TW200405614A - RFID tag wide bandwidth logarithmic spiral antenna method and system - Google Patents

Description

200405614 玖、發明說明： (一) 發明所屬之技術領域 本發明有關一種射頻識別裝置（RFID)，更特別地，有關 一種寬頻帶螺旋天線、射頻（RF)詢答機標識電路及阻抗匹 配網路。 (二) 先前技術 射頻識別裝置（RFID)習知分別地使用125KHz及13.56MHz 之被動式及主動式詢答機。被動式詢答機接收來自所接收 信號之功率，而且回送識別信號。主動式詢答機包含電源 鲁 ，而不需要來自所接收信號之功率。因此，被動式詢答機 需要較高信號強度；而主動式雖只需要非常小的信號強度 ，但是需要電源之成本。 另一區域之問題在於聯邦通訊委員會（FCC)所規定之輻 射，所以習用技術設計在短範圍提供高功率，但是使用消 去技術來符合遠範圍FCC規定。 現在使用中之RFID標識裝置具有範圍約30英吋，通常 在零售店可找到。具有更大範圍之電路，尤其在900MHz φ 到2.50GHz範圍之詢答機經過調查。稱爲Intermec之公司 販售昂貴的915MHz標識系統。 頒給Kudukula等人之美國專利第6，1 1 8,3 79(’3 7 9)號及頒 給Brady等人之美國專利第6,2 8 5，3 42 B1 (’3 42)號的兩項專 利就是本技術領域。 專利第’3 79號使用具有間隔接地平面之局部螺旋（單臂） ，在其發明摘要中聲明最大範圍。所討論爲2.45GHz之載 -6- 200405614 波頻率’但是範圍出現在數英吋範圍內。而且，局部螺旋 限制其在本專利中是所期望之頻帶寬，而且間隔接地平面 增加成本。專利第1 4 2號使用變形螺旋而以鈕扣式大小封 裝來獲得較大天線，而且也使用負載棒（loading bar)及短軸 (stub)來匹配阻抗，但是增加複雜性及成本，而沒有出現使 得可使用範圍擴展超過上述3 0英吋以外。 用於追踪牛群、行李詢答機、汽車或諸如車輛識別及倉 庫追踪，有需要RFID系統。此系統需要rfid系統具有在 十英吋大小內之範圍。也有需要符合此RFID系統之美國及 鲁 歐洲兩者的需求。美國系統在9 1 5 Μ Η z處作業，而相同之 歐洲系統在869MHz處作業。爲使得此兩標準符合在十英 吋範圍，RFID標識系統比較習知技術系統更需要改良式天 線及相對地更寬之頻帶寬。

