TW201411945A

TW201411945A - 用於無線射頻之偶極天線

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Publication number: TW201411945A
Application number: TW101133611A
Authority: TW
Inventors: Sung-Fei Yang; Troy-Chi Chiu; Chin-Chung Nien
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-03-16
Also published as: CN103682647A; TWI536673B

Abstract

本揭露涉及一種用於無線射頻之偶極天線，其包含一第一導電元件以及一第二導電元件，且該些導電元件皆設置於一基板上。該第一導電元件包含一第一路徑、一第二路徑及一第三路徑。該第二導電元件包含一第四路徑。該第一路徑及該第二路徑分別與該第四路徑具有一第一間隙及一第二間隙。

Description

用於無線射頻之偶極天線

本揭露係關於一種用於無線射頻之偶極天線，特別是關於一種具有增加磁通量面積與共軛匹配所需高電感值之環(loop)之偶極天線。

無線射頻辨識(Radio Frequency Identification,RFID)是近年來迅速發展的一項技術，是由讀取器(Reader)、電子標籤(Tag)和天線(Antenna)所組成的。此技術的論文最早在西元1948年就被提出，但是以當時的技術水準，沒有辦法完全的呈現，直到現今才真正應用於現實生活之中。

目前最常見的應用如交通運輸、圖書管理、保全系統、醫療應用等。此系統所使用的頻帶主要有低頻(125 KHz)、高頻(13.56MHz)、超高頻(860~960MHz)及微波(2.4~2.483GHz和5.72~5.87GHz)等頻段。

射頻辨識(RFID)係辨識產業的一種重要技術，且具有各種應用。RFID標籤或標記廣泛用於將物體與辨識代碼關聯起來。例如，RFID標籤已用於建築物的進出控制、車輛的安全鎖、以及追蹤存貨。

儲存於RFID標籤上之資訊可辨識希望進入設有安全設施之建築物的人員或具有唯一辨識號碼之存貨項目。RFID標籤可保留並傳輸足夠的資訊，以唯一地辨識個人、包裝、存貨等。一般而言，在RFID系統中，為從RFID標籤擷取資訊，RFID讀取器可使用射頻(RF)反向散射技術將一激發信號傳送至RFID標籤。該激發信號激發該RFID標籤，該RFID標籤進而將所儲存之資訊反向散射至該讀取器。然後，該讀取器從該RFID標籤接收資訊並對其進行解碼。

RFID標籤一般可包括用於資料處理之晶片以及用於資料通信之天線。在RFID產業中，重要的係，RFID標籤有效地接收或使用從RFID讀取器接收的能量，以促進對讀取器之後續回應或增加標籤可以無線方式與讀取器通信之可用無線電範圍。可藉由RFID標籤之晶片與天線之間的阻抗匹配來提高效率。

由於晶片一般表現出相對較高之容抗，因此，可將天線設計成具有相對較高之感抗，以實現共軛匹配。然而，此類高感抗可能會縮小RFID標籤之頻寬。而且，攜帶RFID標籤之基板的材料可能會引起標籤之所需感抗的變化。而且，晶片之容抗可能會因為半導體製程而變化。

因此，最好能具有一種能夠與對應晶片形成複共軛之RFID標籤天線。而且，最好是能增加RFID標籤之頻寬，同時實現標籤天線與晶片之間之阻抗匹配的複共軛。

目前以操作於902~928MHZ的超高頻(UHF)頻段最受業界的期待與注意，因其工作於UHF時有較遠的讀取距離、更大的資料傳輸率及較小的標籤尺寸，而RFID的操作頻寬在各個國家有所不同，像北美洲和南美洲操作頻寬為902~928MHz，而台灣則是應用於922~928 MHz。

一個合適的標籤天線必須有一些特性，首先必須可以小到足以附上或黏貼上被要求辨識的物體，而且通常需要全向性或者是半全向性，足夠好的阻抗匹配，以及在應用上要求線性極化或者是雙極化作用，結構必須不容易被破壞損毀，而且最重要的一點是必須非常便宜。由於先天上尺寸受到限制，導致相對狹小的阻抗頻寬(在VSWR<2的情況大約2%左右)。

本揭露提供一種用於無線射頻之偶極天線，其包含位於一基板上之一第一導電元件以及位於該基板上之一第二導電元件。

該第一導電元件包含延伸於一第一端與一第二端間的一第一路徑、從該第一端延伸至一第三端間的一第二路徑及從該第一端延伸至一第四端間的一第三路徑。

該第二導電元件包含延伸於一第五端與一第六端間的一第四路徑。此外，該第二端與該第五端間具有一第一間隙，該第三端及該第六端間具有一第二間隙，且該第一間隙係配置供決定該偶極天線之一頻寬或一耦合量之至少一者。

