TW201346772A - 適用於無線射頻識別標籤的不連續環形天線，及相關的元件、系統以及方法 - Google Patents

適用於無線射頻識別標籤的不連續環形天線，及相關的元件、系統以及方法 Download PDF

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TW201346772A
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loop
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Jeevan Kumar Vemagiri
Richard Edward Wagner
Matthew Scott Whiting
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Corning Inc
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Abstract

本揭示案揭示不連續環形天線及相關的元件、無線射頻識別(RFID)標籤、系統及方法。不連續環形天線為包括不連續部分的天線環形結構。不連續環形天線可耦接至RFID晶片以提供RFID標籤。不連續部分降低環路電感及標籤電容，因此使不連續環形天線能具有顯著較大的環形面積同時仍舊匹配晶片阻抗，導致近場靈敏度之明顯提高。提高的近場靈敏度在近場耦合期間提供提高的功率收穫效率。作為一個非限定性實例，與具有調諧至相同或相似諧振頻率的連續環形天線之RFID標籤相比，具有不連續環形天線之RFID標籤可達成來自無線射頻(RF)信號之顯著更多的功率收穫。在製造之後可修整不連續部分，以允許調諧RFID標籤之諧振頻率。

Description

適用於無線射頻識別標籤的不連續環形天線，及相關的 元件、系統以及方法 【優先權申請】
本申請案根據專利法主張於2013年3月14日提出申請且標題為「Discontinuous Loop Antennas Suitable For Radio-Frequency Identification(RFID)Tags,And Related Components,Systems,and Methods」的美國申請案第13/826,519號之優先權權益，該美國申請案根據專利法主張於2012年5月1日提出申請且標題為「Discontinuous Loop Antennas Suitable for Radio-Frequency Identification(RFID)Tags,and Related Components,Systems,and Methods」的美國臨時專利申請案第61/640,800號之優先權權益，該等申請案以全文引用之方式併入本文中。
本揭示案之技術係關於天線，該等天線可適用於無線射頻(RF)識別(RFID)天線、標籤或詢答機，包括被動RFID標籤。
使用無線射頻(RF)識別(RFID)詢答機來識別製品已為吾人所熟知。RFID詢答機常被稱為「RFID標籤」。舉例而言，第1圖為示例性RFID系統10之圖解，該示例性RFID系統10包括被動RFID標籤12。該被動RFID標籤12包括積體電路(IC)14，該積體電路14以通信方式耦接至天線16。IC 14亦可耦接至記憶體18。識別號碼或其他特性儲存於IC 14或耦接至IC 14的記憶體18中。被動RFID標籤12通常包括在主體20或其他外殼中。可將識別號碼提供至另一系統，諸如RFID讀取器22，以提供用於各種目的識別資訊。被動RFID標籤12不包括發射器。被動RFID標籤12之天線16自RFID讀取器22中之發射器26接收無線RF信號24，無線RF信號24亦被稱為「詢問信號」。被動RFID標籤12自無線RF信號24之電磁場收穫能量以提供功率至IC 14用於被動RFID標籤12操作。作為實例，RFID標籤12可經由反向散射調變通信回應無線RF信號24之接收，包括提供識別資訊。
被動RFID系統之效能取決於該系統中被動RFID標籤之效能。為提高效能，被動RFID標籤應當針對RFID標籤操作最大化來自詢問信號的功率收穫。至被動RFID標籤之臨限量的功率傳遞為被動RFID標籤操作所必需。傳遞至被動RFID標籤之功率量亦影響被動RFID標籤之通信範圍。一種最大化功率收穫之方法為最小化歸因於RFID標籤阻抗失配之功率傳遞損耗。RFID標籤天線具有固有的阻抗(亦即，電 阻性及電抗性)特性，以使得在與RFID晶片阻抗(亦即，負載)適當匹配時，可將天線接收之信號能量高效地傳遞至RFID積體電路(IC)晶片(「RFID晶片」)以用於操作。阻抗失配將導致信號能量被RFID晶片反射(未吸收)達與失配量相當之程度。進一步地，若被動RFID標籤位於其他被動RFID標籤之陣列或群集中，則可調和RFID阻抗失配。可在該群集中的多個被動RFID標籤之間共用來自詢問信號之能量，從而提供至每一被動RFID標籤之較少功率傳遞。為進一步調和阻抗失配問題，RFID晶片阻抗基於被動RFID標籤天線接收的信號之頻率而改變。
基於藉由輻射耦合模式之RFID標籤天線分類，RFID標籤天線可為近場耦合或遠場耦合。若需要短距RFID標籤通信能力(例如，遠離RFID讀取器少於一個波長)，則可使用針對近場耦合分類之RFID標籤天線。近場耦合係關於主要誘導地經由未輻射信號的磁場(「H場」)耦合功率，且近場耦合具有用於功率收穫的強電抗效應。然而，近場效應隨著距離快速降低功率。因此，近場RFID標籤需要保持靠近RFID讀取器以自信號能量收穫功率用於有效的RFID標籤操作。若需要長距RFID標籤通信能力(例如，遠離RFID讀取器大於兩個波長)，則可使用針對遠場耦合分類之RFID標籤天線。遠場耦合係關於主要經由電場(「E場」)輻射的功率耦合，遠場耦合隨著距離減小不如近場耦合快。因此，對於對分類為近場耦合RFID天線或遠場耦合RFID天線之任一選擇，存在關於主要自信號功率的E場分量還是自信號功率 的H場分量收穫功率之折衷方案。
詳細描述中所揭示之實施例包括不連續環形天線。亦揭示了相關的元件、標籤、系統及方法。不連續環形天線為包括不連續部分的天線環形結構。作為非限定性實例，不連續環形天線可耦接至RFID晶片以提供RFID標籤。不連續部分允許不連續環形天線在大於不連續環形天線的一個波長處具有磁場靈敏度。因此，較之其他天線，不連續環形天線顯著提高了近場靈敏度。提高的近場靈敏度在近場耦合期間提供提高的功率收穫效率。作為一個非限定性實例，與具有調諧至相同或相似諧振頻率的連續環形天線之RFID標籤相比，具有不連續環形天線之RFID標籤可達成高出多達一百(100)倍的來自無線射頻(RF)信號之功率收穫。
就此而言，天線環形結構中提供之不連續部分將不連續電容器引入天線環形結構。不連續電容器之引入降低天線環形結構中之電感。因此，可根據不連續部分藉由增大天線環形結構的環形面積提供之降低的電感來提高天線環形結構之電感。此增大的環形面積的結果是：不連續環形天線為近場耦合期間之提高的功率收穫效率提供提高的近場靈敏度。為近場耦合期間之提高的功率收穫效率提供提高的近場靈敏度可允許RFID標籤在某些環境或媒體中不受影響，否則RFID標籤不可能不受影響。同樣藉由提高不連續環形天線之電感，可保持與RFID晶片之阻抗匹配，如使用較小環形面積連續環形天線結構應達成。
進一步地，因為經由環形天線結構中的不連續部分提供電容，所以可調整降低不連續電容以調諧不連續環形天線之諧振頻率。此舉由不連續電容器控制並降低RFID標籤的總體電容之特性達成，該不連續電容器為串聯的且小於RFID晶片之固定電容。因此，具有不連續環形天線之RFID標籤可經調諧以匹配不同頻帶及/或應用於可為了效能而要求調諧之物件。
可使用若干方法來增大不連續環形天線之環形面積。一種示例性方法包括增大天線環形結構之長度及/或寬度。另一示例性方法包括增大天線環形結構之重疊，以在不連續環形天線中形成不連續部分。可在不連續環形天線的設計階段期間提供該等方法。然而，由於不連續環形天線中提供的不連續部分，甚至在完成天線製造之後改變不連續環形天線之電感及相應中心頻率亦為可行的。可取決於應用來調諧不連續環形天線諧振頻率。
就此而言，在一個實施例中提供了不連續環形天線。不連續環形天線包含環形導體。不連續部分安置於環形導體中以在環形導體中形成不連續電容器。在一個實施例中，藉由單一不連續形成不連續部分。
