发送和接收的非接触式标签天线、以及使用该标签天线的RFID系统。
背景技术
RFID(射频标识)系统是可以用读取器/写入器通过以下操作来读取标签中的信息的系统：利用超高频频带(860到960MHz)的无线电信号从读取器/写入器发送大约一瓦特的信号；在标签侧用标签天线接收该信号；用芯片对接收到的信号进行处理；并将响应信号发回读取器/写入器侧。
作为这种系统，已经提出了多种提案。在这些提案中，使用标签天线的结构是公知的(例如，日本特开2004-334432号公报和特开2005-216077号公报)。
尽管取决于标签天线的增益、芯片的工作电压以及周围的环境，但是其通信距离在3m左右。
图1是示出标签的结构示例的图，该标签具有作为天线示例的偶极天线1以及与馈电点相连接的芯片2。换句话说，该标签包括厚度在0.1mm左右的天线1以及与天线馈电点相连接的大规模集成芯片2(大约1mm见方，厚度为0.2mm左右)。
图2示出了该标签的等效电路。天线1可以由并联连接的电阻Ra(例如，500Ω)和电感La(例如，40nH)来等效地表示，而大规模集成芯片2可以由并联连接的电阻Rc(例如，1200Ω)和电容Cc(例如，0.7pF)来等效地表示。
当表示在图3所示的导纳图上时，天线1和大规模集成芯片2分别位于图3所示的A和B表示的位置。因此，通过并联连接天线1和大规模集成芯片2，电容和电感发生谐振，并在如根据公式1可知的期望谐振频率f0匹配，天线1所接收的功率充分地提供给芯片2侧。
f 0 = 1 2 π LC - - - ( 1 )
作为用作标签天线的基本天线，尽管可以想到如图1所示的长度为大约145mm的偶极天线，但是如图3所示，阻抗在频率f＝953MHz处为：实部阻抗Ra＝72Ω，虚部＝0。然而，由于RFID标签天线需要非常高的Ra(500到2000Ω左右)，所以必须增大Ra。
因此，如图4所示，使用具有长度为大约145mm的折叠偶极部3的天线(折叠偶极天线)，众所周知，尽管根据线宽度而发生变化，但是Ra可以增大至大约300Ω至500Ω。
在图3的导纳图中，Ra＝500Ω的示例由图中的C表示。如图5所示，通过将电感4与折叠偶极天线并联连接，使得图3的导纳图逆时针旋转，从而给出与芯片(Bc＝ωCc)相同的绝对值的虚数成分(Ba＝-1/ωLa)。
电感长度越长，La值就越小且旋转量越大。因此，芯片的虚数成分Bc与天线的虚数成分Ba具有相同的幅值，并且抵消和谐振。这种虚数成分的抵消是RFID标签天线设计的最重要的因素。另一方面，尽管希望芯片的电阻Rc与天线辐射电阻Ra匹配，但是这些电阻无需精确地匹配。
为了能够与标签面对的方向无关地进行接收，通常使得标签线性极化并且读取器/写入器侧的天线圆极化(右旋极化或左旋极化，轴比(axial ratio)＝大约0.5到3dBi)。
如上所述，在典型的RFID系统中，由于读取器/写入器侧的天线为圆极化而标签侧为线性极化，所以无论标签的哪一侧通信距离都相同。如果标签被构造为完全圆极化，则尽管在与读取器/写入器侧的圆极化的旋转方向相同的方向上通信距离增大，但是当标签翻转时通信距离由于旋转方向翻转而急剧下降。
在RFID系统中，标签贴附于某种物体以执行读取或写入，当然，用于贴附标签的对象物体具有一定程度的大小。当使用常规的线性极化标签作为标签时，如果试图从与标签的贴附侧相反的背侧进行读取，则被贴附对象的大小使得通信距离减小。
例如，当常规的线性极化标签的通信距离为3m时，如果用于贴附标签的对象物体的厚度为大约1.4m，则尽管从贴附标签侧起的通信距离仍为3m，但是从贴附标签的该对象物体的背侧起的通信距离为3m-1.4m＝1.6m，这在实际中是有问题的。
例如，如果标签具有适当的线性极化成分和适当的圆极化成分，则当标签面对读取器/写入器时，通信距离可以在标签的侧之间有所不同：通信距离在正侧(与圆极化的方向相同的方向)为3.9m，在背侧(与圆极化的方向不同的方向)为2.1m。在以上示例中，如果将距离增大的正侧贴附于被贴附物体，则由于从标签贴附侧起的通信距离为2.1m，从被贴附物体的相反侧起的通信距离为3.9m-1.4m＝2.5m，所以可以使从被贴附物体起的通信距离在实际应用中为大致相同的距离。
