ES2291903T3 - Antenas auto-compensadas para substratos que tienen valores de constante dilectrica diferentes. - Google Patents

Abstract

Un sistema de comunicación inalámbrico que comprende: un dispositivo de comunicación inalámbrico (32); y un sistema de antena (10, 28, 40) que incluye al menos una lengüeta conductora (12, 30, 42), y que incluye uno o ambos de lo siguiente: (a) una pluralidad de componentes eléctricos seleccionados para formar una red de adaptación de la impedancia, acoplados a al menos una lengüeta conductora y al dispositivo de comunicación inalámbrico, donde los componentes eléctricos interactúan eléctricamente con cualquiera de los materiales dieléctricos diferentes en la proximidad al sistema de antena, para auto-compensar las diferentes características eléctricas de los diferentes materiales dieléctricos, para mantener una adaptación substancial de la impedancia entre el sistema de antena y el dispositivo de comunicación inalámbrico; y, (b) un elemento estructural que forma un circuito trampa de derivación selectiva de la frecuencia (44) formado en la lengüeta conductora y que interactúa eléctricamente con cualquiera de los materiales dieléctricos diferentes en la proximidad al sistema de antena, para auto-compensar las diferentes características eléctricas de los diferentes materiales dieléctricos, para mantener una adaptación substancial de la impedancia entre el sistema de antena y el dispositivo de comunicación inalámbrico.

Description

Antenas auto-compensadas para substratos que tienen valores de constante dieléctrica diferentes.

Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención

Esta invención se relaciona generalmente con el campo de las etiquetas y los rótulos de Identificación por Radio Frecuencia (RFID), y, en particular, con las etiquetas y los rótulos de Identificación por Radio Frecuencia (RFID) que incluyen una estructura de antena auto-compensada que se auto-compensa para el material al cual esta unida para mantener una adaptación substancial de la impedancia con un material tal que permita un desempeño eficiente de la etiqueta.

2. Descripción del arte anterior

No existe ninguna definición simple de qué constituye una antena, ya que todos los objetos conductores y dieléctricos interactúan con campos electromagnéticos (ondas de radio). Lo que generalmente llaman antenas son simplemente formas y tamaños que generan un voltaje a una impedancia conveniente para la conexión con circuitos y dispositivos. Casi cualquier cosa puede actuar en un cierto grado como antena. Sin embargo, hay algunas dificultades prácticas en qué diseños se pueden utilizar con las etiquetas y los rótulos de RFID.

Primero, la reciprocidad es una consideración importante en la realización de una selección del diseño. Esto significa que una antena que actuará como transmisor, convirtiendo un voltaje en su(s) terminal(es) en una onda electromagnética radiada, también actuará como un receptor, donde una onda electromagnética entrante provocará/inducirá un voltaje a través de los terminales. Frecuentemente es más fácil describir el caso de la transmisión, pero, en general, una buena antena de transmisión también trabajará bien como una antena de recepción (como todas las reglas, hay excepciones a frecuencias más bajas, pero para UHF, en la banda de 900 MHz y por encima donde las etiquetas y los rótulos de RFID operan comúnmente, esto generalmente se cumple).

Sin embargo, incluso dado lo anteriormente mencionado, es difícil determinar cuál es una "buena" antena además de requerir que sea una que hace lo que usted quiere, donde usted quiere y se construye como usted quiere que sea.

Sin embargo, hay algunas características que son útiles como guías en la determinación de si una antena es "buena" o no para un propósito particular. Cuando uno realiza una conexión a una antena, uno puede medir la impedancia de la antena a una frecuencia dada. La impedancia se expresa generalmente como un compuesto de dos partes; una resistencia, R, expresada en ohmios, y una reactancia, X, también expresada en ohmios, pero con un factor "j" enfrente para expresar el hecho de que la reactancia es una cantidad vectorial. El valor de jX puede ser tanto capacitivo, donde es un número negativo, o inductivo, donde es un número positivo.

Habiendo establecido qué ocurre cuando uno mide la impedancia de una antena, uno puede considerar el efecto de las dos partes en la conveniencia o el desempeño de la antena en una situación particular.

La resistencia R está realmente compuesta de dos cosas; la resistencia de pérdida de la antena, representando la tendencia de cualquier señal aplicada a ella que será convertida en calor, y la resistencia de radiación, representando la energía que se "pierde" de la antena por ser radiada, lo cual es lo deseado en una antena. La relación de la resistencia de pérdida y de la resistencia de radiación se describe como la eficiencia de la antena. Una antena de baja eficiencia, con una resistencia de pérdida grande y una resistencia de radiación relativamente pequeña, no funcionará bien en la mayoría de las situaciones, pues la mayoría de cualquier energía puesta en ella aparecerá simplemente como calor y no como ondas electromagnéticas útiles.