在另一實施例中提供了無線射頻識別(RFID)標籤。RFID標籤由RFID積體電路(IC)晶片組成，該RFID積體電路晶片經配置以接收RF功率。RFID標籤亦由不連續環形天線組成，該不連續環形天線電耦接至RFID IC晶片。不連續環形天線經配置以自接收的RF信號收集RF功率，且 不連續環形天線提供RF功率至RFID IC晶片以驅動RFID IC晶片。不連續環形天線可包含不連續部分，該不連續部分安置於環形導體中以在環形導體中形成不連續電容器。
在另一實施例中提供了一種藉由RFID標籤天線接收無線射頻(RF)信號之方法。該方法包含經由不連續環形天線接收RF信號。該方法亦包含提供RF信號至RFID IC晶片。該方法還包含用來自RF信號的RF能量驅動RFID IC晶片。該方法同樣包含在RFID IC晶片中解調RF信號中的RF通信。不連續環形天線可包含不連續部分，該不連續部分安置於環形導體中以在環形導體中形成不連續電容器。將在隨後之詳細描述中闡述額外特徵及優勢，且對於熟習此項技術者而言，額外特徵及優勢將在某種程度上自彼描述顯而易見或藉由實踐如在本文中所述之本發明(包括隨後之具體實施方式、申請專利範圍以及隨附圖式)而認識到。
應理解，以上一般描述及以下詳細描述兩者呈現實施例，且意欲提供用於理解本揭示案之本質與特徵的概覽或框架。包括隨附圖式以提供進一步理解，且隨附圖式併入本說明書中並構成本說明書之一部分。圖式圖示各種實施例且與描述一起用於解釋所揭示的概念之原理及操作。
10‧‧‧RFID系統
12‧‧‧被動RFID標籤
14‧‧‧積體電路(IC)
16‧‧‧天線
18‧‧‧記憶體
20‧‧‧主體
22‧‧‧RFID讀取器
24‧‧‧無線RFID信號
26‧‧‧發射器
30‧‧‧不連續環形天線
30'‧‧‧不連續環形天線
30(1)‧‧‧不連續環形天線
30(1)'‧‧‧不連續環形天線
30(2)‧‧‧不連續環形天線
30(3)‧‧‧不連續環形天線
30(4)‧‧‧不連續環形天線
30(5)‧‧‧不連續環形天線
30(5)‧‧‧不連續環形天線
30(6)‧‧‧不連續環形天線
32‧‧‧RFID標籤
32'‧‧‧RFID標籤
34‧‧‧環形導體
34'‧‧‧環形導體
34(1)‧‧‧環形導體
34(1)'‧‧‧環形導體
34(2)‧‧‧環形導體
34(3)‧‧‧環形導體
34(4)‧‧‧環形導體
34(5)‧‧‧環形導體
34(6)‧‧‧環形導體
36A(1)‧‧‧第一導體
36A(1)'‧‧‧第一導體
36A(2)‧‧‧第一導體
36A(3)‧‧‧第一導體
36A(4)‧‧‧第一導體
36A(5)‧‧‧第一導體
36A(6)‧‧‧第一導體
36B(1)‧‧‧第二導體
36B(1)'‧‧‧第二導體
36B(2)‧‧‧第二導體
36B(3)‧‧‧第二導體
36B(4)‧‧‧第二導體
36B(5)‧‧‧第二導體
36B(6)‧‧‧第二導體
36B‧‧‧第二導體
38‧‧‧環形導體區域
40‧‧‧不連續部分
40(1)‧‧‧不連續部分
40(2)‧‧‧不連續部分
40(3)‧‧‧不連續部分
40(4)‧‧‧不連續部分
40(4)‧‧‧不連續部分
40(5)‧‧‧不連續部分
40(5)‧‧‧不連續部分
40(6)‧‧‧不連續部分
41(1)‧‧‧不連續電容器
41(2)‧‧‧不連續電容器
41(3)‧‧‧不連續電容器
41(4)‧‧‧不連續電容器
41(5)‧‧‧不連續電容器
41(6)‧‧‧不連續電容器
42‧‧‧第一端
44A‧‧‧第一天線節點
44B‧‧‧第二天線節點
46‧‧‧RFID晶片
47‧‧‧資料表單
47(1)‧‧‧區域
47(2)‧‧‧區域
47(3)‧‧‧區域
48(1)‧‧‧第二端部分
48(2)‧‧‧末端部分
48(3)‧‧‧末端部分
48(4)‧‧‧末端部分
48(5)‧‧‧末端部分
48(6)‧‧‧末端部分
49‧‧‧RFID標籤基底行
49(1)‧‧‧RFID標籤基底行
49(2)‧‧‧RFID標籤基底行
49(3)‧‧‧RFID標籤基底行
50‧‧‧第二端
51‧‧‧電容曲線
52‧‧‧第一端
53‧‧‧不連續電容
54(1)‧‧‧末端部分
54(2)‧‧‧末端部分
54(3)‧‧‧末端部分
54(4)‧‧‧末端部分
54(5)‧‧‧末端部分
54(6)‧‧‧末端部分
55‧‧‧總體RFID標籤電容
56‧‧‧第二端
57‧‧‧RFID晶片電容
58A‧‧‧轉向
58B‧‧‧轉向
60A‧‧‧平面部分
60B‧‧‧平面部分
62A‧‧‧分支部分
62B‧‧‧分支部分
64A‧‧‧分支部分
64B‧‧‧分支部分
66A‧‧‧分支部分
66B‧‧‧分支部分
68‧‧‧電感
70‧‧‧電容
72‧‧‧ESD分路
74‧‧‧電感性部件
84‧‧‧連續環形天線
86‧‧‧不連續環形天線
88‧‧‧曲線圖
90‧‧‧不連續環形天線
92‧‧‧不連續環形天線
94‧‧‧曲線圖
96‧‧‧不連續環形天線
98‧‧‧不連續環形天線
100‧‧‧曲線圖
102‧‧‧不連續環形天線
104‧‧‧不連續環形天線
106‧‧‧曲線圖
108‧‧‧不連續環形天線
110‧‧‧不連續環形天線
111‧‧‧內部靜電放電(ESD)環路
112‧‧‧曲線圖
113‧‧‧外部靜電放電(ESD)環路
114‧‧‧不連續環形天線
116‧‧‧不連續環形天線
118‧‧‧曲線圖
120‧‧‧曲線圖
122‧‧‧不連續環形天線
124‧‧‧不連續環形天線
126‧‧‧不連續環形天線
128‧‧‧曲線圖
130‧‧‧不連續環形天線
132‧‧‧曲線圖
134‧‧‧不連續環形天線
136‧‧‧不連續環形天線
138‧‧‧不連續環形天線
140‧‧‧曲線圖
142‧‧‧不連續環形天線
144‧‧‧不連續環形天線
146‧‧‧不連續環形天線
148‧‧‧曲線圖
150‧‧‧不連續環形天線
152‧‧‧不連續環形天線
154‧‧‧曲線圖
156‧‧‧連續環形天線
158‧‧‧不連續環形天線
160‧‧‧曲線圖
162‧‧‧連續環形天線
164‧‧‧不連續環形天線
166‧‧‧曲線圖
168‧‧‧連續環形天線
169‧‧‧外部ESD跡線
170‧‧‧不連續環形天線
172‧‧‧曲線圖
174‧‧‧連續環形天線
176‧‧‧不連續環形天線
177‧‧‧內部ESD跡線
178‧‧‧曲線圖
1A‧‧‧標記
1B‧‧‧標記
1C‧‧‧標記
2A‧‧‧標記
2B‧‧‧標記
2C‧‧‧標記
3A‧‧‧標記
3B‧‧‧標記
3C‧‧‧標記
ADloop1‧‧‧環形導體面積
L1‧‧‧第一長度
L2‧‧‧第一長度
Ogap1‧‧‧間隙距離
Ogap2‧‧‧間隙距離
Ogap3‧‧‧間隙距離
Ogap4‧‧‧間隙距離
Olen1‧‧‧重疊長度
Olen2‧‧‧重疊長度
TWD‧‧‧不連續處跡線寬度
W1‧‧‧第一寬度
WD2‧‧‧不連續寬度
WD3‧‧‧不連續寬度
WD5‧‧‧不連續寬度
WD6‧‧‧不連續寬度
WD7‧‧‧不連續寬度
WL1‧‧‧跡線重疊長度
WL2‧‧‧跡線重疊長度
WL3‧‧‧跡線重疊長度
WL4‧‧‧跡線重疊長度
XL‧‧‧電感阻抗
XLP‧‧‧電感阻抗
第1圖為示例性RFID標籤之圖解，藉由來自RFID讀取器之詢問信號詢問該RFID標籤；第2圖為示例性不連續環形天線之圖解，該不連續 環形天線具有不連續部分，該不連續部分由環形導體中提供的重疊形成；第3A圖為在RFID標籤中使用不連續環形天線時的不連續電容、RFID晶片電容及總RFID標籤電容之示例性曲線圖；第3B圖與第3C圖分別為示例性不連續環形天線及對於該不連續環形天線的示例性調諧之圖表，該示例性不連續環形天線具有用於調諧不連續環形天線的諧振頻率之標記；第4圖為另一示例性不連續環形天線之圖解，該不連續環形天線具有不連續部分，該不連續部分由環形導體中提供的重疊形成；第5A圖與第5B圖為示例性不連續環形天線之圖解，該等不連續環形天線具有不連續部分，該不連續部分由環形導體中提供的端隙形成；第6A圖與第6B圖為其他示例性不連續環形天線之圖解，該等不連續環形天線具有不連續部分，該等不連續部分由環形導體中提供的交叉指狀部分形成；第7A圖與第7B圖分別為耦接至不具有及具有靜電放電分路之RFID晶片的不連續環形天線之示例性表示的等效電路圖；第8A圖與第8B圖為示例性連續環形天線及示例性不連續環形天線之圖解；第8C圖為比較分別在第8A圖及第8B圖中的連續 