然而，具有这种特性的天线并不存在。考虑到实际操作，该天线必须是卡尺寸的程度。在大规模集成芯片2中，电阻Rc(例如1200Ω)和电容Cc(例如0.7pF)必须匹配。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种标签天线以及使用该标签天线的RFID系统，其满足对于以下问题的解决要求：在使用线性极化标签的情况下，如果从与标签贴附侧相反的背侧来读取该标签，则被贴附物体的尺寸使得通信距离减小。
为了实现本发明的以上目的，根据本发明的第一方面，提供了一种用于在RFID系统中向/从RFID读取器/写入器发送/接收无线电信号的标签天线，其包括以馈电点为中心的一对天线振子，其中，当无线电信号的载波波长为λ时，这对天线振子中的每一个都包括：从馈电点起的长度为大约λ/4并具有多个弯折部的偶极部；以及与偶极部的端部相连接的圆极化波产生部。这一对天线振子的各个偶极部可以包括两(2)个平行的线性部以及连接这两(2)个线性部的第三线性部，这两(2)个平行线性部中的一个线性部的端部与馈电点相连接，圆极化波产生部与这两(2)个平行线性部中的另一线性部的端部相连接；并且圆极化波产生部具有第一边与所述两(2)个平行线性部中的所述另一线性部的延伸方向一致并且第二边与第一边垂直的三角形形状。
圆极化波产生部的第二边可以按与偶极部的第三线性部平行的方式面向馈电点。
偶极部的两(2)个平行线性部可以具有λ/16的长度，并且其中第三线性部具有λ/8的长度。
圆极化波产生部的第一边和第二边可以分别具有λ/15至λ/8的长度。
这对天线振子的各个偶极部可以包括两(2)个平行的线性部以及连接这两(2)个线性部的第三线性部，这两(2)个平行线性部中的一个线性部的端部与馈电点相连接，圆极化波产生部与这两(2)个平行线性部中的另一线性部的端部相连接，并且圆极化波产生部形成为第一线性部与所述两(2)个平行线性部中的所述另一线性部的延伸方向一致并且第二线性部与第一线性部垂直的L形。
圆极化波产生部的第二线性部可以按与偶极部的第三线性部平行的方式面向馈电点。这对天线振子的各个偶极部可以包括两(2)个平行的线性部以及连接这两(2)个线性部的第三线性部，这两(2)个平行线性部中的一个线性部的端部与馈电点相连接，圆极化波产生部与这两(2)个平行线性部中的另一线性部的端部相连接，并且圆极化波产生部形成为第一线性部与这两(2)个平行线性部中的所述另一线性部的延伸方向一致并且第二线性部和第三线性部与第一线性部垂直的F形。
圆极化波产生部的第二线性部和第三线性部可以与偶极部的第三线性部平行地面向馈电点。
这对天线振子的各个偶极部可以包括两(2)个平行的线性部以及连接这两(2)个线性部的第三线性部，这两(2)个平行线性部中的一个线性部的端部与馈电点相连接，圆极化波产生部与这两(2)个平行线性部中的另一线性部的端部相连接，并且，圆极化波产生部具有一边与这两(2)个平行线性部中的所述另一线性部的延伸方向一致的矩形形状。
这对天线振子可以是由Cu、Ag和Al中的任一种制成的薄片，并且设置在不导电片上。
为了实现以上目的，根据本发明的第二方面，提供了一种标签，其包括：上述的标签天线；以及设置在该标签天线的馈电点上的大规模集成芯片，该大规模集成芯片具有对来自RFID读取器/写入器的无线电信号执行接收处理并且对RFID读取器/写入器作出响应的通信功能。
为了实现以上目的，根据本发明的第三方面，提供了一种RFID系统，其包括：上述标签；以及用于向该标签发送载波信号的RFID读取器/写入器，该RFID读取器/写入器从标签接收对载波信号的响应以识别标签的信息。
附图说明
通过以下结合附图的详细说明，本发明的以上和其他目的、方面、特征及优点将变得更加显而易见，在附图中：
图1是示出标签的结构示例的图；
图2是示出该标签的等效电路的图；
图3是示出导纳图的图；
图4是描绘带有折叠偶极部的天线的图；
图5是描绘电感与折叠偶极天线并联连接的天线的图；
