IT202100021305A1 - Induttori basati su curve di hilbert - Google Patents

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IT202100021305A1
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conductive track
inductor
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IT102021000021305A
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Giuseppe Castaldi
Andrea Cusano
Vincenzo Galdi
Paolo Mattera
Francesco Pio Monaco
Roberto Parente
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Mantid S R L
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    • H01Q1/2225—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems used in active tags, i.e. provided with its own power source or in passive tags, i.e. deriving power from RF signal
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Description

INDUTTORI BASATI SU CURVE DI HILBERT
Campo dell?invenzione
La presente invenzione afferisce al settore degli induttori, in particolare degli induttori piani.
Gli induttori della presente invenzione sono particolarmente adatti ad essere utilizzati per applicazioni RFID, in particolare per realizzare tag RFID.
Stato della tecnica e contesto dell?invenzione
Gli induttori sono elementi circuitali di ampio impiego in elettronica. Un induttore genera un campo magnetico proporzionale alla quantit? di corrente che lo attraversa. Alcuni usi tipici includono l?adattamento di impedenza, il filtraggio di segnali, l?accoppiamento magnetico e la trasmissione di energia. I campi di applicazione sono innumerevoli. Tra essi si menzionano le tecnologie NFC (Near Field Communication) ed RFID (Radio Frequency IDentification), che basano l?accoppiamento tra uno o pi? lettori (reader) ed etichette (tag) proprio sull?accoppiamento induttivo tra i due dispositivi.
Il concetto di identificazione a radiofrequenza (RFID) di oggetti e del controllo a distanza di dispositivi fu introdotto da Harry Stockman nel 1948. Dopo gli sforzi prodotti dallo sviluppo della microelettronica negli anni ?70, e la sua evoluzione avvenuta negli anni successivi, l?RFID sta diventando una tecnologia presente nella vita quotidiana. Essa inoltre viene attualmente utilizzata anche per applicazioni pi? avanzate quali la logistica, la gestione di inventari, sistemi per persone disabili, sicurezza, reti di sensori e assistenza sanitaria mobile.
Un sistema RFID basilare comprende uno scanner a radiofrequenza, detto lettore, ed un gruppo di transponder, detti tag. Ciascun tag ? sostanzialmente composto da un?antenna ed un chip, o microchip, dotato di memoria interna, ad esempio una memoria RW (Rewritable). Nei tag passivi l?energia necessaria per alimentare il microchip viene ricavata dal segnale trasmesso dal lettore. Una modulazione di backscattering si ottiene quando il microchip agisce come un interruttore, adattando o disadattando il suo carico interno rispetto all'antenna.
Per questa tecnologia sono state standardizzate diverse bande di frequenza. I sistemi che lavorano nelle bande LF (125-134 kHz) e HF (13.56 MHz) sono le tecnologie pi? sviluppate e diffuse in tutto il mondo. Esse sono basate sull?accoppiamento magnetico in regime quasi statico tra le spire del lettore e dei tag.
I sistemi UHF (860-930 MHz) e a microonde (2.4 GHz e 5.8 GHz) invece sono basati sull?interazione elettromagnetica tra vere e proprie antenne, che consentono distanze di comunicazione maggiori tra lettore e tag, e sono una tecnologia emergente.
Insieme alla potenza minima rilevata dal microchip, l'antenna del tag svolge un ruolo chiave nei fattori di prestazione complessivi del sistema RFID, come la dimensione complessiva, la distanza di lettura e la compatibilit? con gli oggetti taggati. La maggior parte delle antenne per i tag UHF omnidirezionali sono tipicamente fabbricati come dipoli stampati modificati. L'obiettivo della progettazione ? di raggiungere la reattanza di ingresso, induttiva, richiesta per l'adattamento dell'impedenza coniugata del microchip e di miniaturizzare la forma dell'antenna. Vengono utilizzati diversi stratagemmi e i tag risultanti a volte mostrano layout affascinanti e quasi artistici.
Supponendo che la potenza efficace trasmessa dal lettore (EIRP<L>) e la sensibilit? del chip (Pchip), definita come la potenza necessaria per il funzionamento del tag, siano invariabili e che le antenne del lettore e del tag siano caratterizzate dalla stessa polarizzazione, la massima distanza di attivazione del tag lungo la direzione (?, ?) pu? essere stimata mediante la seguente equazione:
dove Gtag (?, ?) ? il guadagno del tag ed il fattore:
? il coefficiente di trasmissione di potenza, che tiene in conto il disadattamento tra l?antenna ed il chip.
L?impedenza del chip dipende dalla potenza di ingresso, e, poich? il transponder ? dotato di uno stadio di accumulo di energia, la sua reattanza di ingresso ? fortemente capacitiva. La maggior parte degli ASIC (application-specific integrated circuits) in tecnologia RFID nella banda UHF ? caratterizzata da un valore di reattanza di ingresso compreso tra -100 e -400 ?, mentre la resistenza di ingresso ? tipicamente inferiore di almeno un ordine di grandezza. Dunque l?impedenza dell?antenna dovrebbe essere induttiva per realizzare l?adattamento coniugato. A distanze maggiori di dmax, la potenza intercettata dal tag ? minore della sensibilit? del microchip e dunque non ? possibile interagire con il tag.