Los efectos de la Reactancia X son levemente más complejos que aquellos para la Resistencia R. La reactancia X, la reactancia inductiva o capacitiva de una antena, no disipa energía. De hecho, puede ser disminuida, introduciendo un circuito resonante en el sistema. Simplemente, para un valor dado de +jX (un inductor), hay un valor de -jX (un condensador) que lo resonará/cancelará, dejando solamente a la resistencia R.

¿Cuál es entonces el problema? El problema es el ancho de banda, descrita con frecuencia usando el término Q (originalmente Factor de Calidad). Para entender el efecto, no es necesario entender las matemáticas; simplemente, si una antena tiene un valor de +jX o -jX que representa una inductancia o una capacitancia grande, cuando uno resuena esto se convertirá en solamente una resistencia pura sobre una banda de frecuencia muy estrecha. Por ejemplo, para un sistema que opera sobre la banda de 902 MHz a 928 MHz, si una antena altamente reactiva fuera empleada, esta pudiera producir solamente la R deseada sobre unos pocos megahertz. Además, las soluciones de adaptación de gran Q/banda estrecha son inestables, debido a que las variaciones muy pequeñas en los diseños o valores componentes provocarán grandes cambios en el desempeño. Por lo tanto, las soluciones de banda estrecha de Q grande son frecuentemente evitadas en los diseños prácticos de las etiqueta de RFID.

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Una etiqueta de RFID, consiste, generalmente, de dos partes eléctricamente activas.

1) El chip de RFID, que contiene los rectificadores para generar una C.D.: fuente de alimentación de la señal entrante de RF, lógica para llevar a cabo la función de la identificación y un modulador de la impedancia, que cambia la impedancia de la entrada para provocar una señal modulada a ser reflejada; y,

2) Una antena como se describió anteriormente.

Este arreglo se puede representar gráficamente como dos bloques 54, 56 respectivamente, con dos terminales cada uno, como es mostrado en la Figura 4, cada uno con una impedancia asociada.

Si la impedancia del chip (que tiende a ser capacitiva) y la impedancia de la antena (la cual es cualquiera que haya sido diseñada) es la conjugación de una con respecto a la otra, entonces uno puede conectar simplemente el chip a través de la antena y se crea una etiqueta útil. Para los chips comunes de RFID la capacitancia es tal que una adaptación de un ancho de banda adecuado de Q razonablemente bajo se puede alcanzar a frecuencias UHF.

Sin embargo, a veces no es tan simple satisfacer las demandas operacionales para la etiqueta debido a las restricciones ambientales o de fabricación, y entonces otras maneras de alcanzar una buena adaptación deben ser consideradas. El método más común de mantener una adaptación deseada de la impedancia, es colocar entre la antena y el chip una red de adaptación de la impedancia. Una red de adaptación de la impedancia es generalmente una red de inductores y condensadores que actúan para transformar las partes verdaderas y reactivas de la impedancia de entrada a un nivel deseado. Estos componentes no incluyen normalmente a los resistores, ya que éstos disipan la energía, lo que conducirá generalmente a bajar el desempeño.

El problema es demostrado describiendo qué le puede suceder a una etiqueta no-adaptativa como es ilustrado en la Figura 5 en una situación del "mundo real".

La Figura 5 ilustra una estructura simple como un dipolo de media-onda 58 sobre una hoja delgada de poliéster 60, de 100 pm. Cada brazo 62 es un cuarto del largo de la longitud de onda. A 915 MHz en el aire, esto sería 82 mm. Las longitudes de los dos conductores y sus anchos se establecen de modo que la antena, cuando el rótulo es mantenido en el espacio libre (ningún objeto dieléctrico o conductor a una distancia de alrededor de 3 m), y la constante dieléctrica relativa del ambiente es 1 (aire), la impedancia de la antena está en una perfecta adaptación de conjugación con el chip 64. También si se asume que los conductores tienen una resistividad baja y están hechos de un cobre relativamente grueso, la resistencia de radiación de la antena domina la parte resistiva de su impedancia. De esta forma, la antena tiene buena eficacia. Por lo tanto, cuando uno intenta leer esta etiqueta iluminándola a una distancia con una fuente de RF, trabaja de manera no sorprendente absolutamente bien, y, a frecuencias y energía adecuadas con los chips comunes de RFID existe un rango de aproximadamente 3 m.