图6是根据本发明的标签天线的第一实施例结构的平面图；
图7示出了图6的实施例结构的天线的阻抗特性；
图8是定义三(3)个轴X、Y、Z的角度θ和Φ的图；
图9是示出图6的实施例的天线增益和辐射图案的图；
图10是示出图6的实施例的天线的轴比的图；
图11是示出与图6的实施例对应的具体结构的图；
图12是描绘具有图11所示结构的天线的阻抗特性的图；
图13是根据本发明的第二实施例的标签天线的示例的平面图；
图14是描绘第二实施例的标签天线的阻抗特性的图；
图15是示出第二实施例的天线增益和辐射图案的图；
图16是示出第二实施例的天线的轴比的图；
图17是根据本发明的第三实施例的标签天线的示例的平面图；
图18是描绘第三实施例的标签天线的阻抗特性的图；
图19是示出第三实施例的天线增益和辐射图案的图；
图20是示出第三实施例的天线的轴比的图；
图21是根据本发明的第四实施例的标签天线的示例的平面图；
图22是描绘第四实施例的标签天线的阻抗特性的图；
图23是示出第四实施例的天线增益和辐射图案的图；以及
图24是示出第四实施例的天线的轴比的图。
具体实施方式
现在将参照附图来说明本发明的示例性实施例。
第一实施例
图6是根据本发明的标签天线的第一实施例结构的平面图。该标签天线具有以馈电点2为中心的一对天线振子。当无线电信号的载波波长为λ时，这一对天线振子中的每一个都包括：偶极部10，其从馈电点2起的长度为大约λ/4并具有多个弯折部；以及与偶极部10的端部相连接的圆极化波产生部20。
作为卡尺寸(86mm×54mm)程度的天线尺寸，外部尺寸可以在78mm×44mm左右。为了在该尺寸内尽可能地增大天线长度，形成从馈电点2起具有两(2)个90度弯折部的长度为λ/4的偶极部10。天线振子具有通向偶极部10的端部的圆极化波产生部20。
这样，可以如下地认识这对天线振子的各个偶极部10：偶极部10包括两(2)个平行的线性部11、12以及连接这两(2)个线性部11、12的第三线性部13。这两(2)个平行线性部11、12中的每一个的长度都为λ/16，第三线性部13的长度为λ/8。
这两(2)个平行线性部11、12中的一个线性部11的端部与馈电点2相连接，圆极化波产生部20与这两(2)个平行线性部11、12中的另一线性部12的端部相连接。
在图6所示的实施例中，圆极化波产生部20形成为长度A为24mm(大约λ/12)并且宽度B为30mm(大约λ/10)三角形部分。
天线导体的材料是厚度大约20μm的Cu(铜)薄片，标签天线是通过将该天线导体贴附于厚度大约70μm的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)片而形成的。
图7示出了图6的实施例结构的天线的阻抗特性，由市场上可买到的电磁场模拟器获得。如图7所示，阻抗在频率f＝953MHz处为Ra＝1320Ω，La＝38nH，并且可以与设置在馈电点2上的LSI芯片匹配。
三(3)个轴X、Y、Z的角度θ和Φ定义为如图8所示。
如图9所示，天线正面方向(z方向：θ＝0)的天线增益为2.33dBi，辐射图案有些尖锐，并且增益比2.15dBi的常规偶极天线增益稍高。
如图10所示，天线的轴比(AR)为10.2dB(左旋极化)。可以如下地说明天线的轴比。对于圆极化波，当电场的方向在与电波的移动方向垂直的平面内按与其激励频率相等的频率旋转时，将极化波称为圆极化波。
因为旋转方向的不同，所以圆极化波分为左旋圆极化波和右旋圆极化波。尽管可以通过组合振幅相等且彼此相位差为90度的两(2)个线性极化波来实现圆极化波，但是实际上很难实现完全的圆极化波，而是形成椭圆极化波。因此，使用轴比(AR)作为表示与圆极化波的接近程度的指标。轴比值越接近1时，极化波就越接近圆极化波。
假定读取器/写入器侧的轴比是1dBi并且标签的轴比是10dB，如果圆极化方向相同，则预计线性极化标签的通信距离会增大约30％，如果圆极化方向不同，则预计线性极化标签的通信距离会减小约30％。