本揭露之該第三路徑的長度約為四分之一波長。

本揭露之該第一路徑及該第三路徑形成一長度，該長度配置供決定該偶極天線之一電阻。

本揭露之該第一路徑及該第二路徑形成一寬度，該寬度配置供決定該偶極天線之一感抗。

本揭露之該第一間隙係配置供決定該偶極天線之一頻寬或一耦合量之至少一者。

本揭露之該第三路徑包含一曲折結構。

本揭露之該第三端配置供電性連接至一晶片之一第一引腳，該第六端配置供電性連接至該晶片之一第二引腳。

本揭露另提供一種用於無線射頻之偶極天線，包含位於一基板上之一第一路徑、位於該基板上之一第二路徑、位於該基板上之一第三路徑以及位於該基板上之一第四路徑。

該第一路徑延伸於一第一端與一第二端間，該第二路徑延伸於該第一端與一第三端間，該第三路徑的長度約四分之一波長並延伸於該第一端與一第四端間，該第四路徑延伸於一第五端與一第六端間，該第二端與該第五端間具有一第一間隙，該第三端及該第六端間具有一第二間隙。

該第二路徑及該第三路徑形成一長度，該長度配置供決定該偶極天線之一電阻。該第一路徑及該第二路徑形成一寬度，該寬度配置供決定該偶極天線之一感抗。

本揭露進一步包含位於該基板上之一第五路徑，該第五路徑從該第五端及該第六端間之一第七端延伸至一第八端。

本揭露之該第五路徑的長度約為四分之一波長。

本揭露之該第一間隙係配置供決定該偶極天線之一頻寬或一耦合量之至少一者。且該第三路徑包含一曲折結構。

本揭露之該第三端配置供電性連接至一晶片之一第一引腳，該第五端配置供電性連接至該晶片之一第二引腳。

本揭露另提供一種用於無線射頻之偶極天線，其包含位於一基板上之一第一導電元件以及位於該基板上之一第二導電元件。

該第二導電元件包含延伸於一第五端與一第六端間的一第四路徑。該第二端與該第五端間具有一第一間隙，該第三端及該第六端間具有一第二間隙，該第一間隙配置供決定該偶極天線之一頻寬或一耦合量之至少一者。

本揭露另包含位於該基板上之一第五路徑，該第五路徑從該第五端及該第六端間之一第七端延伸至一第八端，該第五路徑的長度約為四分之一波長。

該第二路徑及該第三路徑形成一長度，該長度配置供決定該偶極天線之一電阻。該第一路徑及該第二路徑形成一寬度，該寬度配置供決定該偶極天線之一感抗。該第三路徑的長度約為四分之一波長。

本揭露之該第一間隙之寬度範圍介於0.01公分至1公分之間。

上文已相當廣泛地概述本揭露之技術特徵，俾使下文之本揭露詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其他技術特徵將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，可相當容易地利用下文揭示之概念與特定實施例可作為修改或設計其他結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，這類等效建構無法脫離後附之申請專利範圍所界定之本揭露的精神和範圍。

本揭露在此所探討的方向為用於無線射頻之偶極天線。為了能徹底地瞭解本揭露，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及結構。顯然地，本揭露的施行並未限定於相關領域之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的結構或步驟並未描述於細節中，以避免造成本揭露不必要之限制。本揭露的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本揭露還可以廣泛地施行在其他實施例中，且本揭露的範圍不受限定，其以之後的申請專利範圍為準。

在下文中本揭露的實施例係配合所附圖式以闡述細節。說明書所提及的「實施例」、「此實施例」、「其他實施例」等等，意指包含在本揭露之該實施例所述有關之特殊特性、構造、或特徵。說明書中各處出現之「在此實施例中」的片語，並不必然全部指相同的實施例。

此外，本揭露之申請專利範圍及發明說明描述的元件若無特別標示其數量時則為單數。若標示元件的量詞為一時，則量詞包含一單位或至少一單位。若標示元件的量詞為複數個時，則量詞包含兩個以上的單位。若標示元件的量詞未顯示時，則量詞包含一單位或兩個以上的單位。

在下文中本揭露的實施例係配合所附圖式以闡述細節。以下舉一些實施例做為本揭露的描述，但是本揭露不受限於所舉的一些實施例。又，所舉的多個實施例之間有可以相互適當結合，達成另一些實施例。