環形天線及不連續環形天線於磁場中之功率耦合的曲線圖；第9A圖與第9B圖為具有變化的不連續間隙之其他示例性不連續環形天線之圖解；第9C圖為比較分別在第9A圖及第9B圖中的不連續環形天線於磁場中之功率耦合之示例性曲線圖；第10A圖與第10B圖為具有變化的天線環形導體寬度之其他示例性不連續環形天線之圖解；第10C圖為比較分別在第10A圖及第10B圖中的不連續環形天線於磁場中之功率耦合之示例性曲線圖；第11A圖與第11B圖為在不連續處具有變化的天線環路寬度之其他示例性不連續環形天線之圖解；第11C圖為比較分別在第11A圖及第11B圖中的不連續環形天線於磁場中之功率耦合之示例性曲線圖；第12A圖與第12B圖分別為具有內部及外部靜電放電(ESD)環路之其他示例性不連續環形天線之圖解；第12C圖為比較分別在第12A圖及第12B圖中的不連續環形天線於磁場中之功率耦合之示例性曲線圖；第13A圖與第13B圖為具有變化的形狀因數之其他示例性不連續環形天線之圖解；第13C圖為比較分別在第13A圖及第13B圖中的不連續環形天線於磁場中之功率耦合之示例性曲線圖；第13D圖為比較分別在第13A圖及第13B圖中的不連續環形天線於電場中之功率耦合之示例性曲線圖；第14A圖至第14C圖為其他示例性不連續環形天線 之圖解，該等不連續環形天線具有經調諧用於不同中心頻率之相同形狀因數天線環路尺寸；第14D圖為比較分別在第14A圖至第14C圖中的不連續環形天線的作為頻率之函數之功率耦合的示例性曲線圖；第15A圖為另一示例性不連續環形天線之圖解，該不連續環形天線經設定尺寸用於空間受限的應用，藉由重疊不連續環形導體及增大導體長度實現該不連續環形天線；第15B圖為圖示在第15A圖中的不連續環形天線於磁場中之功率耦合之示例性曲線圖；第16A圖至第16C圖為其他示例性不連續環形天線之圖解，該等不連續環形天線具有經調諧用於不同中心頻率之與在第15A圖中的不連續環形天線相同的形狀因數；第16D圖為比較分別在第16A圖至第16C圖中的不連續環形天線的作為頻率之函數之功率耦合的示例性曲線圖；第17A圖至第17C圖為其他示例性不連續環形天線之圖解，該等不連續環形天線具有經設計用於不同示例性應用之與在第17A圖中的不連續環形天線相同的形狀因數；第17D圖為比較分別在第17A圖至第17C圖中的不連續環形天線的作為頻率之函數之功率耦合的示例性曲線圖；第18A圖為在第15A圖中的不連續環形天線之圖解； 第18B圖為另一示例性不連續環形天線之圖解，該不連續環形天線具有使用圓周導體之改良的功率耦合；第18C圖為比較分別在第18A圖及第18B圖中的不連續環形天線於磁場中之功率耦合之示例性曲線圖；第19A圖與第19B圖分別為其他示例性小型連續及不連續環形天線之圖解；第19C圖為比較分別在第19A圖及第19B圖中的連續及不連續環形天線於磁場中之功率耦合之示例性曲線圖；第20A圖與第20B圖分別為其他示例性小型連續及不連續環形天線之圖解；第20C圖為比較分別在第20A圖及第20B圖中的連續及不連續環形天線於磁場中之功率耦合之示例性曲線圖；第21A圖與第21B圖分別為具有外部ESD分路的其他示例性小型連續環形天線及不連續環形天線之圖解；第21C圖為比較分別在第21A圖及第21B圖中的連續及不連續環形天線於磁場中之功率耦合之示例性曲線圖；第22A圖與第22B圖分別為具有內部ESD分路的其他示例性小型連續環形天線及不連續環形天線之圖解；及第22C圖為比較分別在第22A圖及第22B圖中的連續及不連續環形天線於磁場中之功率耦合之示例性曲線圖。
現將詳細參考實施例，在隨附圖式中圖示該等實施例之實例，隨附圖式中圖示一些而非全部實施例。事實上，概念可體現於諸多不同形式中且不應被視為限制本文；相 反，提供該等實施例以便本揭示案將滿足適用的法律要求。在任何可能情況下，相同元件符號將用於指代相同元件或部件。
RFID標籤之效能參數為RFID標籤之靈敏度或激活及回應所需之最小功率。典型的近場超高頻率(UHF)RFID標籤天線為單一環形結構，該單一環形結構之電感在標籤操作頻率下與晶片之電容匹配。然而，隨著環形天線之環形面積增大，自環境場耦合至RFID標籤中之功率亦提高。然而，環形天線之有用的環形面積受限於RFID晶片電容，因為環形天線之環形天線電感與RFID晶片電容匹配。因此，最大功率耦合及RFID標籤場靈敏度受限於RFID晶片電容。
就此而言，詳細描述中所揭示之實施例包括不連續環形天線。亦揭示了相關的元件、標籤、系統及方法。不連續環形天線為包括不連續部分的天線環形結構。作為非限定性實例，不連續環形天線可耦接至RFID晶片以提供RFID標籤。不連續部分允許不連續環形天線在大於不連續環形天線的一個波長處具有磁場靈敏度。因此，較之其他天線，不連續環形天線顯著提高了近場靈敏度。不連續環形天線顯著提高近場靈敏度。提高的近場靈敏度在近場耦合期間提供提高的功率收穫效率。作為一個非限定性實例，與具有調諧至相同或相似諧振頻率的連續環形天線之RFID相比，具有不連續環形天線之RFID標籤可達成高多達一百(100)倍的來自無線射頻(RF)信號之功率收穫。
就此而言，天線環形結構中提供之不連續部分將不 連續電容器引入天線環形結構。不連續電容器之引入降低天線環形結構中之電感。因此，可根據不連續部分藉由增大天線環形結構的環形面積提供之降低的電感來提高天線環形結構之電感。此增大的環形面積的結果是：不連續環形天線為近場耦合期間之提高的功率收穫效率提供提高的近場靈敏度。為近場耦合期間之提高的功率收穫效率提供提高的近場靈敏度可允許RFID標籤在某些環境或媒體中不受影響，否則RFID標籤不可能不受影響。同樣藉由提高不連續環形天線之電感，可保持與RFID晶片之阻抗匹配，如使用較小環形面積連續環形天線結構應達成。
進一步地，因為經由環形天線結構中的不連續部分提供電容，所以可調整降低不連續電容器以調諧不連續環形天線之諧振頻率。此舉由不連續電容器控制並降低負載的總體電容之特性達成，該不連續電容器為串聯的且小於負載之固定電容。因此，具有不連續環形天線之負載可經調諧以匹配不同頻帶及/或應用於可為了效能而要求調諧之物件。
借助使用如藉由實例於本文中論述之不連續環形天線，可增大天線環路的環形面積之大小，以便提高環形天線電感，並因此提高場靈敏度及功率耦合，超過由連續環形天線提供之環形天線電感、場靈敏度及功率耦合。作為非限定性實例，可實現二十(20)dB功率耦合之改良。進一步地，使用如藉由實例於本文中論述之不連續環形天線，可改良環形天線之環路模式耦合而不需增大天線之總體長度，因此允許以比其他傳統遠場耦合天線小的形狀因數提供不連續環形 天線。
就此而言，第2圖為示例性不連續環形天線之圖解，該不連續環形天線包括環形導體中之不連續部分以提供環形導體中之不連續電容器。在第2圖之實例中，不連續部分特定地由形成於環形導體中之重疊形成，但需注意，可以其他形式提供不連續部分，如將在本揭示案中藉由其他實例所論述。如第2圖所示，提供了不連續環形天線30(1)。作為非限定性實例，不連續環形天線30(1)經配置以電耦接至RFID晶片以提供RFID標籤32。RFID標籤32可為被動RFID標籤，意謂收穫來自無線RF信號的電磁場之能量以提供用於操作之功率。RFID標籤32亦可為主動RFID標籤，意謂提供能量源(諸如電池)以便為提供用於操作之功率。RFID標籤32亦可為半被動RFID標籤，意謂除具有自無線RF信號收穫功率之能力外，可提供能量源(諸如電池)以提供用於操作之功率。本文所揭示之不連續環形天線可用於顯著提高近場靈敏度與擴展被動、半被動及主動RFID標籤之通信範圍，該等被動、半被動及主動RFID標籤中之每一者可考慮為第2圖中之RFID標籤32。
繼續參考第2圖，不連續環形天線30(1)包括環形導體34(1)。在此實施例中，環形導體34(1)包括第一導體36A(1)及第二導體36B(1)。舉例而言，第一導體36A(1)及第二導體36B(1)可為電線。作為另一實例，若將RFID標籤32安裝至作為非限定性實例之基底或印刷電路板(PCB)，則第一導體36A(1)及第二導體36B(1)可為基底或PCB中之導電跡線。第 一導體36A(1)及第二導體36B(1)佈置於封閉環形構造中(如第2圖所示)，以在具有環形導體電感之封閉環形導體34(1)內部形成環形導體區域38。不連續部分40(1)安置於環形導體34(1)中作為提供在第一與第二導體36A(1)、36B(1)之間的不連續功能。不連續部分40(1)形成環形導體34(1)中的不連續電容器41(1)。如上所述，將不連續電容器41(1)引入環形導體34(1)中降低環形導體34(1)電感。
繼續參考第2圖，第一導體36A(1)具有第一長度L 1 且具有第一寬度W 1 。第一導體36A(1)具有第一端42，第一端42經配置以電耦接至RFID晶片46之第一天線節點44A用於天線耦合。第一導體36A(1)亦具有安置於第二端50處的第二長度O len1 之第二端部分48(1)。亦提供了環形導體34(1)之第二導體36B(1)。第二導體36B(1)亦具有第一長度L 2 及第一寬度W 1 。第二導體36B(1)具有第一端52，第一端52經配置以電耦接至RFID晶片46之第二天線節點44B用於天線耦合。第二導體36B(1)具有安置於第二導體36B(1)的第二端56處的第二長度O len1 之第二端部分54(1)。