Ahora si el ambiente es cambiado, como es mostrado en la Figura 6, la etiqueta "perfecta" descrita anteriormente en la Figura 5, ahora ha sido pegada a un bloque de plástico 66, de 30 mm de grosor con una constante dieléctrica de 2.5, y no una constante dieléctrica de 1 como en el aire.

Ahora si uno intenta leer esta etiqueta, el rango de lectura no se encuentra más a los 3 m, sino que en su lugar es de 0.5 m.

Este cambio en el rango de lectura es provocado por el hecho de que el diseño original de la antena estaba basado en la presunción de que la antena estaba en el aire teniendo una constante dieléctrica de 1, y montada en una muy pequeña, capa delgada de plástico, que cambia solamente la constante dieléctrica efectiva que la antena "ve" en una cantidad pequeña. Por lo tanto, si uno quisiera que los brazos de la antena fueran un cuarto del largo de la longitud de onda, la fórmula siguiente sería aplicada:

c (velocidad de la luz, aproximadamente 3 x 10^{8} m/s) = f (frecuencia de operación Hz). \lambda (longitud de onda en m).

Ahora sin embargo, pegada a un bloque de un material de una constante dieléctrica más alta, la antena no está operando más en un medio que tiene una constante dieléctrica de 1. La constante dieléctrica efectiva del bloque puede variar con valores entre 1 y 2.5. Para los propósitos de la ilustración, se dejará que la antena "vea" una constante dieléctrica de 2. La velocidad de la luz c no es más de 3 x 10^{8} m/s en este medio. Está realmente reducida por la raíz cuadrada de la constante dieléctrica relativa, y ahora es 2.12 x 10^{8}. Puesto que c ha caído, a una frecuencia dada, también lo ha hecho la longitud de onda \lambda, pero el eje de la antena sigue siendo de la misma longitud. Un cuarto de la longitud de onda es ahora aproximadamente 58 mm, pero la antena tiene elementos que tienen 82 mm de longitud. Por lo tanto la impedancia presentada al chip por la antena no será más una adaptación de conjugación, y la energía entrante se pierde por la reflexión, explicando la reducción en el rango de lectura para la etiqueta.

Si las etiquetas fueron diseñadas para ser fijadas a los bloques de plástico de 30 milímetros, y los bloques tienen siempre la misma constante dieléctrica y tamaño, las etiquetas se pueden hacer con brazos conductores de 58 milímetros de largo y el rango volverá hasta cerca de los 3 metros.

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¿Pero qué pasaría si éste no fuera el caso? ¿Qué pasaría si las etiquetas van a ser utilizadas con los bloques que son siempre de 30 milímetros de grosor, pero la constante dieléctrica de los bloques varía de 2 a 7 de una manera imprevisible, que no puede ser controlada por adelantado? Algunas veces el diseño de los brazos de 58 mm trabajará muy bien. La mayoría de tiempo no lo hará, debido a que el chip y la antena tendrán incorrectamente una mala adaptación, debido al cambio de la constante dieléctrica efectiva, y por lo tanto de la longitud de onda.

Si cada etiqueta pudiera ser sintonizada individualmente, es decir, ajustar la longitud del brazo y/o añadir una red de adaptación, que consiste de inductores y condensadores ajustables, la etiqueta se podría hacer para trabajar sin importar la constante dieléctrica del bloque, pero eso no sería práctico desde una perspectiva de negocio.

Por lo tanto, para las etiquetas de estilo rótulo delgadas diseñadas para ser unidas a los productos, el desempeño de la etiqueta cuando está desplegada realmente en un producto específico es una característica crítica importante, si no la más importante, del dispositivo. De acuerdo a lo anteriormente discutido, los diseñadores optimizan con frecuencia el desempeño de la etiqueta para el "espacio libre", una referencia dada generalmente de una constante dieléctrica relativa nominal de 1. Sin embargo, en el mundo real, los objetos a los cuales las etiquetas están unidas con frecuencia no tienen una constante dieléctrica de 1, sino que por el contrario tienen constantes dieléctricas que varíen ampliamente. Por ejemplo, un rótulo que tiene una antena dipolo diseñada y optimizada para el "espacio libre" que en su lugar es unida a un objeto que tiene una constante dieléctrica que difiere de aquella del "espacio libre" sufrirá un desempeño degradado, manifestándose generalmente como un rango operacional reducido y otras ineficacias de acuerdo a lo anteriormente discutido.