Per ottenere dispositivi a basso costo, non ? possibile utilizzare reti di adattamento esterne che coinvolgano componenti concentrati. I mezzi di adattamento devono essere dunque incorporati all'interno del layout dell'antenna del tag.
La realizzazione ottimizzata di detti mezzi di adattamento non ? banale. In genere, gli induttori comprendono una pista conduttiva. Una tipologia di induttori prevede che la pista conduttiva abbia uno spessore sottile e si estende sostanzialmente soltanto tra due piani paralleli fra loro. Questi induttori sono anche denominati induttori piani.
In questo settore, soprattutto quando gli induttori vengono utilizzati per realizzare tag RFID, sarebbe vantaggioso poter ottimizzare una serie di caratteristiche dell?induttore.
In particolare, sarebbe vantaggioso poter avere valori alti di induttanza.
Sommario dell?invenzione
Uno scopo della presente invenzione ? di realizzare un induttore, in particolare per applicazioni RFID, in grado di avere un valore di induttanza particolarmente alto.
Un altro scopo della presente invenzione ? di realizzare un tale induttore in grado di avere un valore di reattanza particolarmente alto.
La presente invenzione raggiunge almeno uno di tali scopi, ed altri scopi che saranno evidenti alla luce della presente descrizione, mediante un induttore comprendente una pista conduttiva formata da una successione di tratti consecutivi fra loro, in cui i tratti fra loro consecutivi hanno diversa orientazione fra loro; la pista conduttiva avente una forma tale per cui ha due assi di simmetria ortogonali fra loro,
in cui la forma della pista conduttiva comprende quattro curve di Hilbert del secondo ordine oppure comprende quattro curve di Hilbert del secondo ordine modificate, aventi otto tratti in comune.
Opzionalmente, una porzione di tratto della pista conduttiva ? formata da un chip, e/o un tratto della pista conduttiva ha un?interruzione, in modo che la pista conduttiva abbia due terminali; un chip o un circuito pu? essere connesso a detti due terminali.
L?invenzione riguarda anche un tag RFID secondo la rivendicazione 10. Vantaggiosamente, l?invenzione prevede di basare la forma della pista conduttiva dell?induttore su curve di Hilbert del secondo ordine, o su curve di Hilbert del secondo ordine modificate.
La curva di Hilbert appartiene alla classe delle curve per il riempimento dello spazio (space-filling curves). L?obiettivo di queste curve ? di occupare in modo omogeneo uno spazio o una superficie.
L?elemento di base dell?induttore secondo l?invenzione ? stato identificato nella geometria definita dalla curva di Hilbert planare di secondo ordine. A partire da questo elemento di base, con trasformazioni e rotazioni e con l?aiuto di una serie di simulazioni volte ad ottimizzare il tracciato ed il posizionamento dei contatti, si ? giunti a delle forme ottimizzate.
L?induttore, in particolare la sua pista conduttiva, si estende sostanzialmente soltanto tra due piani paralleli fra loro. In altri termini, l?induttore ? sostanzialmente un induttore planare o piano. La distanza tra detti due piani ? pari allo spessore della pista conduttiva.
L?induttore presenta vantaggiosamente una geometria compatta, derivata (come gi? detto) da una curva per il riempimento del piano.
La geometria della pista conduttiva ha due assi di simmetria ortogonali fra loro, e in particolare ortogonali allo spessore della pista conduttiva.
L?intera geometria dell?induttore ? ideata per occupare un?area estremamente limitata, mantenendo al contempo i due contatti del dipolo a breve distanza per semplificare la connessione con dispositivi e porte di connessione esistenti.
Vantaggiosamente, sono assenti ponti o strutture sopraelevate: il circuito fornito dalla pista conduttiva risiede sostanzialmente tutto sullo stesso piano o, pi? precisamente, tra due piani paralleli fra loro.
Preferibilmente, l?induttore ? costituito dalla pista conduttiva.
La pista conduttiva preferibilmente ? conformata in modo da formare un percorso chiuso. Perci?, la pista conduttiva o l?induttore sono anche denominati ?loop? o ?loop induttivo?. La pista conduttiva, in particolare, forma un circuito.
L?induttore secondo l?invenzione, in particolare la pista conduttiva, presenta una caratteristiche vantaggiose, tra cui:
- Presenta un doppio asse di simmetria, risultando pressoch? insensibile alle rotazioni che avvengano sul piano circuitale.
- Risiede interamente tra due piani paralleli fra loro, senza richiedere alcun ponte o via o altro elemento al di fuori del piano circuitale. Questo consente di massimizzare l?induttanza e di realizzare il componente in tecnologie economiche come PCB mono-layer o in stampa con inchiostro conduttivo senza bisogno di alcun accorgimento produttivo ulteriore.