以下展示用於歸因於引入不連續部分40(1)至不連續環形天線30(1)中的環形導體34(1)之電感「L」的公式，其中「Ldis」為電感校正因數。由於不連續部分40(1)之引入，環形導體34(1)之有效電感降低等於「Ldis」之量，且藉由分別增大第一導體36A(1)及第二導體36B(1)的第二端部分48(1)、54(1)之重疊長度O len1 ，可將此校正因數減至零。在以下電感公式中將重疊長度O len1 稱為「OlenC」，對於重疊長度 O len1 ，不連續環形天線30(1)之電感等於同等尺寸的連續環形天線之電感。將重疊長度O len1 增大到超過OlenC後，可使不連續環形天線30(1)之電感提高到超過由同等尺寸的連續環形天線提供的電感。
L=2W1μ0μr/π[ln(W1/a)-0.77401]-Ldis(Olen1,Ogap1)，其中Olen1<olenC
L=2W1μ0μr/π[ln(W1/a)-0.77401]+Ldis(Olen1,Ogap1)，其中Olen1>OlenC
Cdis=Cdis(Olen1,Ogap1)
隨著環形導體34(1)電感之降低，環形導體34(1)中的不連續部分40(1)在天線中產生固有電容「Cdis」，「Cdis」為重疊長度O len1 及第一導體36A(1)與第二導體36B(1)的第二端部分48(1)、54(1)之間的間隙距離O gap1 之函數。已發現不連續環形天線30(1)之電容隨著重疊長度O len1 達到重疊長度O len1 之某一值而提高，且隨後維持實質上恆定。對於固定的重疊長度O len1 ，當第一導體36A(1)及第二導體36B(1)之重疊的第二端部分48(1)、54(1)之中心以沿著環形導體34(1)的圓周量測之距離距兩個天線節點44A、44B等距定位時，發現環形導體34(1)電容最大，且發現環形導體34(1)電感最小。
就此而言，環形導體34(1)電感之降低以及添加電容至環形導體34(1)使得環形導體34(1)本質上更具電容性，此舉將不再提供與電容性RFID晶片46之電感匹配，除非環形導體34(1)之面積A Dloop1 亦相應地增大。藉由增大環形導體34(1)的寬度W 1 ，或增大環形導體34(1)的重疊長度O len1 ，可 使當前電容性環形導體34(1)轉變為電感性的。任一者提高不連續環形天線30(1)之磁場靈敏度，提高的磁場靈敏度又在近場耦合期間提供增大的功率耦合及通信範圍。舉例而言，增大環形導體34(1)的寬度W 1 可導致大尺寸(例如，>10cm2)不連續環形天線30(1)。增大O len1 可導致中等(例如，4cm2至10cm2)或小尺寸(例如，~1cm2至4cm2)不連續環形天線30(1)。
間隙距離O gap1 會輕微影響不連續環形天線30(1)的環形導體34(1)電感。然而，歸因於甚至在針對調諧目的製造之後改變O len1 之能力以及環形導體34(1)的磁場靈敏度在較大O gap1 間隙距離處受到較少影響，在決定環形導體34(1)電感方面，O gap1 參數不如O len1 突出。因此，影響第2圖中的不連續環形天線30(1)的容抗及感抗之兩個重要條件為寬度W 1 及O len1 。
總結第2圖，提供在環形導體34(1)中的不連續部分40(1)將不連續電容器41(1)引入環形導體34(1)中。不連續電容器41(1)之引入使環形導體34(1)中的電感降低。可以若干方式利用藉由在環形導體34(1)中引入不連續部分40(1)提高不連續環形天線30(1)的電容並降低不連續環形天線30(1)的電感產生之阻抗改變，以提供提高的近場靈敏度同時維持與RFID標籤32中的RFID晶片46之阻抗匹配。為RFID標籤32提高近場靈敏度在近場耦合期間提供提高的功率收穫。
在參考第2圖之一個非限定性實例中，可根據不連續部分40(1)藉由增大環形導體34(1)的環形面積A Dloop1 提供 之降低的電感來提高不連續環形天線30(1)的電感。此增大的環形面積的結果是：不連續環形天線30(1)為近場耦合期間之提高的功率收穫效率提供較高的磁場靈敏度。同樣藉由提高不連續環形天線30(1)之電感，可保持與RFID晶片46之阻抗匹配，如使用較小環形面積連續環形天線結構應達成。
進一步地，因為經由環形導體34(1)中的不連續部分40(1)將第2圖中的環形導體天線30(1)的電容提供在環形導體34(1)中，所以可調整不連續電容器41(1)的電容。舉例而言，參考第3A圖中的示例性電容曲線51，藉由降低環形導體36A(1)、36B(1)的重疊長度O len1 (第2圖中圖示)可降低不連續電容器41(1)的不連續電容53。降低不連續電容器41(1)的不連續電容53降低使用不連續環形天線30(1)的RFID標籤32之總體RFID標籤電容55，因為不連續電容器41(1)為串聯的且小於耦接至不連續環形天線30(1)的RFID晶片46之RFID晶片電容57。因此，不連續電容器41(1)的不連續電容53控制並降低總RFID標籤電容55。此舉允許將使用不連續環形天線30(1)的RFID標籤32調諧至所需諧振頻率及/或應用於可為了效能而要求調諧之物件，該諧振頻率將與不同頻帶匹配。
不連續環形天線隨著少許E場靈敏度降低將對H場高度靈敏。將在以下表1中藉由實例說明此情況，表1說明不連續環形天線之優勢，包括本文中所述之彼等優勢。
在第2圖之不連續環形天線30(1)中，由環形導體34(1)中的單一不連續形成不連續部分40(1)。提供單一不連續可為有利的，因為使用兩個或更多個不連續，將隔離不連續環形天線中之至少一個導體。提供隔離的導體可降低或消除不連續環形天線的電感且提供電容性不連續環形天線，電容性不連續環形天線將不允許與電容性負載(諸如RFID晶片)阻抗匹配。
基於所需的天線分類，不連續環形天線(包括不連續環形天線30(1))可設計為低頻(LF)(例如，<125KHz)天線、中頻(MF)(例如，3MHz至30MHz)天線、超高頻(UHF)(例如，433MHz至960MHz)天線或極高頻(SHF)(例如，3GHz至30GHz)天線。以下在本揭示案的剩餘內容中揭示之不連續環形天線的實施例係關於UHF RFID標籤天線及歐洲(亦即，865至868MHz)、美國(亦即，902至928MHz)及日本(亦即，954至957MHz)RFID頻帶。接收的RF信號之頻率決定不連續環形天線之有效尺寸。較小的不連續環形天線具有較低的輻射耦合能力，且因此可能需要最大化不連續環形天線的尺寸以便達成最大輻射耦合及功率收穫效能之所得提高。
就此而言，第3B圖為類似於在第2圖中的不連續環形天線30(1)之示例性不連續環形天線30(1)’。在第3B圖中的不連續環形天線30(1)’具有標記(圖示為1A、1B、1C、2A、2B、2C、3A、3B及3C)，該等標記安置於環形導體34(1)’中，該等標記提供修整點，可在修整點處修整環形導體34(1)’的第二導體36B(1)’以調諧不連續環形天線30(1)’之諧振頻率。舉例而言，可由記號指示標記，若需要，該等記號可經顏色編碼。如上所述，藉由調整第一導體36A(1)’及第二導體36B(1)’之重疊長度，可調整不連續電容，由此調整使用不連續環形天線30(1)’的RFID標籤之總電容。藉由減小第一導體36A(1)’及第二導體36B(1)’之重疊長度，可降低不連續電容，由此降低使用不連續環形天線30(1)’的RFID標籤之總電容。
因此，可調整不連續環形天線30(1)’以在世界不同區域(美國、歐洲及日本)不同的RFID頻帶下操作，為一個區域的極良好效能而最佳化之一個天線在另一區域中將不會具有相同程度的表現。就此而言，第3C圖為示例性資料表單47，技術人員可使用該資料表單47來調諧第3B圖中之不連續環形天線30(1)’。資料表單47指示哪些標記對應於具有不同RFID操作頻率及進一步基於將使用不連續環形天線30(1)’之媒體的不同區域。舉例而言，區域47(1)可為歐洲。作為實例，區域47(2)可為美國。作為實例，區域47(3)可為日本。使用者可藉由僅使用一對剪刀或其他切割裝置將第二導體36B(1)’縮減(或調諧)至第3B圖所示之調諧長度(亦即，1A、2A、3A、1B、2B、3B、1C、2C、3C)，如用於不同示 例性區域47的RFID標籤基底行49中所指示。舉例而言，RFID標籤基底行49(1)可用於具有較低介電常數k的紙箱RFID標籤基底。RFID標籤基底行49(2)可為具有中等介電常數k的可撓性聚醯胺RFID標籤基底。RFID標籤基底行49(3)可為具有較高介電常數k的玻璃或陶瓷RFID標籤基底。或者，此技術有助於在製造時容易自動化而不需要設計多個天線設計。可製造並存放單一基底，且隨後自動化修整製程可為預期用途定製不連續環形天線。