Jesper Thaysen氏等在應用微波及無線電之論文名稱爲” 用於0.4至3.8GHz之對數螺旋天線’’說明安裝有平衡一不 平衡變壓器（balun)之螺旋天線及空腔。該論文提出關於螺 旋天線之一般領域的一些技術討論，在本文內合倂做爲參 · 考文獻。該論文在應用上沒有敘述。在該論文之第1圖中 ，圖示相對螺旋臂之同軸連接器。由該圖示中，假設同軸 約1 / 3至1 /2英吋寬，在螺旋臂之兩最遠端點間的距離預 估爲至少1 6英吋。雖然地該天線不適用於R FID應用例。 本發明之目的在於提供一種更長遠範圍而大於1〇英口尺 之RFID標識系統，具有小標識波形係數（tag form factor) ，符合歐洲及美國之需求。 200405614 (三)發明內容 由於上述背景說明，本發明提供一種RFID標識系統，具 有以螺旋形式來配置之兩個對稱安置的完全相同平面臂， 其中因爲臂自中心點來放射出來所以臂之寬度變大。較佳 地，臂之變大在離中心點之等距離處提供相等寬度及間隔 。臂之寬度加大以根據對數函數所定義之內及外徑螺旋來 配置。 天線系統較佳地可撓性地配置來配合在應用例所決定之 標識波形係數內。 在較佳實施例中，在相同基體上封裝有阻抗匹配網路做 爲平面螺旋天線。輸入電路較佳地提供在所接合到天線裝 載基體之分離基體上，形成保持標識波形係數之三明治封 裝。整流肖特基二極體（Schottky diode)形成部份輸入電路 來產生DC信號。在較佳實施例中，輸入電路可包括埋置 在晶片中之電容器，如眾所週知之技術（諸如逆向偏壓二極 體），當RF信號強時來儲存來自DC信號的充電。在此電 容器上之充電在輸入RF信號較低時可予以使用以使得標 識電路來響應。 通常，標識之出現是以注意RF傳送或詢問站所提供增量 功率來感測。 較佳地，天線臂以基體上所形成鈾刻銅、及/或以使用導 電漆（conductive paint)或其他導電金屬如銀、鋁或焊錫等 來形成。雙臂界定其等所形成間隙之中心點，對雙臂相互 _8_ 200405614 的最近點。匹配網路在本間隙處來連接到天線臂。 雖然下文說明將參照圖解說明之實施例附圖及使用方法 更詳細說明，但擅於本技術者理解本發明不限定在這些實 施例及其使用方法。而是本發明具有廣義範圍，而且將僅 以連同申請專利之範圍所提出來定義。 (四)實施方式 第1圖是圖解RFID標識系統之基本方塊圖示。詢問站 1 00產生RF信號1 08，通常以邏輯電路1 〇4所產生脈衝信 號，其經由天線1 1 2來傳送到標識系統1 〇2。RF脈衝經天 鲁 線1 1 4及習知技術之RF阻抗匹配網路1 1 6及輸入電路1 1 8 所接收。如果RF信號足夠強，則輸入電路使得RF信號來 整流，而使得電容器充電，其當RF信號低時來提供功率到 標識系統。如習用技術所悉，標識電路對RF發射器產生負 載，使得在標識出現時來增加RF發射器功率。在其一實施 例中，如習用技術所悉，驅動RF電壓信號昇壓。增量可以 以邏輯電路1 04所感測來顯示標識之出現。其他習用技術 也可使用來產生及檢測標識。 Φ 第2圖是適用於歐洲及美國之詢答機的頻率響應。915MHz 表示選擇美國頻率，而且869MHz爲歐洲。