- E? progettato per occupare la minima area possibile. A tal fine, la progettazione della pista conduttiva ha richiesto il confinamento della geometria dell?induttore, in particolare della pista conduttiva, all?interno di un?area circolare. Questa propriet? semplifica l?eventuale apposizione di strati protettivi sull?induttore. Ad esempio, la deposizione di una goccia di materiale plastico o di resina nel centro consente di ricoprire interamente il dispositivo rendendolo resistente all?effetto di agenti atmosferici, umidit? o stress meccanici e termici. Questo processo rende l?induttore idoneo a una serie di applicazioni come ad esempio il tracciamento tramite RFID di biancheria in lavanderie industriali.
- E? preferibilmente progettato per presentare i contatti per il collegamento sullo stesso lato e a distanza ravvicinata, per facilitare l?installazione e la connessione di altri circuiti. Questa caratteristica semplifica in particolare la connessione con i microchip per applicazioni RFID.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione esemplificative, ma non esclusive.
Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione particolari dell?invenzione.
Breve descrizione delle figure
Nella descrizione dell?invenzione si fa riferimento alle tavole di disegno allegate, che sono fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, in cui:
la Fig. 1 illustra una curva di Hilbert del secondo ordine;
la Fig. 2A illustra una vista in pianta di un primo esempio di induttore secondo l?invenzione, con alcune annotazioni;
la Fig. 2 illustra una vista in pianta del primo esempio di induttore secondo l?invenzione, con altre annotazioni;
la Fig. 3 illustra una vista in pianta di un secondo esempio di induttore secondo l?invenzione;
la Fig. 4 illustra una vista in pianta di un terzo esempio di induttore secondo l?invenzione;
la Fig. 5 illustra un grafico dell?induttanza simulata in funzione della larghezza della pista per un induttore secondo il primo esempio e per due induttori di confronto, aventi rispettivamente forma circolare e quadrata;
la Fig. 6A illustra un grafico dell?induttanza simulata in funzione dell?angolo alfa, a diversa larghezza della pista dell?induttore secondo il secondo esempio;
la Fig. 6B illustra un grafico dell?induttanza simulata in funzione dell?angolo alfa, a diversa larghezza della pista dell?induttore secondo il terzo esempio;
le Fig. 7, 8 e 9 mostrano il modulo della densit? di flusso magnetico rispettivamente per il primo, il secondo e il terzo esempio di induttore;
le Fig. 10, 11 e 12 illustrano i vettori di densit? di flusso magnetico relativi rispettivamente al primo, secondo e il terzo esempio di induttore;
la Fig. 13 illustra una vista prospettica di un dispositivo comprendente un induttore secondo l?invenzione;
la Fig. 14 illustra un esempio di tag RFID secondo l?invenzione;
la Fig. 15 illustra il circuito equivalente del tag RFID di Fig. 14;
la Fig. 16 illustra un grafico della reattanza in funzione dell?angolo alfa, relativa ad un induttore secondo il terzo esempio, valutata a diverse larghezze della pista conduttiva;
la Fig. 17 illustra un grafico della parte reale dell?impedenza del tag al variare della distanza tra dipolo e induttore, relativa ad un induttore secondo il terzo esempio, valutata a diverse larghezze della pista conduttiva.
Gli stessi elementi, o gli elementi funzionalmente equivalenti, hanno lo stesso numero di riferimento.
Descrizione di forme di realizzazione esemplificative dell?invenzione
Con riferimento alle Figure, vengono descritte forme di realizzazione esemplificative di un induttore 111, 112, 113.
In tutte le forme di realizzazione, l?induttore 111, 112, 113 comprende una pista conduttiva 101, 102, 103 formata da una successione di tratti 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13; 1, 2, 3, 4a, 5a, 5, 6, 7, 8, 9, 9a, 10a, 11, 12, 13; 1, 2, 3, 4a, 5b, 6, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8, 9b, 10a, 11, 12, 13, consecutivi fra loro, in cui i tratti fra loro consecutivi hanno diversa orientazione fra loro;
la pista conduttiva 101, 102, 103 avente una forma tale per cui ha due assi di simmetria X, Y ortogonali fra loro,
i) in cui la forma della pista conduttiva 101 comprende, o ? costituita da, quattro curve di Hilbert del secondo ordine aventi otto tratti in comune 1, 2, 12, 13 (solo quattro dei tratti in comune sono numerati), oppure
ii) in cui la forma della pista conduttiva 102, 103 comprende, o ? costituita da, quattro curve di Hilbert del secondo ordine modificate, le quattro curve di Hilbert del secondo ordine modificate aventi otto tratti in comune 1, 2, 12, 13.
Con ?pista conduttiva? si intende in particolare una pista elettricamente conduttiva, in particolare idonea per poter realizzare un induttore.
La pista conduttiva 101, 102, 103, preferibilmente, forma un percorso chiuso. Nel caso in cui un tratto della pista abbia un?interruzione o gap, il gap pu? essere riempito, ad esempio, da un chip 306, per cui il percorso conduttivo ? chiuso.
L?induttore 111, 112, 113 ? preferibilmente un induttore a singola spira, la singola spira essendo formata dalla pista conduttiva 101, 102, 103.
Preferibilmente, e vantaggiosamente, la pista conduttiva 101, 102, 103 ? inscrivibile in una circonferenza C. Il centro della circonferenza coincide con il punto di intersezione dei due assi di simmetria X, Y.