進一步地，因為不連續環形天線對於磁場極靈敏，所以不連續環形天線可在部署在環境中時運轉，該等環境可能以其他方式妨礙使用連續環形天線的RFID之效能。不連續環形天線可向最終使用者或技術人員提供基於實際應用環境的為更佳效能而定製天線特性之可行性。不連續環形天線可允許容易調諧標籤且克服苛刻的RF環境，諸如RFID標籤在高介電材料(諸如玻璃)上之部署的存在，或極為貼近吸收性材料(諸如水)。水衰減E場傳播，但H場不受液體(諸如水)影響，由此允許在水或其他液體中運轉不連續環形天線。舉例而言，在被環繞、置放於水體(諸如一瓶水或其他商業飲料容器)上或置放於液體的RFID標籤通信範圍中時，不連續環形天線可具有比極靈敏遠場天線高出約7dB的靈敏度。
就此而言，與12cm長的極靈敏及寬頻帶UHF遠場單極天線比較，針對4.8cm x 4.3cm的不連續環形天線執行實驗性測試裝配。在實驗中，天線置放於氣密玻璃瓶中。氣 密玻璃瓶置放於充滿水的罐中。根據功率餘裕比較天線，該功率餘裕即以dB為單位的效能量度，該效能量度等於預定義或設定的最大RFID讀取器功率(例如，30dBm)減去讀取使用該等天線之RFID標籤之RFID讀取器功率(以dB為單位)。如以下於表2所示，已在該等模擬苛刻條件下觀察到，對於距RFID讀取器天線20英吋的距離處之單極天線，功率餘裕可自自由空間效能降低高達19dB。然而，在該相同距離處，不連續環形天線之功率餘裕降低低出10dB。已觀察到，甚至在距饋以1W功率的2dBi RFID讀取器天線1m距離處，不連續環形天線以高出遠場單極天線至少6dB的功率耦合運轉。
本揭示案之剩餘內容將論述方法、技術及實例，該等方法、技術及實例用於更改不連續環形天線電感及/或電容以提供所需的耦合效能。提高不連續環形天線的環形導體電 感的一種方式為增大由環形導體封閉之環形面積。提高不連續環形天線的環形導體電感之替代方法為增大重疊導體部分之重疊，該等重疊導體部分在環形導體中形成不連續部分及不連續電容器。可藉由沿著環形導體的輪廓增大重疊導體部分之長度以環繞或部分圍繞環形導體之剩餘部分而實現該等方法。該等方法使甚至在完成不連續環形天線結構的製造之後改變不連續環形天線的環形導體電感(及相應中心頻率)且因此取決於應用環境調諧天線諧振頻率變得更可行。
可以其他形式在環形導體中提供不連續部分以便提供不連續環形天線。就此而言，第4圖為另一示例性不連續環形天線之圖解，該不連續環形天線具有不連續部分，該不連續部分由環形導體中提供的重疊形成。如第4圖所示，提供了藉由重疊導體提供的不連續環形天線30(2)之另一實例。不連續環形天線30(2)亦經配置以電耦接至RFID晶片(諸如RFID晶片46)以便提供RFID標籤。不連續環形天線30(2)包括環形導體34(2)。在此實施例中，環形導體34(2)包括第一導體36A(2)及第二導體36B(2)，第一導體36A(2)及第二導體36B(2)中之每一者分別具有末端部分48(2)、54(2)，末端部分48(2)、54(2)在間隙距離O gap2 處以重疊距離O len2 彼此重疊以形成不連續部分40(2)。第一導體36A(2)及第二導體36B(2)分別包括大約一百八十(180)度轉向58A、58B以在環形導體34(2)中提供不連續部分40(2)。不連續部分40(2)在環形導體34(2)中形成不連續電容器41(2)以將不連續電容器41(2)引入環形導體34(2)。如上所述，將不連續電容器41(2)引入環 形導體34(2)中降低環形導體34(2)電感。
環形導體34(2)電感之降低以及添加不連續電容器41(2)至環形導體34(2)使環形導體34(2)本質上更具電容性，此舉將不再提供與電容性RFID晶片之電感匹配，除非環形導體34(2)之電感亦相應地提高。提高環形導體34(2)之電感使得不連續環形天線30(2)的磁場靈敏度提高，此舉又在近場耦合期間提供提高的功率耦合及通信範圍。
如上所述，可在環形導體中提供不連續部分以便以除在環形導體中提供重疊之外的其他方式形成不連續環形天線。舉例而言，第5A圖與第5B圖為其他示例性不連續環形天線之圖解，該等不連續環形天線具有不連續部分，該不連續部分由環形導體中提供的端隙形成。如第5A圖所示，提供了包括環形導體34(3)的不連續環形天線30(3)。在此實施例中，環形導體34(3)包括第一導體36A(3)及第二導體36B(3)，第一導體36A(3)及第二導體36B(3)中之每一者具有末端部分48(3)、54(3)，末端部分48(3)、54(3)不重疊但經安置彼此相距一間隙距離O gap3 ，以形成不連續部分40(3)。不連續部分40(3)在環形導體34(3)中形成不連續電容器41(3)以將不連續電容器41(3)引入環形導體34(3)。如上所述，將不連續電容器41(3)引入環形導體34(3)降低環形導體34(3)電感以允許隨後提高電感以提供提高的磁場靈敏度及功率收穫。
如第5B圖所示，提供了包括環形導體34(4)的替代性不連續環形天線30(4)。在此實施例中，環形導體34(4)包括第一導體36A(4)及第二導體36B(4)，第一導體36A(4)及第 二導體36B(4)中之每一者具有末端部分48(4)、54(4)，末端部分48(3)、54(4)不重疊但經安置彼此相距一間隙距離O gap4 ，以形成不連續部分40(4)。在此實施例中，末端部分48(4)、54(4)含有平面部分60A、60B，平面部分60A、60B經安置與環形導體36A(4)、36B(4)的縱軸正交。不連續部分40(4)在環形導體34(4)中形成不連續電容器41(4)以將不連續電容器41(4)引入環形導體34(4)。如上所述，將不連續電容器41(4)引入環形導體34(4)降低環形導體34(4)電感以允許隨後提高電感以提供提高的磁場靈敏度及功率收穫。
第6A圖與第6B圖為作為不連續環形天線的其他實例之其他示例性不連續環形天線之圖解，該等不連續環形天線具有不連續部分，該等不連續部分由環形導體中提供的交叉指狀部分形成。如第6A圖所示，提供了包括環形導體34(5)的替代性不連續環形天線30(5)。在此實施例中，環形導體34(5)包括第一導體36A(5)及第二導體36B(5)，第一導體36A(5)及第二導體36B(5)中之每一者具有末端部分48(5)、54(5)，末端部分48(5)、54(5)重疊以形成不連續部分40(5)。末端部分54(5)安置在末端部分48(5)的兩個分支部分62A、62B之間。不連續部分40(5)在環形導體34(5)中形成不連續電容器41(5)以將不連續電容器41(5)引入環形導體34(5)。如上所述，將不連續電容器41(5)引入環形導體34(5)降低環形導體34(5)電感以允許隨後提高電感以提供提高的磁場靈敏度及功率收穫。
第6B圖提供了包括環形導體34(6)的替代性不連續環形天線30(6)。在此實施例中，環形導體34(6)包括第一導 體36A(6)及第二導體36B(6)，第一導體36A(6)及第二導體36B(6)中之每一者具有末端部分48(6)、54(6)，末端部分48(6)、54(6)重疊以形成不連續部分40(6)。末端部分48(6)具有兩個分支部分64A、64B，且末端部分54(6)具有兩個分支部分66A、66B。分支部分66A安置在分支部分64A、64B之間，且分支部分64B安置在分支部分66A、66B之間。不連續部分40(6)在環形導體34(6)中形成不連續電容器41(6)以將不連續電容器41(6)引入環形導體34(6)。如上所述，將不連續電容器41(6)引入環形導體34(6)降低環形導體34(6)電感以允許隨後提高電感以提供提高的磁場靈敏度及功率收穫。
第7A圖與第7B圖分別為耦接至不具有及具有靜電放電(ESD)分路的RFID晶片46之通用型不連續環形天線30的示例性表示的等效電路圖。舉例而言，不連續環形天線30可為上述之任何不連續環形天線30(1)至30(6)。第7A圖中的不連續環形天線30具有串聯形成環形導體34的電感68及電容70，且不連續環形天線30不包括ESD分路。不連續環形天線30的電感阻抗(XL)與組合RFID晶片46及不連續環形天線30的總體串聯電容阻抗(XCchip+XC)匹配。在第7B圖的不連續環形天線30’中包括ESD分路72，ESD分路72包括額外的電感性部件74，額外的電感性部件74經安置與環形導體34’及RFID晶片46平行以提供電感阻抗(XLP)，可藉由更改閉合環形面積來調諧電感阻抗(XLP)，藉由與RFID晶片46平行的ESD分路72封閉該閉合環形面積。ESD分路72不為不連續環形天線30’運轉所必需。在環形導體34’中引 入ESD分路72對不連續環形天線30’的阻抗具有可抵消的效應。然而，當發生ESD事件時，ESD分路72充當為RFID晶片46提供額外的ESD保護之直流(DC)分路。ESD分路72之位置或佈局基於可行性可在環形導體34’的內部或外部。