Por lo tanto, mientras que los productos que tienen substratos con constante dieléctrica fija diferente pueden ser acomodados cambiando el diseño de la antena del diseño de "espacio libre" para incorporar la nueva constante dieléctrica, este cambio de diseño fuerza al fabricante de la etiqueta a producir una gama más amplia de etiquetas o de rótulos, potencialmente un tipo diferente para cada producto objetivo para el cual la etiqueta pueda ser aplicada, esto provoca
un aumento de los costos y lleva a un problema de almacenamiento de inventario para los fabricantes de las etiquetas.

Cuando las etiquetas deben ser utilizadas en diferentes tipos de materiales que tengan un rango de constantes dieléctricas variable, el mejor desempeño del diseño que se puede alcanzar por el diseñador de la etiqueta o del rótulo es diseñar o sintonizar la etiqueta para el valor promedio del rango de las constantes dieléctricas y aceptar el desempeño degradado y las posibles fallas provocadas por la desintonización significativa en casos específicos.

La presente invención está relacionada con y soluciona los problemas que se presentan en procurar diseñar y fabricar una estructura de una antena para el uso con una etiqueta o rótulo de RFID que debe ser montada en superficies que tienen una rango amplio de constantes dieléctricas.

Específicamente, mientras que es imposible que puedas ser hecha una etiqueta que compensaría perfectamente todos los valores de la constante dieléctrica, la presente invención está dirigida a resolver los problemas que se presentan en procurar diseñar y fabricar una etiqueta capaz de trabajar en una variedad de materiales que tienen un rango de valores de la constante dieléctrica para mantener una alta eficiencia del desempeño de la etiqueta o el rótulo.

Sumario de la invención

Es un objeto de la presente invención proporcionar una etiqueta o rótulo de RFID que es capaz de trabajar en una variedad de materiales que tienen un rango de valores de la constante dieléctrica.

La invención se incorpora, generalmente, a un sistema de etiquetado electrónico en combinación con un material dieléctrico y comprende un material dieléctrico y un sistema de comunicación inalámbrico que es montado en proximidad eléctrica al material dieléctrico. El sistema de comunicación inalámbrico incluye tener un dispositivo de comunicación inalámbrico asociado con un sistema de antena que tenga por lo menos una lengüeta conductora, que incluye uno o ambos de los siguientes:

(a) una pluralidad de componentes eléctricos que son seleccionados para formar una red de adaptación de la impedancia, que están acoplados a la lengüeta conductora y al dispositivo de comunicación inalámbrico. Los componentes eléctricos interactúan eléctricamente con el material dieléctrico para mantener una adaptación substancial de la impedancia entre el sistema de antena y el dispositivo de comunicación inalámbrico; y,

(b) un elemento estructural que forma un circuito trampa de derivación selectiva de la frecuencia formado en la lengüeta conductora y que interactúa eléctricamente con el material dieléctrico para mantener una adaptación substancial de la impedancia entre el sistema de antena y el dispositivo de comunicación inalámbrico.

El sistema de comunicación inalámbrico de la invención en una realización preferida incluye tener el sistema de antena montado directamente sobre el material dieléctrico que comprende un substrato dieléctrico.

En aún otra realización preferida alternativa la invención incluye adicionalmente tener el sistema de antena del sistema de comunicación inalámbrico de la invención montado sobre una capa soporte intermedia entre el material dieléctrico que comprende un substrato dieléctrico y el sistema de antena, la capa soporte estando unida al substrato dieléctrico.

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 es una antena dipolo idealizada en el espacio libre;

La Fig. 2 es un condensador mostrado montado sobre un material dieléctrico;

La Fig. 3 es una estructura de la antena que incorpora la presente invención para reducir su longitud efectiva cuando la constante dieléctrica del material en el cual se monta varía;

La Fig. 4 es un diagrama en bloques de una etiqueta de RFID;

La Fig. 5 es un diagrama en bloques de una etiqueta de RFID no-adaptativa idealizada montada sobre un material que tiene un valor pequeño de la constante dieléctrica;

La Fig. 6 es un diagrama en bloques de una etiqueta de RFID no-adaptativa montada sobre un material que tiene un valor de la constante dieléctrica más grande que aquel del material de la Fig. 5;

La Fig. 7 es un condensador inter-digital;