Preferibilmente, il diametro della circonferenza C ? da 2 a 30 mm
Preferibilmente, la pista conduttiva 101, 102, 103 ha una larghezza W (Fig. 2A,) da 10 a 1000 ?m, preferibilmente da 50 a 400 ?m o da 50 a 250 ?m.
Preferibilmente, la pista conduttiva 101, 102, 103 ha uno spessore (che in particolare ? ortogonale alla larghezza W) da 1 a 100 ?m, preferibilmente da 20 a 50 ?m, ad esempio circa 35 ?m; detto spessore essendo in particolare la distanza tra i due piani paralleli tra cui si estende la pista conduttiva
Andando pi? in dettaglio sulla forma della pista conduttiva 101, 102, 103, due di dette quattro curve di Hilbert del secondo ordine, o quattro curve di Hilbert del secondo ordine modificate, sono disposte simmetricamente rispetto ad un primo asse di simmetria X di detti due assi di simmetria X, Y;
e le altre due di dette quattro curve di Hilbert del secondo ordine, o quattro curve di Hilbert del secondo ordine modificate, sono disposte simmetricamente rispetto ad un secondo asse di simmetria Y di detti due assi di simmetria X, Y.
Ciascuna curva di Hilbert del secondo ordine, o curva di Hilbert del secondo ordine modificata, ha quattro tratti in comune con altre due curve di Hilbert del secondo ordine, o curve di Hilbert del secondo ordine modificate.
In particolare, detti tratti in comune sono il primo tratto 1, il secondo tratto 2, il penultimo tratto 12 e l?ultimo tratto 13 di una curva di Hilbert del secondo ordine o di una curva di Hilbert del secondo ordine modificata.
Il tecnico del settore pu? apprezzare che l?invenzione prevede di basare la forma della pista conduttiva 101, 102, 103 dell?induttore 111, 112, 113 su curve di Hilbert del secondo ordine, o su curve di Hilbert del secondo ordine modificate. Una curva di Hilbert del secondo ordine, illustrata in Fig. 1, ? formata da una successione di tratti consecutivi. In particolare, una curva di Hilbert del secondo ordine ? costituita da tredici tratti consecutivi fra loro.
Ancora con riferimento ad una curva di Hilbert del secondo ordine, detta successione di tratti ha un primo tratto e un ultimo tratto. In particolare, il primo e l?ultimo tratto hanno ciascuno un?estremit? libera, ossia non connessa ad un altro tratto.
Il primo tratto e l?ultimo tratto possono essere nominati, rispettivamente, primo tratto e tredicesimo tratto.
Considerando la successione di tratti, i tratti possono essere denominati con aggettivi numerali ordinali, ossia primo tratto, secondo tratto, terzo tratto, quarto tratto, quinto tratto, sesto tratto, settimo tratto, ottavo tratto, nono tratto, decimo tratto, undicesimo tratto, dodicesimo tratto e tredicesimo tratto.
Il secondo tratto ? consecutivo al primo tratto, il terzo tratto ? consecutivo al secondo tratto, il quarto tratto ? consecutivo al terzo tratto, il quinto tratto ? consecutivo al quarto tratto, il sesto tratto ? consecutivo al quinto tratto, il settimo tratto ? consecutivo al sesto tratto, l?ottavo tratto ? consecutivo al settimo tratto, il nono tratto ? consecutivo all?ottavo tratto, il decimo tratto ? consecutivo al nono tratto, l?undicesimo tratto ? consecutivo al decimo tratto, il dodicesimo tratto ? consecutivo all?undicesimo tratto, e il tredicesimo tratto e consecutivo al dodicesimo tratto.
Com?? noto, una curva di Hilbert del secondo ordine ha due tratti i quali hanno una lunghezza maggiore rispetto agli altri tratti. I tratti aventi lunghezza maggiore, o tratti maggiori, sono il quarto tratto e il decimo tratto. Il quarto tratto e il decimo tratto sono paralleli fra loro.
Con particolare riferimento alla Fig. 2, in un primo esempio (Esempio 1), la forma della pista conduttiva 101 comprende, in particolare ? costituita da, quattro curve di Hilbert del secondo ordine aventi otto tratti in comune 1, 2, 12, 13.
In particolare, la successione di tratti da 1 a 13 (ossia la successione 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) illustrata in Fig. 2 forma una curva di Hilbert delle quattro curve di Hilbert.
La forma della pista conduttiva 101 ? preferibilmente proprio la forma illustrata in Fig. 2.
I tratti 4 e 10 sono i tratti maggiori della curva di Hilbert.
Con particolare riferimento alla Fig. 3, in un secondo esempio (Esempio 2), la forma della pista conduttiva 102 comprende, in particolare ? costituita da, quattro curve di Hilbert del secondo ordine modificate aventi otto tratti in comune 1, 2, 12, 13.
Una delle quattro curve di Hilbert, ? formata dalla successione di tratti 1, 2, 3, 4a, 5a, 5, 6, 7, 8, 9, 9a, 10a, 11, 12, 13.
La curva di Hilbert modificata ? costituita da quindici tratti in successione.