因此，作为与图6的实施例对应的具体结构，按图11所示的尺寸(78×44mm2)来制造标签天线。结果，当从读取器/写入器侧上的天线(左旋极化，轴比0.7db)发送f＝953MHz的信号时，与常规线性极化标签的通信距离相比，当正面(z方向＝纸张的上侧方向)面对读取器/写入器侧时通信距离减小25％，当背面(-z方向＝纸张的上侧方向)面对读取器/写入器侧时通信距离增大27％。这些数值近似地与上述预测结果一致。
在图11所示的标签天线中，由于通向λ/4长的偶极部10的圆极化波产生部20在从偶极部10的端部延伸的部分具有90度弯折部21，所以组合了纵向电流20a和横向电流20b而产生斜向电流20c，并且在圆极化波产生部20中该电流的方向沿逆时针方向发生旋转。
另一方面，在相对于馈电点2对称的侧也产生逆时针旋转，左旋极化的圆极化成分添加到天线整体。然而，由于偶极部10的线性极化波对天线整体的特性有影响，所以主要成分为线性极化波，通过添加适当的左旋极化成分，可以获得10dB的轴比。
对于阻抗，如图12所示，尽管偶极子(大约为λ/2长＝145mm)通常具有f＝953MHz和阻抗＝72Ω(虚数成分＝0)，但是通常，如果偶极部具有弯折部，则虚部＝0的阻抗例如减小到20Ω。因此，将阻抗描绘得较大，从而史密斯图上的曲线I变为曲线II。
在本发明中，由于天线的整体长度大于λ/2，所以f＝953MHz的点沿顺时针方向旋转到图12所示的点A并且天线辐射电阻Ra增大到1000至2000Ω的程度。这样，可以实现与芯片的匹配。
第二实施例
图13是根据本发明的第二实施例的标签天线的示例的平面图。与图6的实施例中的三角形形状不同，该圆极化波产生部20为L形。如图14所示，阻抗在频率f＝953MHz处为Ra＝1410Ω且La＝40nH，可以和芯片相匹配。
如图15所示，天线正面方向(z方向)的天线增益为2.31dBi，这与图6的实施例大致相同，具有有些尖锐的辐射图案，且增益比2.15dBi的典型偶极天线增益稍大。
如图16所示，该天线的轴比为8.94dB(左旋极化)。与第一实施例相比，圆极化稍强，正面与背面之间的距离差稍大。
这是因为，由于在图13的实施例说明图中的圆极化波产生部20中不存在斜向电流，所以圆极化成分变得更大。
第三实施例
图17是根据本发明的第三实施例的标签天线的示例的平面图。如图所示，与以上实施例不同，该实施例的特征在于圆极化波产生部20被形成为F形。
如图18所示，该实施例中的阻抗在频率f＝953MHz处为Ra＝1600Ω并且La＝43nH，且可以与芯片匹配。如图19所示，天线正面方向(z方向)的天线增益为2.35dBi，辐射图案有些尖锐，增益比2.15dBi的典型偶极天线增益稍高。
如图20所示，该天线的轴比为8.36dB(左旋极化)。较之第二实施例，圆极化更强，正面与背面之间的距离差更大。这是因为，由于圆极化波产生部20为F形并且在横向存在两(2)个电流路径21、22，所以圆极化成分得到进一步增强。
第四实施例
图21是根据本发明的第四实施例的标签天线的示例的平面图。该实施例的特征在于圆极化波产生部20被形成为矩形形状。
如图22所示，阻抗在频率f＝953MHz处为Ra＝1960Ω且La＝39nH，并且可以与芯片匹配。如图23所示，天线正面方向(z方向)的天线增益为2.31dBi，辐射图案有些尖锐，增益比2.15dBi的典型偶极天线增益稍高。
如图24所示，该天线的轴比为12.8dB(左旋极化)。与第一实施例相比，圆极化有些减弱，正面与背面之间的距离差略小。
这是因为圆极化波产生单元20为矩形形状并且电流向多个方向发送。
如上所述，利用轴比为大约10dB的适当圆极化成分，根据本发明的标签天线可以向标签提供在该标签的正面和背面不同的通信距离。因此，可以消除由于被贴附物体而导致的通信距离差，并且可以提供无论标签的贴附位置(面)如何都具有大致相同的通信距离的RFID系统。
标签的尺寸是卡尺寸的程度，这是实用的。由于增益比典型的偶极子稍高，所以较之典型的偶极子，可以使通信距离更长。
尽管本文对本发明的示例性和当前优选的实施例进行了详细说明，但是应该理解，可以按各种不同的方式来实现和采用本发明性的概念，并且应该将所附权利要求理解为包含除了现有技术所限定范围以外的这些变型。