La Fig. 8 es una vista en sección transversal tomada a lo largo de la línea 7-7 de la Fig. 7 en la dirección mostrada;

La Fig. 9 es una vista en sección transversal similar a la de la Fig. 8 donde el condensador está montado en un material más grueso que aquel del condensador de la Fig. 8;

La Fig. 10 es un inductor de tipo meandro;

La Fig. 11 es una estructura de la etiqueta de RFID que incorpora la presente invención y que usa los inductores de tipo meandro;

La Fig. 12 es una estructura de la etiqueta de RFID que incorpora la presente invención similar a aquella mostrada en la Fig. 11 donde la etiqueta es montada en un material más grueso que aquel de la etiqueta de la Fig. 11; y,

La Fig. 13 es una etiqueta de RFID que incorpora la presente invención y que incorpora una estructura plegada de una antena dipolo.

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Descripción detallada de la invención

De lo anterior ha sido establecido que, si cada etiqueta pudiera ser sintonizada individualmente, usando inductores y condensadores variables, o cambiando la longitud de los brazos, la etiqueta se podría hacer para trabajar sobre cualquier bloque de material que tenga una constante dieléctrica. Eso no se puede hacer en la práctica, pero si el valor y la naturaleza de los condensadores y de los inductores en la red de adaptación están impresos cerca de la antena, y los elementos que ajustan la longitud de los brazos, son una función de la propia constante dieléctrica del substrato, con un diseño apropiado, la etiqueta podrían entonces ajustarse a si misma.

Para ilustrar adicionalmente los conceptos y las realizaciones preferidas de la presente invención, considerar como un ejemplo ilustrativo, una antena de dipolo media-onda simple 10 como es mostrado en la Fig. 1. En el espacio libre, en su forma más simple, la antena operará eficientemente en la frecuencia donde los dos elementos 12 son de igual longitud y son un cuarto de una longitud de onda en el medio en el cual es colocada. La impedancia Z de tal estructura de la antena es 77ohms resistiva.

Sin embargo, si fuéramos a tomar esta antena y colocarla en una superficie de un grosor y de una constante dieléctrica dada, la antena cambiaría sus características de operación. La naturaleza exacta del cambio en las características de operación dependerá de la antena específica, pero, en general, el rango de frecuencia de operación óptimo de la antena será reducido. El cambio se manifiesta de un número de maneras: La antena se hace reactiva.

La resistencia de radiación cambia, y puede provocar la caída de la eficiencia de la antena, expresada como la relación de la resistencia de radiación a la suma de la resistencia de pérdida y la resistencia de radiación.

Como resultado de lo anteriormente mencionado, la adaptación de la impedancia entre la antena y el chip de RFID se degradará; conduciendo a la pérdida por desadaptación y por lo tanto a la pérdida del rango óptimo de operación de la frecuencia para la estructura de la antena.

Para atenuar los efectos anteriores, dos métodos principales están disponibles:

1) Introducir una red de adaptación de la impedancia entre el chip y la antena, cuya impedancia adapta a los dos, maximizando la transferencia de energía entre el chip y la antena.

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2) Cambiar la longitud efectiva de la antena de manera que permanezca en la condición resonante. Estos métodos pueden ser usados por separado, o se pueden usar en combinación para formar un híbrido de los dos.

Considerar la antena como un dispositivo de dos terminales con una impedancia compleja Z_{a}; el chip de RFID es también un dispositivo de dos terminales con una impedancia compleja Z_{c}. Para la transferencia óptima de energía los dos deben estar adaptados; es decir, Z_{a} "ve" la conjugación compleja de sí misma. Para transformar Z_{c} en la conjugación compleja de Z_{a} la invención proporciona una estructura de elementos llamada una red de adaptación de la impedancia. Una red de adaptación de la impedancia puede consistir en una amplia variedad de elementos concentrados (condensadores, inductores, transformadores) o elementos de línea de transmisión; para este caso de ejemplo no limitativo consideraremos solamente los elementos concentrados, ya que éstos son más compactos y más fáciles de modelar y discutir que los elementos de línea de transmisión.

Para hacer una red de adaptación de la impedancia que altere sus características con la constante dieléctrica y el grosor del material del substrato en el cual se monta, la invención utiliza preferiblemente algunos mecanismos básicos. El más básico, un condensador, se ilustra en la Fig. 2.