In particolare, ciascuna curva di Hilbert del secondo ordine modificata, rispetto ad una curva di Hilbert del secondo ordine (come quella illustrata in Fig. 1 o la curva di Hilbert formata dai tratti da 1 a 13 di Fig. 2), ha
- i due tratti rettilinei maggiori 4a, 10a inclinati in modo da essere divergenti verso l?esterno della pista conduttiva 102; in particolare con un angolo ? da 5 a 45?, preferibilmente pari o circa pari a 45?, rispetto ai due tratti maggiori 4, 10 di una curva di Hilbert del secondo ordine; e
- due tratti curvi 5a, 9a, in particolare convessi verso l?esterno, aggiuntivi rispetto ad una curva di Hilbert del secondo ordine,
di cui uno 5a ? immediatamente successivo a uno dei due tratti rettilinei maggiori 4a, e l?altro 9a ? immediatamente precedente all?altro dei due tratti rettilinei maggiori 10a.
La pista conduttiva 102 ha in totale otto di detti tratti curvi.
Tutti i tratti curvi, sono preferibilmente archi di circonferenza, in particolare di una stessa circonferenza immaginaria. Detta circonferenza ? in particolare la circonferenza C che pu? circoscrivere la pista conduttiva 102.
La forma della pista conduttiva 103 ? preferibilmente proprio la forma illustrata in Fig. 3.
Con particolare riferimento alla Fig. 4, in un terzo esempio (Esempio 3), la forma della pista conduttiva 103 comprende, in particolare ? costituita da, quattro curve di Hilbert del secondo ordine modificate aventi otto tratti in comune 1, 2, 12, 13.
Una delle quattro curve di Hilbert, ? formata dalla successione di tratti 1, 2, 3, 4a, 5b, 6, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8, 9b, 10a, 11, 12, 13.
La curva di Hilbert modificata ? costituita da diciassette tratti in successione.
In particolare, ciascuna curva di Hilbert del secondo ordine modificata, rispetto ad una curva di Hilbert del secondo ordine (come quella illustrata in Fig. 1 o la curva di Hilbert formata dai tratti da 1 a 13 di Fig. 2), ha
- i due tratti rettilinei maggiori 4a, 10a inclinati in modo da essere divergenti verso l?esterno della pista conduttiva 103; in particolare con un angolo ? da 5 a 45?, preferibilmente pari o circa pari a 45?, rispetto ai due tratti maggiori 4, 10 di una curva di Hilbert del secondo ordine;
- due tratti curvi maggiori 5b, 9b, che sostituiscono rispettivamente il quinto tratto 5 e il nono tratto 9 di una curva di Hilbert del secondo ordine, di cui uno (il tratto 5b) ? immediatamente successivo ad uno dei due tratti rettilinei maggiori 4a, e l?altro tratto 9b ? immediatamente precedente all?altro dei due tratti rettilinei maggiori 10a;
- due tratti curvi minori 6a, 8a, aventi lunghezza inferiore rispetto a detti tratti curvi maggiori 5b, 9b, aggiuntivi rispetto ad una curva di Hilbert del secondo ordine, ciascuno parallelo ad un rispettivo tratto curvo maggiore 5b, 9b, di cui un tratto curvo minore 6a ? immediatamente successivo al tratto 6 immediatamente successivo ad uno 5b dei due tratti curvi maggiori 5b, 9b,
e un altro tratto curvo minore 8a ? immediatamente precedente al tratto 8 immediatamente precedente all?altro tratto 9b dei due tratti curvi maggiori 5b, 9b; - due tratti rettilinei minori 6b, 7b, aventi lunghezza inferiore rispetto a detti due tratti rettilinei maggiori 4a, 10a, aggiuntivi rispetto ad una curva di Hilbert del secondo ordine, ciascuno parallelo ad un rispettivo tratto rettilineo maggiore 4a, 10a, di cui un tratto rettilineo minore 6b ? immediatamente successivo ad uno 6a dei due tratti curvi minori 6a, 8a, e l?altro tratto rettilineo minore 7b ? immediatamente precedente all?altro 8a dei due tratti curvi minori 6a, 8a.
La pista conduttiva 103 ha in totale otto di detti tratti curvi maggiori e otto di detti tratti curvi minori.
Tutti i tratti curvi maggiori, sono preferibilmente archi di circonferenza, in particolare di una stessa circonferenza immaginaria. Detta circonferenza ? in particolare la circonferenza C che pu? circoscrivere la pista conduttiva 103.
Tutti i tratti curvi minori, sono preferibilmente archi di circonferenza, in particolare di una stessa circonferenza immaginaria. Detta circonferenza ? in particolare concentrica con la circonferenza C che pu? circoscrivere la pista conduttiva 103, ed ha un diametro inferiore alla circonferenza C.
La forma della pista conduttiva 103 ? preferibilmente proprio la forma illustrata in Fig. 3.
L?invenzione riguarda anche un tag RFID 301 comprendente un induttore 111, 112, 113.
L?induttore 111 formato dalla pista conduttiva 101 secondo il primo esempio ? stato confrontato mediante simulazione Comsol con un induttore formato da una pista conduttiva, o spira, circolare e con un induttore formato da una pista conduttiva, o spira, quadrata.