在這些頻率處 ，美國允許自讀取器輸出最大1瓦特之功率，而歐洲在 869MHz處最大是〇·5瓦特。 觀察第2圖，符合這兩種需求之天線需要在47MHz頻帶 寬具有Q値1 9。此系統可以使用但不其不限定在通過美國 及歐洲兩種標準之行李標識系統。 -9- Α Λ 100405614 第3圖是螺旋天線之一臂，具有根據rl=r〇eae所產生外 螺旋半徑rl 200及根據r2 = r0ee_e()所產生內螺旋半徑r2 2 02。在此r〇表示初始位置、角度位置，0在rl及r2間之 補償角度，而na”是變大率。 第二臂（第6圖所示）可以在其一臂之平面內來旋轉其一 臂1 8 0度而產生。在其等開始點處之兩螺旋臂間餘留小間 隙。第4圖之阻抗匹配網路施加在本間隙。爲獲得天線之 頻率獨立性，因爲臂向外放射及變大，所以臂之寬度形成 等於兩臂間之間隔。 第4圖是在915MHz以16-j 10阻抗所量測之天線3 00及 阻抗匹配電路網路3 02的一個實例圖示。電阻器R1及電容 器C 1表示非實際組件之天線的阻抗。匹配電路網路3 02 使得天線阻抗之電容性阻抗消除。電阻性阻抗在輸入電路 側增加3 K歐姆電阻器，使用來使得電容器C 3充電。晶片 輸入電路3 04包括兩個肖特基二極體、電阻器R2及電容器 C3。二極體D1在正向方向中以D2作用爲峰値檢測器來負 向地截斷電壓；而提供DC電壓/電流來使得電容器C3充 電。當接收來自讀取器之低振幅脈衝時，例如，當讀取器 在遠處時，已充電之電容器提供到裝置。 所謂晶片輸入電路3 04，因爲在較佳實施例中，其封裝 在分離晶片上，而晶片安裝在裝載天線及匹配網路之基體 上。 第5圖是用於在915MHz處作業之RFID標識系統特定較 佳實施例的應用計算方法。 Θ65 -10- 200405614 第6A圖是本發明螺旋天線臂5 00、5 02之基體較佳實施 例。螺旋天線是使用2個密耳銅帶及導電漆來形成在5密 耳厚之聚亞酸胺基體（polyimide subtrate)504上。基體大約 是寬59mm或2.32英吋、長40mm或1.57英吋。兩個對稱 臂以500及502來表示，而且匹配電路網路302形成在基 體上。如第6B圖所示，晶片輸入電路附著有如同在球狀柵 陣列1C封裝之突出球焊點。當然也可使用其他附著方法， 包括使得晶片輸入電路形成在天線基體上。在其一較佳實 施例中，第4圖之電容器C3在915MHz處作業來產生充電 鲁 到3 · 9伏特。使用線性極化讀取器RF信號之讀取距離是 1 2英呎，而具有圓形極化讀取器RF信號是6英呎。 在第6A圖所圖示較佳實施例中，螺旋天線本身之線形尺 寸是小於2.3英吋寬度5 08、小於約0.8英吋高度510。 第6B圖圖示較佳實施例，其中裝載晶片輸入電路304 之第二基體5 20經由節點或球焊點5 06來電氣連接到匹配 網路。 當然在本文中所述上述實施例是做爲實例，其也可有許 鲁 多變動例及替代例。因而，本發明必需廣義地視爲僅以在 下文申請專範圍內所提出來定義。 (五)圖式簡單說明 本發明將參照附圖來說明，其中： 第1圖是RFID標識系統之系統方塊圖示； 第2圖是適用於歐洲及美國來讀取之詢答機較佳實施例 的頻率圖表；