En la Fig. 2, se muestran dos placas conductoras 14 montadas o impresas en un substrato 16. La capacitancia entre estas placas es una función de la separación, del tamaño y, en gran medida, de la constante dieléctrica del substrato. En general, cuando la constante dieléctrica relativa (E_{r}) aumenta, así lo hará la capacitancia C entre las placas. Un tipo específico de condensador que incorpora la presente invención se muestra en la Figura 7. El condensador 18 está formado por el acoplamiento cruzado de los campos electromagnéticos formados entre los "dedos" del condensador 20, 22 y es referido generalmente como un condensador inter-digital. El valor del condensador es una función de la separación entre los dedos, el número de dedos, las dimensiones de los dedos, y de manera crítica, de la constante dieléctrica del material al cual se une el condensador.

Mirando una sección transversal a través del condensador de la Figura 7 como está ilustrado en el Figura 8, podemos ver adonde está fluyendo el campo eléctrico y donde se concentra.

Primero, considerar la condición original, donde la etiqueta, con el condensador inter-digital impreso, está en el aire. La constante dieléctrica entre los dedos alternos es aquella de la película de 100 \mum discutida previamente. La capacitancia entre los dedos del condensador es una función de la constante dieléctrica alrededor de los dedos cuando el campo eléctrico se dispersa, de esta forma tendrá un valor inicial de C_{1}.

La Figura 9 ilustra qué sucede cuando el condensador es colocado sobre un bloque de 30 mm de grosor 24, que tiene una constante dieléctrica cualquiera entre 2 y 7.

Ahora el campo eléctrico también está fluyendo en el bloque, y por lo tanto existe un acoplamiento cruzado entre los dedos del condensador. La capacitancia C_{2} es afectada por la presencia del bloque, y de manera crítica por la constante dieléctrica del material. De esta forma este arreglo comprende un componente que tiene una capacitancia (C) que es una función de la constante dieléctrica relativa del bloque en el cual se monta, es decir, C = f(E_{r}), donde E_{r} es la constante dieléctrica relativa del bloque. La capacitancia del componente también será una función del grosor del bloque ya que un bloque más fino tendrá menos de un campo electromagnético en él, así que, para una E_{r} dada, aumentará la capacitancia en una cantidad menor.

Para los inductores, un número de estructuras son posibles; el más simple es un inductor espiral o de tipo meandro 26 como se muestra en la Figura 10. Esta estructura tiene una auto-resonancia, debido a la capacitancia entre las vueltas; por lo tanto el valor neto de la inductancia se puede también hacer una función de la E_{r} del substrato.

En el aire, este componente del inductor de tipo meandro tendrá cierto valor de la inductancia, L. Cuando es colocado sobre materiales con la constante dieléctrica más alta de grosor significativo, el acoplamiento cruzado capacitivo entre los meandros aumenta, provocando una reducción en la inductancia total.

Una ilustración simplificada de cómo este componente del inductor de tipo meandro es usado en una realización preferida de la presente invención se ilustra en el Figura 11 donde una antena dipolo 28 con elementos 30 está conectada con un chip 32 de RFID a través de los inductores de tipo meandro 34. La antena, los inductores y el chip están unidos a un material dieléctrico 36 estando impresos sobre este, pegados a este, o montados sobre este de cualquier manera acostumbrada.

La Figura 12, como la Figura 11, ilustra donde los inductores de tipo meandro 34 han sido añadidos entre la antena dipolo 28 y el chip 32, como anteriormente, en el aire (o en la constante dieléctrica más baja E, sobre la cual las etiquetas deben ser montadas), el chip, a través de los inductores, y el dipolo son una adaptación conjugada del uno con el otro.

Como antes, si la antena dipolo 28 es colocada sobre un substrato de una constante dieléctrica E_{r} más alta 38, la antena ahora es demasiado larga en la frecuencia de operación seleccionada. Esto se manifiesta sobre todo porque la antena se convierte en inductiva, es decir, un aumento de +jX. Sin la compensación entre la antena y el chip, la adaptación de la impedancia y por lo tanto el desempeño de la etiqueta se degradaría. Sin embargo, los inductores de tipo meandro han reducido la inductancia, así que presentan un +jX más pequeño para el circuito, así que con un diseño apropiado una buena adaptación es mantenida.