第8A圖與第8B圖為示例性連續環形天線84及示例性不連續環形天線86的圖解。在此實例中，第8B圖中的不連續環形天線86具有三百(300)μm之不連續寬度W D1 。第8C圖為比較分別在第8A圖及第8B圖中的連續環形天線84及不連續環形天線86於磁場中的模擬功率耦合之曲線圖88。自第8C圖的曲線圖88可注意，與由此實例中連續環形天線84於相同H場中提供之1.63mW峰值功率耦合對照，不連續環形天線86在H場中提供150mW峰值功率耦合(亦即，19.6dB之差值)。如第8C圖中所見，不連續環形天線86於-10dBA/m H場(或0.32A/m)中優於連續環形天線84之功率耦合改良為大約20dB。儘管多數功率耦合優勢係歸因於藉由不連續環形天線86封閉之較大的環形面積，但不連續環形天線86可包括提高功率耦合之其他內在因素。應注意，較小尺寸的連續環形天線84與較大尺寸的不連續環形天線86兩者經連接橫跨相同的RFID晶片，或25-j250之相同晶片阻抗。第8A圖與第8B圖中的模擬模型係基於將RFID晶片及不連續環形天線86置放於具有3.55的介電常數之100μm厚的聚醯亞胺基底材料上。
返回參考第2圖之不連續環形天線30(1)，藉由使O len1 保持為最小值並增大環形導體34(1)之W 1 來實現大面積 不連續環形天線。藉由使O len1 保持為零、不設計導體重疊或設計具有藉由小間隙距離O gap1 對準及分隔之導體不連續可實現用於固定跡線寬度(TW)及不連續處之跡線至跡線間隙(TGD)(亦即，導體至導體重疊)之最大面積不連續環形天線。就此而言，第9A圖與第9B圖為具有變化的不連續間隙之其他示例性不連續環形天線90、92之圖解。第9C圖為示例性曲線圖94，曲線圖94針對(舉例而言)與第9B圖中的不連續環形天線92中的較大不連續處跡線至跡線間隙(TGD)相比較小的第9A圖中的不連續環形天線90中的TGD比較分別在第9A圖及第9B圖中的不連續環形天線90、92於相同的-10dBA/m H場中之功率耦合。發現0.1mm TGD不連續環路優於2.7mm TGD之功率耦合優勢為0.3dB。
第10A圖與第10B圖分別為具有變化的天線環路跡線寬度之其他示例性不連續環形天線96、98之圖解。第10A圖及第10B圖中的不連續環形天線96、98各自具有不連續寬度W D2 及不連續寬度W D3 ，在此實例中，W D2 及W D3 兩者皆為三百(300)μm。大尺寸不連續環形天線96、98可設計為具有不同跡線寬度。跡線寬度越大，功率耦合越大。對於(例如)將跡線寬度自1mm增大至12mm，發現功率耦合優勢為2.8dB。儘管用於標籤阻抗匹配之由第10A圖中的1mm寬度跡線不連續環形天線96封閉之非金屬環形面積為大約20sq cm，但發現用於標籤阻抗匹配之由第10B圖中的12mm寬度跡線不連續環形天線98封閉之非金屬環形面積為大約12cm2。與不連續環形天線96中的1mm寬度跡線比較，第10B 圖中的不連續環形天線98中的12mm寬度跡線之功率耦合優勢主要歸因於較大的不連續處跡線寬度(TWD)。舉例而言，第10C圖為比較分別在第10A圖及第10B圖中的不連續環形天線於-10dBA/m H場/磁場中的功率耦合之示例性曲線圖100。
第11A圖與第11B圖為具有不連續部分處之變化的天線環路跡線寬度之其他示例性不連續環形天線102、104之圖解。在此實例中，第11A圖與第11B圖中的不連續環形天線102、104各自具有三百(300)μm的不連續寬度W D5 。舉例而言，第11C圖為比較分別在第11A圖及第11B圖中的不連續環形天線於-10dBA/m H場/磁場中的功率耦合之示例性曲線圖106。圖示了不連續處跡線寬度(TWD)對不連續環形天線102、104之功率耦合之效應。用於特定環形導體之TWD越大，天線電感越大，從而要求針對標籤阻抗匹配而減小環路尺寸。然而，較小面積不連續環形天線104之功率耦合可高於較大面積封閉不連續環形天線102。在圖中，與TWD=5.2mm的20sq cm的環路之153mW相比，發現TWD為0.4mm的25sq cm的環路之功率耦合為141mW，耦合優勢為大約0.3dB。較高TWD之較高功率耦合係歸因於較低的天線電阻，較低的天線電阻在天線結構中引起較少的損耗，如可自第11A圖及第11B圖所示的兩個天線102、104之阻抗推斷。保持TWD大於跡線寬度(TW)可在兩個方面為有益的。儘管保持TWD大於TW有助於改良功率耦合，但此舉亦允許藉由將TWD之寬度修整為接近TW來調諧不具有跡線重疊調 諧特徵之最大面積不連續環形天線。
第12A圖與第12B圖分別為具有內部及外部靜電放電(ESD)環路111、113之其他示例性不連續環形天線108、110之圖解。舉例而言，第12C圖為比較分別在第12A圖及第12B圖中的不連續環形天線108、110相對於不具有ESD跡線(展示於所繪曲線109中)之相同不連續環形天線在-10dBA.m H場/磁場中的功率耦合之示例性曲線圖112。在此實例中，第12A圖及第12B圖中之不連續環形天線108、110各自具有三百(300)μm之不連續寬度W D6 。不連續環形天線108、110中之兩個ESD跡線端以橫越電容性RFID晶片的分路部件之形式連接至兩個RFID晶片端子中之任意一者。儘管改變ESD跡線的位置會影響環路之電抗，但ESD跡線之併入主要用於ESD保護之目的，而非用於阻抗匹配。最佳化ESD跡線之位置以產生對不連續環形天線108、110之RF阻抗的最小影響。在DC條件下，或在發生ESD的情況下，ESD分路跡線充當接地至高電壓之短路。基於應用要求，可將ESD跡線置放在不連續環形天線108之面積內部，或置放在不連續環形天線110之最大面積外部。連同ESD保護特徵，通過無ESD之不連續環形天線實現將功率耦合改良大約0.5dB。原因在於：與不連續環形天線110之外部ESD環形導體或無ESD之環形導體相比，歸因於不連續環形天線108之內部ESD環形導體的「環形套環形(loop in a loop)」設計增強了H場功率耦合。
第13A圖與第13B圖為具有變化的形狀因數之其他 示例性不連續環形天線114、116之圖解。在此實例中，第13A圖與第13B圖中的不連續環形天線114、116各自具有三百(300)μm的不連續寬度W D7 。舉例而言，第13C圖為比較分別在第13A圖及第13B圖中的不連續環形天線114、116於-10dBA/m H場/磁場中的功率耦合之示例性曲線圖118。舉例而言，第13D圖為比較分別在第13A圖及第13B圖中的不連續環形天線114、116於-10V/mE場/電場中的功率耦合之示例性曲線圖120。形狀因數影響用於E場及H場激勵中之功率耦合的不連續環形天線114的最大面積。最大面積不連續環形天線114之E場靈敏度可以不連續環形天線114之H場靈敏度為代價藉由增大不連續環形天線114的長度對寬度比而提高。在L/W比(2.3)較高之情況下，6.9cm長之不連續環形天線116的E場靈敏度比L/W比(1.06)較低之不連續環形天線高出1.4dB。如第13D圖所示，為了達到高出1.4dB的E場靈敏度，犧牲1.0dB的H場靈敏度。因此，可使用簡單的天線設計更改來定製不連續環形天線114、116之相關H場及E場靈敏度。
為了經由跡線重疊縮減具有調諧優勢，可藉由保持小跡線重疊來設計大面積不連續環形天線而非最大面積不連續環形天線。就此而言，第14A圖至第14C圖分別為其他示例性不連續環形天線122、不連續環形天線124及不連續環形天線126之圖解，該等不連續環形天線具有經調諧用於不同中心頻率之相同形狀因數天線環路尺寸。舉例而言，第14D圖為比較分別在第14A圖至第14C圖中之不連續環形天線於 -10dBA/m H場/具有1mm寬度環路的磁場中接收功率之功率耦合的示例性曲線圖128，該功率耦合為頻率之函數。在第14A圖中，提供2.53mm之跡線重疊長度W L1 以使不連續環形天線122在885MHz下諧振。藉由將跡線縮短大約1mm，第14C圖中具有1.23mm W L3 之跡線重疊長度W L2 的不連續環形天線126可經設計在915MHz下諧振。藉由進一步將跡線縮短大約1mm以提供0.03mm W L3 之跡線重疊長度W L2 ，可使第14B圖中的不連續環形天線124在945MHz下諧振。為了將不連續環形天線諧振改變為大約866MHz之歐洲頻帶或改變為956MHz之日本頻帶，可在對應於915MHz之縮減點的任意一側將縮減點延伸1.5mm。對於較小尺寸之不連續環形天線，縮減點更改應更大。在此實例中，與小尺寸連續環形天線相比，此等大面積不連續環形天線122、124、126享有之功率耦合優勢可高達19dB。