-11- 200405614 第3圖是較佳螺旋天線其一臂（腳）的圖繪； 弟4圖疋被動式g旬答機之阻抗匹配網路的電路圖示； 第5圖是較佳實施例之計算方法；及 第6 A及6 B圖是根據本發明所形成完整螺旋天線、匹配 網路及輸入電路。 主要部分之代表符號說明 100 詢 問 站 102 標 m 系 統 104 趣 輯 電 路 108 射 脏 頻 發 射 器 112 天 線 1 14 天 線 116 射 頻 匹 配 網 路 118 輸 入 電 路 200 外 螺 旋 半 徑 r 1 202 內 螺 旋 半 徑 r2 300 天 線 302 阻 抗 匹 配 網 路 304 晶 片 輸 入 電 路 500,502 旋 轉 天 線 臂 504 聚 亞 醯 胺 基 mm 體 506 節 點 或 球 焊 點 508 寬 5 10 筒 520 第 二 基 體

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Claims (1)

1. 200405614 拾、申請專利範圍： 1 . 一種RFID標識天線系統，適用於接收RF信號，該RFID 標識天線系統包含： 平面雙臂螺旋結構，配置來接收該RF信號，該雙臂電 氣相互地隔離，但是配置來界定在該兩臂間之間隙； 電子電路，電氣連接到所跨在該間隙之該雙臂，而且 配置來接收自該平面雙臂螺旋天線之該RF信號；及 裝置，用於感測該電子電路所接收之RF信號。 2 .如申請專利範圍第1項之rfid標識天線系統，其中該平 鲁 面雙臂螺旋結構之各臂係相同於另一臂，除了一臂與另 一臂間平面旋轉差1 8 0度之外。 3 ·如申請專利範圍第1項之rfid標識天線系統，其中在該 間隙之中間處界定中心點，而且其中該平面雙臂螺旋結 構之各臂界定所配置之內徑螺旋及外徑螺旋，使得各臂 之寬度因爲該臂自該中心來放射更遠而變大。 4 ·如申請專利範圍第3項之RFID標識天線系統，其中該內 及外徑螺旋根據對稱函數。 g 5 ·如申請專利範圍第3項之RFID標識天線系統，其中在離 該中心點之任何等距離點處，各臂之寬度相互相等，而 且各臂間之間隔相等。 6 ·如申請專利範圍第1項之RFID標識天線系統，其中該平 面雙螺旋臂結構之側向尺寸爲小於約5英吋乘小於約2 英吋。 7 ·如申請專利範圍第丨項之RFID標識天線系統，其中該平 13- 06 S 200405614 面雙螺旋臂結構之側向尺寸爲小於2英吋乘小於1英吋。 8 ·如申請專利範圍第1項之RFID標識天線系統，其中該平 面雙臂螺旋結構之各臂包含所形成在基體上之薄導電層。 9 ·如申請專利範圍第1項之RFID標識天線系統，其中該電 子電路包含： 網路，其匹配該螺旋天線電氣阻抗，而且其接收來自 該平面雙臂螺旋天線之RF信號，及提供RF輸出信號； 及 輸入電路，其接收及整流該輸出RF信號來形成D C信 ® 號；該輸入電路包括電容器，其儲存來自該DC信號之 能量。 1 0 ·如申請專利範圍第9項之RFID標識天線系統，其中該平 面雙臂螺旋結構之各臂包含所形成在基體上之薄導電層 ，及進一步其中該匹配及輸入電路形成在該基體上。 Π ·如申請專利範圍第1 〇項之RFID標識天線系統，進一步 包含所安裝在該第一基體上之第二基體，其中該輸入電 路形成在該第二基體上，而且由該匹配網路及該輸入電 修 路來形成電氣連接。 12.—種接收RF信號之方法，該RF信號來自所產生爲RFID 標識系統部份之RF信號，該方法包含下列步驟： 配置平面雙臂螺旋結構來接收該RF信號； 界定在該兩電氣隔離臂間之間隙； 電氣連接所跨置在該間隙之電子電路，及配置來接收 來自該平面雙臂螺旋天線之RF信號；及 -14- 200405614 感測該電子電路所接收該RF信號。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項之方法，進一步包含下列步驟： 該平面雙臂螺旋結構之各臂形成相互地完全相同’及 此外，在該平面內使得該一臂旋轉離開該另一臂1 8 0 度。 1 4 .如申請專利範圍第1 2項之方法，進一步包含下列步驟： 界定在該間隙之中間處的中心點；及 該平面雙臂螺旋結構之各臂形成具有內徑螺旋及外徑 螺旋；及 ® 配置各臂之寬度因爲該臂自該中心點向外放射更遠所 以變大。 1 5 ·如申請專利範圍第1 4項之方法，其中形成各臂之步驟包 含使用對數函數來形成內及外徑螺旋的步驟。 1 6 .如申請專利範圍第1 4項之方法，進一步包含形成各臂之 步驟，使得在離該中心點等距離之任何點處，各臂之寬 度相互相等，而且各臂間之間隔相等。 1 7 .如申請專利範圍第1 2項之方法，進一步包含形成該平面 鲁 雙臂螺旋結構之側向尺寸小於約5英吋乘小於約2英吋 的步驟。 1 8 ·如申請專利範圍第1 2項之方法，進一步包含形成該平面 雙臂螺旋結構之側向尺寸小於約2英吋乘小於約1英吋 的步驟。 1 9 .如申請專利範圍第1 2項之方法’進一步以形成在基體上 之薄導電層來形成具有該平面雙臂螺旋結構之各臂的步 -15- 200405614

   驟。 2 〇 .如申請專利範圍第1 2項之方法，進一步包含下列步驟： 提供網路來匹配該螺旋天線電氣電阻，而且來接收來 自該平面雙臂螺旋天線之RF信號，以及提供該RF輸出 信號；及 提供輸入電路，其接收及整流該RF輸出信號來形成 DC信號，該輸入電路包括電容器來儲存來自該DC信號 之能量。 2 1 .如申請專利範圍第20項之方法，進一步包含下列步驟： 以形成在基體上之薄導電層來形成具有該平面雙臂螺 旋結構之各臂；及 形成該網路及該輸入電路在該基體上。 2 2 .如申請專利範圍第2 1項之方法，進一步包含下列步驟： 安裝在該第二基體上所形成之輸入電路；及 形成自該匹配網路到該輸入電路之電氣連接。

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