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El uso de un solo elemento de acuerdo a lo discutido anteriormente muestra el principio de un valor del componente que es dependiente de las características del substrato sobre el cual es colocado. Un número de otros componentes, que se pueden formar sobre una película cerca de una antena que reaccionarán a la constante dieléctrica variable del material del substrato y de su grosor, pueden ser hechos, incluyendo los elementos de línea de transmisión (que pueden actuar como transformadores), los inductores y los condensadores múltiples, que actúan en paralelo o en serie uno con respecto al otro para proporcionar una reactancia variable dependiente del substrato. Estos componentes de reactancia variable dependiente del substrato pueden ser usados para volver a sintonizar y adaptar la combinación antena/chip, para mantener el desempeño para algunos tipos de antena a través de ciertos rangos de características del substrato.

Sin embargo, usar estos componentes solos no es siempre la mejor solución. Otro enfoque, que también incorpora a la presente invención, es cambiar la longitud efectiva de una antena, y algunos métodos simples preferidos de hacer esto son ahora descritos.

Ha sido establecido que las características de la superficie de una estructura pueden reaccionar al substrato. También ha sido mostrado que para volver a sintonizar una antena bajo algunas circunstancias sería útil cambiar la longitud efectiva. La presente invención incluye construcciones que usan una característica de la superficie para volver a sintonizar la antena.

Para este propósito, una de las antenas más simples a considerar será la dipolo plegada 40, de acuerdo a lo ilustrado en la Figura 13.

Inicialmente, la longitud total del circuito cerrado 42 de la antena dipolo plegada es establecida para proporcionar una buena adaptación a la constante dieléctrica mínima para la que la etiqueta está diseñada para operar, como un ejemplo, un bloque de 30 mm que tiene una constante dieléctrica de E_{r} = 2.

Los elementos adaptativos 44 son preferiblemente un circuito sintonizado impreso en serie, que consiste en un inductor, el cual es un meandro simple de línea estrecha, y un condensador inter-digital de acuerdo a lo discutido e ilustrado previamente. El valor del inductor y del condensador es tal que, sobre los materiales que tienen una constante dieléctrica de E_{r} = 2, la frecuencia de la resonancia está sobre 915 MHz, cuando el valor del condensador es bajo. Ahora si la etiqueta completa es colocada sobre un substrato de 30 mm que tiene una constante dieléctrica de
E_{r} = 4, la longitud correcta del circuito cerrado para la dipolo plegada es más corta ahora. Sin embargo, el condensador dentro del elemento adaptativo ha aumentado en valor, haciendo al circuito cerrado resonante a 915 MHz. El elemento capacitivo adaptativo ahora actúa como un corto circuito, proporcionando una longitud de la trayectoria reducida para la corriente de RF que es de manera ideal exactamente la longitud de la trayectoria para hacer que la antena este correctamente adaptada al chip sobre materiales que tienen una constante dieléctrica de E_{r} = 4.

Esto es un ejemplo que usa las características del substrato de acuerdo a lo incorporado en la presente invención para adaptar la longitud efectiva de una antena. Alternativamente, otras muchas versiones pueden ser consideradas, donde la inductancia y la capacitancia están dispersadas a lo largo de la longitud de la antena.

Todos los valores y números en los ejemplos tienen el propósito de servir solamente como guía y no representan diseños verdaderos de la antena y de la etiqueta de RFID.

Estos elementos capacitivos e inductivos se pueden utilizar en combinaciones en serie y/o paralelo y pueden potencialmente, combinados con un diseño seleccionado de la antena, permitir que la adaptación de la impedancia sea ajustada cuando la E_{r} del substrato varíe, para permitir que el desempeño de la antena sea mantenido.

Una estructura alternativa sería una que ajuste la longitud efectiva de la antena. Cuando una antena es colocada sobre o en un medio de una E_{r} diferente, la longitud de onda de una frecuencia definida cambia. La longitud ideal para esa antena en el medio, para obtener una baja o cero reactancia y una resistencia útil de radiación, sería más corta.

Por lo tanto una antena que reduce su longitud efectiva cuando la constante dieléctrica del substrato varía proporcionaría la compensación. Un concepto para la estructura que puede alcanzar esto se muestra a continuación en la Figura 3. Esto es un ejemplo no-limitativo pues un número de otros esquemas de diseño son también posibles con los principios inventivos de la presente invención.

Aquí en la Figura 3, se muestra una sección curvada de un conductor de sección transversal rectangular 46 diseñado para ser colocado en un substrato de E_{r} variable. Esto formaría parte de los dos brazos de una antena dipolo. Más de una sección puede ser usada. El conductor 46 tiene potencialmente dos trayectorias para que la corriente fluya; la curva externa 48 y la curva interna 50. La longitud de la trayectoria de transmisión es realmente diferente entre estas dos curvas. La abertura 52 actúa como un condensador; cuando la E_{r} del substrato incrementa su valor de la constante dieléctrica, la capacitancia entre las dos secciones de radiación aumenta igualmente, pero la trayectoria de transmisión efectiva disminuye en longitud.