為了使用於調諧目的之精細縮減工序更輕鬆及促進較小尺寸的天線，可增大不連續環形天線之O len1 (第2圖)設計參數以實現中等尺寸(例如4sq cm至10sq cm)天線。就此而言，第15A圖為另一示例性不連續環形天線130的圖解，該不連續環形天線130經設定尺寸用於空間受限的應用，藉由重疊不連續環路跡線及增大跡線長度實現該不連續環形天線130。在第15A圖中，提供300μm之跡線重疊長度W L4 以使不連續環形天線122在915MHz處諧振。例如，第15B圖為圖示第15A圖中的不連續環形天線130在-10dBA/m H場/磁場中之功率耦合的示例性曲線圖132。
第16A圖至第16C圖分別為其他示例性不連續環形天線134、136、138之圖解，該等不連續環形天線134、136、138具有與第15A圖中的不連續環形天線相同的形狀因數，該等不連續環形天線134、136、138經調諧分別用於885MHz、915MHz及945MHz之不同中心頻率(作為非限定性實例)。在此實例中，不連續環形天線134、136、138中之每一者具有三百(300)μm之不連續寬度。舉例而言，第16D圖為比較分別在第16A圖至第16C圖中之不連續環形天線134、136、138在-10dBA/m H場/磁場之接收功率方面之功率耦合的示例性曲線圖140，該功率耦合為頻率之函數。在此實例中，不連續環形天線134、136、138中之縮減點可針對自885MHz至915MHz或自915MHz至945MHz的30MHz更改大到4mm。除調諧不連續環形天線134、136、138之外，亦可在將不連續環形天線134、136、138用於不同應用的同時，將不連續環形天線134、136、138調諧至具有對應於彼地區頻譜中之中心頻率的峰值耦合回應。
第17A圖至第17C圖為其他示例性不連續環形天線142、144、146之圖解，該等不連續環形天線142、144、146具有與第15A圖中之不連續環形天線130相同的形狀因數，第15A圖中之不連續環形天線130經設計用於不同基底材料上之示例性應用。在此實例中，不連續環形天線142、144、146中之每一者具有三百(300)μm之不連續寬度。舉例而言，第17D圖為比較分別在第17A圖至第17C圖中之不連續環形天線142、144、146在-10dBA/m H場/磁場之接收功率方面 之功率耦合的示例性曲線圖148，該功率耦合為頻率之函數。舉例而言，在美國可將不連續環形天線142、144、146的峰值回應維持在915MHz(作為實例)，此取決於RFID標籤之應用(該RFID標籤置放在(例如)紙箱(例如第17A圖中之不連續環形天線142)、可撓性電子板(例如第17B圖中之不連續環形天線144)或有損耗的玻璃基底(例如第17C圖中之不連續環形天線146)上)。
第18A圖為另一示例性不連續環形天線150之圖解，該不連續環形天線150經調諧至915MHz(作為非限定性實例)，該不連續環形天線150可為第15A圖中之不連續環形天線130，且提供該不連續環形天線150以用於與第18B圖中之不連續環形天線152進行比較。第18B圖為另一示例性不連續環形天線152之圖解，該不連續環形天線152具有使用隔離之圓周跡線改良的功率耦合。作為非限定性實例，可將不連續環形天線152調諧至915MHz。舉例而言，第18C圖為比較分別在第18A圖及第18B圖中之不連續環形天線150、152在-10dBA/m之H場/磁場之接收功率方面之功率耦合的示例性曲線圖154。在此實例中，發現隔離圓周跡線援助之用途在於將功率耦合改良約0.8dB。此係歸因於在此實例中藉由「環形套環形」設計來增強H場功率耦合。
另一類不連續環形天線為小面積不連續環形天線。由於一些RFID應用的苛刻尺寸約束，可能需要將不連續環形天線之形狀因數保持在較小之程度，例如，接近1cm2。就此而言，第19A圖與第19B圖分別為另一示例性小尺寸連續環 形天線156及不連續環形天線158之圖解。舉例而言，第19C圖為比較分別在第19A圖及第19B圖中的連續環形天線156及不連續環形天線158在-10dBA/m H場/磁場之接收功率方面之功率耦合之示例性曲線圖160。如第19C圖中可見，在此實例中，小尺寸不連續環形天線158享有比相同尺寸連續環形天線156高出4.5dB之峰值耦合。此係歸因於由於多轉向環形結構的不連續環形天線158之改良的阻抗匹配以及更高的H場功率耦合能力。
第20A圖與第20B圖分別為另一示例性小尺寸連續環形天線162及不連續環形天線164之圖解。舉例而言，第20C圖為比較分別在第20A圖及第20B圖中的連續環形天線162及不連續環形天線164在-10dBA/m H場/磁場之接收功率方面之功率耦合之示例性曲線圖166。可將不連續環形天線164減小至小於1cm2以得到較高的(2.4dB)峰值功率耦合。然而，不連續環形天線164之較低帶寬效應可通過操作之整個RFID頻帶產生類似的平均功率。
在小尺寸不連續環形天線中亦可包括ESD跡線特徵。ESD特徵係用於ESD保護目的，即便應注意ESD的可能性可能由於封閉間隔之相鄰跡線而最小化及剛好接觸單一跡線的可能性係最小的。在小尺寸不連續環形天線之情況下，若最佳的是具有ESD以及小尺寸約束，則可在不連續環形天線中提供外部ESD跡線。就此而言，第21A圖與第21B圖分別為其他示例性小尺寸連續環形天線168及具有外部ESD跡線169的不連續環形天線170之圖解。舉例而言，第21C圖 為比較分別在第21A圖及第21B圖中的連續環形天線168及不連續環形天線170在-10dBA/m H場/磁場之接收功率方面之功率耦合之示例性曲線圖172。如第21C圖中所示，天線佔用面積(real-estate)之輕微增大(1.67sq cm)對應於比小尺寸連續環形天線高出2.7dB的功率耦合。
第22A圖及第22B圖分別為另一示例性小尺寸連續環形天線174及具有內部ESD跡線177之不連續環形天線176之圖解。在此實例中，連續環形天線174為1.27cm2。在此實例中，不連續環形天線176為1.82cm乘以1.7cm。舉例而言，第22C圖為比較分別在第22A圖及第22B圖中之連續環形天線174及不連續環形天線176在-10dBA/m H場/磁場之接收功率方面之功率耦合的示例性曲線圖178。
可使用多種方法來增大不連續環形天線之環形面積。一種示例性方法包括增大天線環形結構之長度及/或寬度。另一示例性方法包括增大天線環形結構的重疊以在不連續環形天線中形成不連續。可在RFID標籤之設計階段期間提供該等方法。然而，因為不連續環形天線中提供之不連續，甚至在完成天線製造之後，改變不連續環形天線之電感及相應中心頻率亦為可行的。取決於應用可藉由修整不連續部分來調諧不連續環形天線諧振頻率。
本揭示案之實施例亦包括不連續環形天線。不連續環形天線包含環形導體及不連續部分，該不連續部分安置於環形導體中以在該環形導體中形成不連續電容器。不連續環形天線可包含環形導體中的單一不連續部分。環形導體可由 單一環路轉向組成。環形導體可由複數個環路轉向組成。環形導體可由至少一個圓周跡線組成。
不連續環形天線可經配置以調諧至諧振頻率，該諧振頻率作為調整不連續部分之函數。不連續環形天線可經配置以調諧至以下中心頻率中之至少一個：885MHz、915MHz及945MHz。不連續環形天線可經配置以調諧至諧振頻率，該諧振頻率作為調整不連續電容器之不連續電容的函數。不連續環形天線可經配置以調諧至諧振頻率，該諧振頻率作為調整不連續部分以改變環形導體之電感的函數。
不連續環形天線可進一步包含至少一個標記，該至少一個標記安置於環形導體中以指示環形導體的至少一個修整點，以調整不連續部分來調諧環形導體之諧振頻率。不連續環形天線可具有經配置以藉由調整不連續部分來進行調整之可調整阻抗。不連續部分可藉由安置在環形導體中彼此重疊距離的重疊導體形成。不連續部分可藉由在環形導體中形成之具有間隙距離之間隙不連續形成。不連續部分可藉由環形導體中形成之第一寬度之寬度減小的區段形成，該環形導體具有大於該第一寬度之第二寬度。不連續部分可藉由至少一個交叉指狀部分形成。
環形導體可由第一長度之第一導體及第一長度之第二導體組成；該第一導體具有第一端及第二長度之第二端部分，該第一端經配置以電耦接至第一天線節點，該第二端部分安置於第二端處；該第二導體具有第一端及第二長度之第二端部分，該第一端經配置以電耦接至第二天線節點，該第 二端部分安置於第二端處；且第一導體與第二導體佈置於封閉環形構造中以在具有環形導體電感的封閉環形構造內部形成環形導體區域。不連續部分藉由在安置為相距間隙距離處的第一導體的第二端部分與第二導體之第二端部分之間的不連續形成，以便形成環形導體中的不連續電容器。