Claims (9)

1.一种标签天线，用于在射频标识系统中向/从射频标识读取器/写入器发送/接收无线电信号，其包括
以馈电点为中心的一对天线振子，
其中，当无线电信号的载波波长为λ时，这一对天线振子中的每一个都包括：
从馈电点起的长度为大约λ/4并具有多个弯折部的偶极部；以及
与偶极部的端部相连接的圆极化波产生部；
其中，所述一对天线振子的各个偶极部包括两(2)个平行的线性部以及连接这两(2)个线性部的第三线性部，
其中，所述两(2)个平行线性部中的一个线性部的端部与馈电点相连接，其中，圆极化波产生部与所述两(2)个平行线性部中的另一线性部的端部相连接，并且
其中，圆极化波产生部具有第一边与所述两(2)个平行线性部中的所述另一线性部的延伸方向一致并且第二边与该第一边垂直的三角形形状。
2.根据权利要求1所述的标签天线，
其中，圆极化波产生部的第二边按与偶极部的第三线性部平行的方式面向馈电点。
3.根据权利要求1所述的标签天线，
其中，偶极部的所述两(2)个平行线性部中的每一个具有λ/16的长度，并且其中，第三线性部具有λ/8的长度。
4.根据权利要求1所述的标签天线，
其中，圆极化波产生部的第一边和第二边分别具有λ/15至λ/8的长度。
5.一种标签天线，用于在射频标识系统中向/从射频标识读取器/写入器发送/接收无线电信号，其包括
以馈电点为中心的一对天线振子，
其中，当无线电信号的载波波长为λ时，这一对天线振子中的每一个都包括：
从馈电点起的长度为大约λ/4并具有多个弯折部的偶极部；以及
与偶极部的端部相连接的圆极化波产生部；
其中，所述一对天线振子的各个偶极部包括两(2)个平行的线性部以及连接这两(2)个线性部的第三线性部，
其中，所述两(2)个平行线性部中的一个线性部的端部与馈电点相连接，其中，圆极化波产生部与所述两(2)个平行线性部中的另一线性部的端部相连接，并且
其中，圆极化波产生部形成为第一线性延伸部与所述两(2)个平行线性部中的所述另一线性部的延伸方向一致并且第二线性延伸部与该第一线性延伸部垂直的L形。
6.根据权利要求5所述的标签天线，
其中，圆极化波产生部的第二线性延伸部与偶极部的第三线性部平行地面向馈电点侧。
7.一种标签天线，用于在射频标识系统中向/从射频标识读取器/写入器发送/接收无线电信号，其包括
以馈电点为中心的一对天线振子，
其中，当无线电信号的载波波长为λ时，这一对天线振子中的每一个都包括：
从馈电点起的长度为大约λ/4并具有多个弯折部的偶极部；以及
与偶极部的端部相连接的圆极化波产生部；
其中，所述一对天线振子的各个偶极部包括两(2)个平行的线性部以及连接这两(2)个线性部的第三线性部，
其中，所述两(2)个平行线性部中的一个线性部的端部与馈电点相连接，其中，圆极化波产生部与所述两(2)个平行线性部中的另一线性部的端部相连接，并且
其中，圆极化波产生部形成为第一线性延伸部与所述两(2)个平行线性部中的所述另一线性部的延伸方向一致并且第二线性延伸部和第三线性延伸部与该第一线性延伸部垂直的F形。
8.根据权利要求7所述的标签天线，
其中，圆极化波产生部的第二线性延伸部和第三线性延伸部与偶极部的第三线性部平行地面向馈电点。
9.一种标签天线，用于在射频标识系统中向/从射频标识读取器/写入器发送/接收无线电信号，其包括
以馈电点为中心的一对天线振子，
其中，当无线电信号的载波波长为λ时，这一对天线振子中的每一个都包括：
从馈电点起的长度为大约λ/4并具有多个弯折部的偶极部；以及
与偶极部的端部相连接的圆极化波产生部；，
其中，所述一对天线振子的各个偶极部包括两(2)个平行的线性部以及连接这两(2)个线性部的第三线性部，
其中，所述两(2)个平行线性部中的一个线性部的端部与馈电点相连接，其中，圆极化波产生部与所述两(2)个平行线性部中的另一线性部的端部相连接，并且
其中，圆极化波产生部具有一边与所述两(2)个平行线性部中的所述另一线性部的延伸方向一致的矩形形状。
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