Alternativamente, el acoplamiento cruzado entre una estructura de formato de onda simple pudiera también ser diseñado para proporcionar la compensación.

Claims (17)

1. Un sistema de comunicación inalámbrico que comprende:

un dispositivo de comunicación inalámbrico (32); y

un sistema de antena (10, 28, 40) que incluye al menos una lengüeta conductora (12, 30, 42), y que incluye uno o ambos de lo siguiente:

(a) una pluralidad de componentes eléctricos seleccionados para formar una red de adaptación de la impedancia, acoplados a al menos una lengüeta conductora y al dispositivo de comunicación inalámbrico, donde los componentes eléctricos interactúan eléctricamente con cualquiera de los materiales dieléctricos diferentes en la proximidad al sistema de antena, para auto-compensar las diferentes características eléctricas de los diferentes materiales dieléctricos, para mantener una adaptación substancial de la impedancia entre el sistema de antena y el dispositivo de comunicación inalámbrico; y,

(b) un elemento estructural que forma un circuito trampa de derivación selectiva de la frecuencia (44) formado en la lengüeta conductora y que interactúa eléctricamente con cualquiera de los materiales dieléctricos diferentes en la proximidad al sistema de antena, para auto-compensar las diferentes características eléctricas de los diferentes materiales dieléctricos, para mantener una adaptación substancial de la impedancia entre el sistema de antena y el dispositivo de comunicación inalámbrico.

2. El sistema de comunicación inalámbrico de la reivindicación 1, donde el sistema de antena incluye la pluralidad de componentes eléctricos.

3. El sistema de comunicación inalámbrico de la reivindicación 2, donde la pluralidad de componentes eléctricos incluye un condensador (14, 18) cuyo valor eléctrico es variado por la interacción con los materiales dieléctricos.

4. El sistema de comunicación inalámbrico de la reivindicación 3, donde el condensador es un condensador interdigital (18).

5. El sistema de comunicación inalámbrico de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, donde la pluralidad de componentes eléctricos incluye un inductor.

6. El sistema de comunicación inalámbrico de la reivindicación 5, donde el inductor es un inductor de tipo meandro (26, 34).

7. El sistema de comunicación inalámbrico de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, donde la red de adaptación de la impedancia tiene al menos un circuito de los componentes eléctricos capacitivos en serie intermedio con al menos una lengüeta conductora y el dispositivo de comunicación inalámbrico.

8. El sistema de comunicación inalámbrico de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, donde la red de adaptación de la impedancia tiene al menos un circuito de los componentes eléctricos inductivos en serie intermedio con al menos una lengüeta conductora y el dispositivo de comunicación inalámbrico.

9. El sistema de comunicación inalámbrico de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde el sistema de antena incluye el elemento estructural.

10. El sistema de comunicación inalámbrico de la reivindicación 9, donde el elemento estructural incluye un condensador (14, 18).

11. El sistema de comunicación inalámbrico de la reivindicación 10, donde el condensador es un condensador interdigital (18).

12. El sistema de comunicación inalámbrico de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, donde el elemento estructural incluye una abertura (52) formada en la lengüeta conductora que interactúa eléctricamente con el material dieléctrico para formar un elemento capacitivo que proporciona el circuito trampa de derivación selectiva formado en la lengüeta conductora.

13. El sistema de comunicación inalámbrico de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, donde el elemento estructural incluye un inductor.

14. El sistema de comunicación inalámbrico de la reivindicación 13, donde el inductor es un inductor de tipo meandro (26).

15. El sistema de comunicación inalámbrico de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en combinación con un material dieléctrico (16, 24, 38) montado en proximidad eléctrica al sistema de comunicación inalámbrica.

16. La combinación en la reivindicación 15, donde el material dieléctrico incluye un substrato dieléctrico, y donde el sistema de antena está montado directamente sobre el substrato dieléctrico.

17. La combinación en la reivindicación 15, donde el material dieléctrico incluye un substrato dieléctrico, y donde el sistema de antena está montado sobre una capa de soporte intermedia entre el substrato dieléctrico y el sistema de antena, la placa de soporte estando unida al substrato dieléctrico.