Le geometrie sono state simulate modellando tracce metallizzate in aria.
La pista conduttiva 101, la pista circolare e la pista quadrata avevano pari diametro delle circonferenza circoscritta ad esse. Il diametro era pari a 10 mm.
I risultati simulativi per la frequenza di 866 MHz sono mostrati in Fig. 5, al variare della larghezza della pista conduttiva per le tre forme considerate.
Nel grafico di confronto si nota che la pista conduttiva 101 associata all?induttore 111 dell?Esempio 1 esibisce un?induttanza superiore alle altre due, in particolare quando viene impiegata una pista conduttiva 101 avente una larghezza W fino a circa 400 ?m. Tuttavia, questo effetto decresce all?aumentare della larghezza della pista conduttiva 111.
La lunghezza totale della pista conduttiva 102 dell?Esempio 2 ? maggiore rispetto alla lunghezza totale della pista conduttiva 101 dell?Esempio 1.
Con riferimento all?Esempio 2, il grafico di Fig. 6A mostra i risultati dell?induttanza simulata al variare dell?angolo ? di inclinazione dei due tratti rettilinei maggiori 4a, 10a. Le curve corrispondono a diverse larghezze della pista conduttiva 102. Dalle simulazioni si evince che all?aumentare dell?angolo ? fino al valore limite di 45? si ottiene un incremento dell?induttanza di circa 10 nH.
Con riferimento all?Esempio 3, il grafico di Fig. 6B mostra i risultati dell?induttanza simulata al variare dell?angolo ? di inclinazione dei due tratti rettilinei maggiori 4a, 10a.
Le curve corrispondono a diverse larghezze della pista conduttiva 103. Dalle simulazioni si evince che l?induttanza aumenta all?aumentare dell?angolo ?. L?induttanza ? maggiore rispetto all?Esempio 2.
La lunghezza totale della pista conduttiva 103 dell?Esempio 3 ? maggiore rispetto alla lunghezza totale della pista conduttiva 102 dell?Esempio 2.
Le Fig. 7, 8 e 9 si riferiscono, rispettivamente, all?Esempio 1, 2 e 3.
La distribuzione di campo magnetico ? un fattore chiave se l?induttore ? usato per applicazioni che prevedono l?accoppiamento in campo vicino con altri dispositivi. Il campo magnetico della pista conduttiva 101, 102, 103 dei tre induttori 111, 112, 113 ? stato simulato in ambiente software per verificarne l?uniformit?. Nelle Fig. 7, 8 e 9 sono illustrate le mappe di densit? di flusso magnetico B nei piani XY e YZ, dove l?asse Z ? ortogonale agli assi X e Y (XYZ in particolare ? una terna di assi ortogonali fra loro).
In particolare, le Fig. 7, 8 e 9 mostrano il modulo della densit? di flusso magnetico per la geometria considerata, misurato ad 1mm di distanza dal piano XY.
Le Fig. 10, 11 e 12 si riferiscono, rispettivamente, all?Esempio 1, 2 e 3, e illustrano i vettori di densit? di flusso magnetico per le geometrie considerate, nel piano YZ.
La densit? di flusso magnetico risulta massima verso il centro della geometria e non sono osservabili difformit? degne di nota.
In Fig. 13 ? illustrato un dispositivo, ad esempio un tag RFID, comprendente induttore 111 (ma potrebbe essere anche un induttore 112 o 113) ricoperto, ad esempio incluso, in una resina o plastica protettiva 201. La resina o plastica protettiva ? preferibilmente sotto forma di una goccia solidificata.
Un esempio di applicazione di un induttore 111, 112, 113 ? riportato di seguito.
In Fig. 14 ? illustrato un tag RFID 301, comprendente un dipolo 302 e un induttore 111, 112, 113, ad esempio da un induttore 113.
Preferibilmente, il dipolo 302 (o antenna) comprende o ? costituito da una pista conduttiva avente un tratto centrale 303 semicircolare (o pi? in generale a forma di arco di circonferenza). Da ciascuna estremit? della parte centrale 303 si estende un rispettivo ramo rettilineo 304, 305, allineato con un diametro massimo della circonferenza C che circoscrive l?induttore. Il tratto centrale 303, o parte centrale, circonda circa met? della circonferenza C circoscritta all?induttore.
Il tag RFID 301 pu? comprendere anche un chip 306, o microchip, preferibilmente dotato di memoria elettronica, preferibilmente di memoria RW (Rewritable).
Opzionalmente, in tutte le forme di realizzazione dell?induttore 111, 112, 113, un tratto della pista conduttiva 101, 102, 103 ? interrotto, ossia presenta un?apertura o interruzione o gap, in modo che la pista conduttiva 101, 102, 103 abbia due terminali, o terminazioni.
Il chip 6 (quando previsto) ? connesso, preferibilmente direttamente connesso, a detti due terminali della pista conduttiva 101, 102, 103.
In altri termini, una porzione di un tratto della pista conduttiva 101, 102, 103 ? formata dal chip 306.
Invece del chip 6, un circuito, in particolare un circuito elettrico e/o elettronico, pu? essere connesso a detti due terminali della pista conduttiva 101, 102, 103.