不連續環形天線可由耦接至環形導體之至少一個靜電放電(ESD)分路組成。至少一個ESD分路由以下中的至少一者組成：安置於環形導體內部的第一ESD分路，及安置於環形導體外部的第二ESD分路。不連續環形天線可與另一電路阻抗匹配。不連續環形天線可安置於玻璃媒體、聚醯亞胺媒體及紙媒體中之至少一者上。
可以合適電路及/或裝置將任何實施例中揭示之任何功能性併入或提供於任何其他實施例中。儘管所說明之實施例係關於元件，其中元件之RFID賦能版本(包括IC及IC晶片)使用被動RFID標籤，取決於所需之RFID標籤系統的特定功能性，進一步實施例包括一或更多個半被動或主動RFID標籤。舉例而言，可在作為RFID標籤之部分或分離於RFID標籤之裝置中包括本文中所揭示之不連續環形天線，及可在RFID系統中包括或不包括該不連續環形天線，且該等裝置及RFID系統包括但不限於機上盒、娛樂單元、導航裝置、通信裝置、個人數位助手(PDA)、固定位置資料單元、移動位置資料單元、行動電話、蜂巢電話、電腦、可攜式電腦、桌上電腦、基於處理器之裝置、基於控制器之裝置、監視器、電腦監視器、電視、調諧器、無線電設備、衛星無線電設備、 音樂播放器、數位音樂播放器、可攜式音樂播放器、視訊播放器、數位視訊播放器、數位視訊光碟(DVD)播放器，及可攜式數位視訊播放器。
可在所需之任何應用中使用具有不連續環形天線之RFID標籤或其他負載裝置，該所需之任何應用包括但不限於：電連接器、醫療裝置、液力耦合器、飲料分配容器、工業控制器、環境監視裝置；消費型電子設備、電子設備總成與子總成、容器與蓋子、門與門框、窗與窗臺之連接；醫藥容器、醫療裝置、飲料容器、服裝、信用卡，以及若干其他應用。
熟習該等實施例所屬技術者將想到本文所闡述的實施例之諸多修改及其他實施例，該等修改及其他實施例得益於上述描述與相關圖式中所呈現之教示。因此，應理解，描述及申請專利範圍並不限於所揭示之特定實施例，且該等修改及其他實施例意欲包括在隨附申請專利範圍之範疇中。若該等實施例之修改及變化在隨附申請專利範圍及申請專利範圍的等效物之範疇內，則該等實施例意欲涵蓋此等修改及變化。儘管本文中使用了特定術語，但該等術語僅用作通用及描述性意義，並非用於限制目的。
10‧‧‧RFID系統
12‧‧‧被動RFID標籤
14‧‧‧積體電路
16‧‧‧天線
18‧‧‧記憶體
20‧‧‧主體
22‧‧‧RFID讀取器
24‧‧‧無線RFID信號
26‧‧‧發射器

Claims (29)

  1. 一種無線射頻識別(RFID)標籤，該RFID標籤包含：一RFID積體電路(IC)晶片，該RFID積體電路晶片經配置以接收RF功率；及一不連續環形天線，該不連續環形天線電耦接至該RFID IC晶片，該不連續環形天線經配置以自一接收的RF信號收集RF功率，且該不連續環形天線將該RF功率提供至該RFID IC晶片以驅動該RFID IC晶片。
  2. 如請求項1所述之RFID標籤，該RFID標籤經提供作為一被動或半被動RFID標籤。
  3. 如請求項1所述之RFID標籤，該RFID標籤經提供作為一主動RFID標籤。
  4. 如請求項1所述之RFID標籤，其中該不連續環形天線與該RFID IC晶片阻抗匹配。
  5. 如請求項1所述之RFID標籤，其中該不連續環形天線包含：一環形導體；及一不連續部分，該不連續部分安置於該環形導體中，以在該環形導體中形成一不連續電容器。
  6. 如請求項5所述之RFID標籤，其中該不連續電容器小於該RFID IC晶片之一電容。
  7. 如請求項1所述之RFID標籤，該RFID標籤安置於一玻璃媒體、一聚醯亞胺媒體及一紙媒體中之至少一者上。
  8. 如請求項1所述之RFID標籤，該RFID標籤安置於液體中或安置於一液體之一RFID標籤通信範圍內。
  9. 如請求項5所述之RFID標籤，其中該不連續環形天線經配置以調諧至一諧振頻率，該諧振頻率作為調整該不連續部分之一函數。
  10. 如請求項5所述之RFID標籤，其中該不連續環形天線經配置以調諧至一諧振頻率，該諧振頻率作為調整該不連續電容器之不連續電容之一函數。
  11. 如請求項5所述之RFID標籤，其中該不連續環形天線經配置以調諧至一諧振頻率，該諧振頻率作為調整該不連續部分以改變該環形導體的電感之一函數。
  12. 如請求項5所述之RFID標籤，其中該不連續環形天線具有一可調整阻抗，該可調整阻抗經配置以藉由調整該不連續部分而調整。
  13. 如請求項5所述之RFID標籤，其中該不連續部分藉由在該環形導體中在距彼此一重疊距離處安置之重疊導體形成。
  14. 如請求項5所述之RFID標籤，其中該不連續部分藉由於該環形導體中形成之具有一間隙距離之間隙不連續形成。
  15. 如請求項5所述之RFID標籤，其中該不連續部分藉由形成於該環形導體中的具有一第一寬度之一寬度減小的區段形成，該環形導體具有大於該第一寬度之一第二寬度。
  16. 一種藉由一RFID標籤之一RFID標籤天線接收無線射頻(RF)信號之方法，該方法包含以下步驟：經由一不連續環形天線接收一RF信號，該不連續環形天線包含一環形導體及一不連續部分，該不連續部分安置於該環形導體中以在該環形導體中形成一不連續電容器；將該RF信號提供至一RFID IC晶片；用來自該RF信號之RF能量驅動該RFID IC晶片；及在該RFID IC晶片中解調該RF信號中之RF通信。
  17. 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：將該不連續環形天線調諧至一諧振頻率，該諧振頻率作為調整該不連續部分之一函數。
  18. 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：將該不連續環形天線調諧至一諧振頻率，該諧振頻率作為調整該不連續電容器的不連續電容之一函數。
  19. 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：將該不連續環形天線調諧至一諧振頻率，該諧振頻率作為調整該不連續部分以改變該環形導體的電感之一函數。
  20. 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：調整該不連續部分以調整該環形導體之阻抗。
  21. 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：藉由在安置於該環形導體中之一標記處修整該環形導體以調整該不連續部分來調諧該不連續環形天線之一諧振頻率。
  22. 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：藉由在安置於該環形導體中之一標記處修整該環形導體以基於一基底材料調整該不連續部分來調諧一諧振頻率。
  23. 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：降低該不連續部分之一不連續電容，該步驟包含減小形成該不連續部分之重疊導體之間的一重疊距離。
  24. 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：降低該不連續部分之一不連續電容，該步驟包含增大間隙不連續中的一間隙距離以形成該不連續部分。
  25. 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：降低該不連續部分之一不連續電容，該步驟包含減小在該環形導體中形成之一寬度減小之區段的一第一寬度以形成該不連續部分，其中該環形導體具有大於該第一寬度之一第二寬度。
  26. 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：藉由增大該環形導體之一環形面積來提高該環形導體的電感。
  27. 如請求項26所述之方法，其中提高該環形導體之該電感之步驟包含以下步驟：增大重疊導體之間的一重疊距離以形成該不連續部分。
  28. 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：調整該環形導體之一縱橫比以控制該不連續環形天線之該相關H場及E場靈敏度。
  29. 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：藉由調整該不連續部分來調整該RFID標籤之一阻抗。
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