A solo titolo esemplificativo e non limitativo, si riporta quanto segue, con riferimento all?adattamento della reattanza di un chip per applicazioni RFID
Per ottenere un perfetto adattamento dell?antenna (dipolo) rispetto al chip, si pu? optare per un accoppiamento di prossimit? attraverso il collegamento del chip su un piccolo induttore (loop) 111, 112, 113 avvicinato ad un dipolo. Questo consente di adattare quasi indipendentemente la resistenza e la reattanza del tag modificando la sua geometria.
Nell?accoppiamento di prossimit?, il dipolo ? alimentato mediante un piccolo loop accoppiato induttivamente, posto in vicinanza dell?antenna (Fig. 14).
In Fig. 15, ? illustrato il circuito equivalente del tag RFID di Fig.14.
Le terminazioni dell?induttore 111, 112, 113 sono collegate direttamente al microchip 306. Questa configurazione aggiunge un'induttanza equivalente all'antenna. L?entit? dell?accoppiamento induttivo, e quindi della reattanza aggiunta, ? controllata dalla distanza tra il loop ed il corpo radiante, oltre che dal fattore di forma del loop.
L?accoppiamento induttivo pu? essere modellato da un trasformatore, e l?impedenza di ingresso equivalente vis ta ai capi del loop ? data dalla seguente equazione:
Dove ? l?impedenza di ingresso del loop. Indipendentemente dal fatto che il dipolo sia in risonanza o meno, la reattanza di ingresso totale dipende solo dall?induttanza del loop, mentre la resistenza dipende solo dalla mutua induttanza M del trasformatore:
Assumendo che il corpo radiante sia infinitamente lungo, l?induttanza del loop ed il mutuo accoppiamento possono essere espressi mediante formule analitiche in termini di grandezza del loop e di distanza dal dipolo. ? importante notare che il mutuo accoppiamento, e dunque la resistenza di ingresso, dipendono sia dalla forma del loop che dalla distanza tra loop e dipolo, mentre la reattanza ? influenzata principalmente dalla forma del loop.
In fase di progettazione si potrebbe quindi prima di tutto determinare la dimensione del loop necessaria ad annullare la reattanza capacitiva del chip. Successivamente, si potrebbe scegliere un'appropriata distanza tra il loop ed il dipolo, d, in modo adattare la resistenza del chip.
L?induttore 111, 112, 113, in particolare l?induttore 113, ? particolarmente idoneo all?adattamento della reattanza del chip per applicazioni RFID.
Le Fig. 16 e 17 si riferiscono all?Esempio 3.
Come mostrato in Fig. 16, variando l?angolo alfa (?) e la larghezza W della pista conduttiva 103 ? possibile ottenere qualsiasi valore di induttanza in grado di adattare la parte capacitiva dei chip in commercio. L?induttore 113 inoltre si accoppia abbastanza bene con il dipolo 302 soprattutto per alti valori di alfa, esso infatti presenta un perimetro che si adatta bene alla forma semicircolare della parte centrale 303 del dipolo 302 accoppiato. Cambiando la distanza tra induttore 113 (loop) e dipolo 302 (antenna) si pu? ottenere la stessa resistenza del chip 306, in modo da ottenere la condizione di massimo trasferimento in potenza (? = 1). La Fig. 17 in particolare illustra la parte reale dell?impedenza del tag RFID 301 al variare della distanza tra dipolo 302 e induttore 113.

Claims (11)

RIVENDICAZIONI
1. Induttore (111, 112, 113) comprendente una pista conduttiva (101, 102, 103) formata da una successione di tratti (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) consecutivi fra loro, in cui i tratti fra loro consecutivi hanno diversa orientazione fra loro;
la pista conduttiva (101, 102, 103) avente una forma tale per cui ha due assi di simmetria (X, Y) ortogonali fra loro,
in cui la forma della pista conduttiva (101, 102, 103) comprende quattro curve di Hilbert del secondo ordine oppure comprende quattro curve di Hilbert del secondo ordine modificate, aventi otto tratti in comune (1, 2, 12, 13).
2. Induttore (111, 112, 113) secondo la rivendicazione 1, in cui la pista conduttiva (101, 102, 103) ? inscrivibile in una circonferenza (C).
3. Induttore (111, 112, 113) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui due di dette quattro curve di Hilbert del secondo ordine, o quattro curve di Hilbert del secondo ordine modificate, sono disposte simmetricamente rispetto ad un primo asse di simmetria (X) di detti due assi di simmetria;
e le altre due di dette quattro curve di Hilbert del secondo ordine, o quattro curve di Hilbert del secondo ordine modificate, sono disposte simmetricamente rispetto ad un secondo asse di simmetria (Y) di detti due assi di simmetria.
4. Induttore (111, 112, 113) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascuna curva di Hilbert del secondo ordine, o curva di Hilbert del secondo ordine modificata, ha quattro tratti in comune con altre due curve di Hilbert del secondo ordine, o curve di Hilbert del secondo ordine modificate; in particolare in cui detti tratti in comune sono il primo tratto (1), il secondo tratto (2), il penultimo tratto (12) e l?ultimo tratto (13) di una curva di Hilbert del secondo ordine o di una curva di Hilbert del secondo ordine modificata.
5. Induttore (111) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la pista conduttiva (101) ha la forma illustrata in Figura 2, in particolare in cui la forma della pista conduttiva (101) ? costituita da quattro curve di Hilbert del secondo ordine aventi otto tratti in comune (1, 2, 12, 13); oppure in cui la pista conduttiva (102) ha la forma illustrata in Figura 3, in particolare in cui la forma della pista conduttiva (102) ? costituita da quattro curve di Hilbert del secondo ordine modificate aventi otto tratti in comune (1, 2, 12, 13); oppure in cui la pista conduttiva (103) ha la forma illustrata in Figura 4; in particolare in cui la forma della pista conduttiva (103) ? costituita da quattro curve di Hilbert del secondo ordine modificate aventi otto tratti in comune (1, 2, 12, 13).
6. Induttore (112) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui ciascuna curva di Hilbert del secondo ordine modificata, rispetto ad una curva di Hilbert del secondo ordine, ha
- i due tratti rettilinei maggiori (4a, 10a) inclinati in modo da essere divergenti verso l?esterno della pista conduttiva (102); in particolare con un angolo da 5 a 45? rispetto ai due tratti maggiori (4, 10) di una curva di Hilbert del secondo ordine; e
- due tratti curvi (5a, 9a), in particolare convessi verso l?esterno, aggiuntivi rispetto ad una curva di Hilbert del secondo ordine,
di cui uno ? immediatamente successivo a uno dei due tratti rettilinei maggiori (4a), e l?altro ? immediatamente precedente all?altro dei due tratti rettilinei maggiori (10a).
7. Induttore (113) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui ciascuna curva di Hilbert del secondo ordine modificata, rispetto ad una curva di Hilbert del secondo ordine, ha
- i due tratti rettilinei maggiori (4a, 10a), inclinati in modo da essere divergenti verso l?esterno della pista conduttiva (103); in particolare con un angolo da 5 a 45? rispetto ai due tratti maggiori (4, 10) di una curva di Hilbert del secondo ordine;
- due tratti curvi maggiori (5b, 9b), che sostituiscono rispettivamente il quinto tratto (5) e il nono tratto (9) di una curva di Hilbert del secondo ordine, di cui uno (5b) ? immediatamente successivo ad uno dei due tratti rettilinei maggiori (4a), e l?altro (9b) ? immediatamente precedente all?altro dei due tratti rettilinei maggiori (10a); - due tratti curvi minori (6a, 8a), aggiuntivi rispetto ad una curva di Hilbert del secondo ordine, ciascuno parallelo ad un rispettivo tratto curvo maggiore (5b, 9b), di cui
un tratto curvo minore (6a) ? immediatamente successivo al tratto (6) immediatamente successivo ad uno (5b) dei due tratti curvi maggiori (5b, 9b), e un altro tratto curvo minore (8a) ? immediatamente precedente al tratto (8) immediatamente precedente all?altro (9b) dei due tratti curvi maggiori (5b, 9b); - due tratti rettilinei minori (6b, 7b), aventi lunghezza inferiore rispetto a detti due tratti rettilinei maggiori (4a, 10a), aggiuntivi rispetto ad una curva di Hilbert del secondo ordine, ciascuno parallelo ad un rispettivo tratto rettilineo maggiore (4a, 10a), di cui un tratto rettilineo minore (6b) ? immediatamente successivo ad uno (6a) dei due tratti curvi minori (6a, 8a), e l?altro tratto rettilineo minore (7b) ? immediatamente precedente all?altro (8a) dei due tratti curvi minori (6a, 8a).
8. Induttore (111, 112, 113) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la pista conduttiva (101, 102, 103) ha una larghezza (W) da 10 a 1000 ?m, preferibilmente da 50 a 400 ?m e/o uno spessore da 1 a 100 ?m, preferibilmente da 20 a 50 ?m.
9. Induttore (111, 112, 113) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta pista conduttiva (101, 102, 103) forma un percorso chiuso; e/o in cui una porzione di un tratto della pista conduttiva (101, 102, 103) ? formata da un chip (306) e/o in cui un tratto della pista conduttiva (101, 102, 103) ha un?interruzione, in modo che la pista conduttiva (101, 102, 103) abbia due terminali, preferibilmente in cui un chip (306) o un circuito ? connesso a detti due terminali.
10. Tag RFID (301) comprendente un induttore (111, 112, 113) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni.
11. Tag RFID (301) secondo la rivendicazione 10, comprendente un dipolo (302) avente un tratto centrale (303) a forma di arco di circonferenza e due rami rettilinei (304, 305); in particolare in cui ciascun ramo rettilineo (304, 305) ? allineato con uno stesso diametro massimo della circonferenza (C) che circoscrive l?induttore (111, 112, 113) e il tratto centrale (303) circonda parte della circonferenza (C) che circoscrive l?induttore (111, 112, 113).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2051325A1 (en) * 2000-01-19 2009-04-22 Fractus, S.A. Fractal and space-filling transmission lines, resonators, filters and passive network elements
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