圖1為根據本揭露之一實施例之無線射頻辨識(RFID)標籤10之示意圖。參考圖1，RFID標籤(tag)10可包括晶片11與天線12。晶片11可耦合或固定於基板13上，並電性連接至基板13上面或上方之天線12。

晶片11可包括適當的電氣組件，例如，電阻器、電容器、電感器、電池、記憶裝置以及處理器，以透過天線12來提供與RFID讀取器的適當互動。一般而言，晶片11可表現出相對較高的容抗(Z_C)，其可由晶片製造商規定且可表達如下：Z_C=R_C-jX_C。

其中Z_C的實部R_C表示晶片11的電阻，而Z_C的虛部X_C表示晶片11的容抗。

基板13可形成個人辨識証、標記、包裝箱等之基礎。適用於基板13之材料可包括但不限於玻璃、環氧化物、陶瓷、Teflon與FR4等硬材料或紙、合成紙、塑膠與聚醯亞胺等有機材料。天線12之共振頻率可隨基板13之材料、電氣特性及厚度的變化而變化。

天線12可包括電感材料，例如銅、銅合金、鋁與電感墨水。可透過蝕刻、沈積或印刷製程或其他製程在基板13上面或上方形成電感材料的天線圖案。一般而言，天線12可表現出相對較高的感抗(Z_L)，其可表達如下：Z_L=R_L+jX_L。

其中Z_L的實部R_L表示天線12的輻射電阻，而Z_L的虛部X_L表示天線12的感抗。設計天線12時，最好形成Z_C與Z_L之複共軛，同時改善天線12之頻寬。

再次參考圖1，天線12可包含一導電元件或更多，例如第一導電元件121與第二導電元件122。

第一導電元件121可包含：一第一路徑(下稱「第一路徑AB」)，其延伸於第一端「A」與第二端「B」之間；一第二路徑(下稱「第二路徑AC」)，其從第一端「A」延伸至第三端「C」；以及一第三路徑(下稱「第三路徑AD」)，其從第一端「A」延伸至第四端「D」。

第一路徑AB及第二路徑AC形成一寬度W₁，其配置供獲得所需的感抗值，即X_L。在本揭露之一實施例中，X_L的值隨著寬度W₁的增加而增加。

而且，第一路徑AB與第三路徑AD可形成具有長度L₁之路徑BAD，其配置供獲得偶極天線所需的輻射電阻值，即RL。在本揭露之一實施例中，R_L的值隨著長度L₁的增加而增加。

第三路徑AD為四分之一波長傳輸路徑，其長度為四分之一波長，或四分之一波長之奇數倍。在此實施例中，RFID標籤10可接受各種頻率之一或多個頻率，例如三頻帶之至少一者。該等三頻帶之一範例可包括處於或接近2.45十億赫茲(GHz)之微波頻帶、位於860百萬赫茲(MHz)至960百萬赫茲(MHz)範圍內之超高頻率(UHF)頻帶以及處於或接近13.65百萬赫茲(MHz)之高頻(HF)頻帶。

在其他實施例中，RFID標籤10可接受另一或其他頻帶組合，視其應用或地區而定。天線12可配置成獲得足夠的天線增益，以收發所需波段的電波。

第二導電元件122可包括第五端「E」和第六端「F」，其可分別用作RFID天線12的短路點與饋入點，第五端「E」和第六端「F」可形成一第四路徑EF。而且，第二導電元件122之第五端「E」可與第一路徑AB之一端「B」相分離，但與其接近。換言之，第二端B與該第五端E間具有一第一間隙d₁。端E與B之間的距離為d₁，其可影響電場的耦合，進而影響天線12的頻寬。換言之，第一間隙d₁係配置供決定偶極天線10之頻寬或耦合量之至少一者。

在本揭露的一實施例中，電性耦合的量隨著距離d₁的增加而降低。可藉由改變電性耦合的量來獲得所需的頻寬。第一導電元件121的特徵在於「開路」耦合至第二導電元件122。明確地說，第二導電元件122係「開路」耦合至第一路徑AB之端「B」。

此外，第二導電元件122之第六端「F」可電性連接至晶片11之一引腳或一接點(未顯示)，而第一路徑AC之一端「C」可電性連接至晶片11之另一引腳或一接點(未顯示)。換言之，第三端C與第六端F間具有一第二間隙。

另外，如圖1所示之實施例中，第三路徑AD的形狀可為曲折結構。

熟習此項技藝者應瞭解，天線12可設計成具有各種天線圖案，同時獲得所需的電氣特性，例如，RFID標籤10的所需阻抗。圖2為根據本揭露之一實施例配置供應用於圖1所示之RFID標籤10之天線22的示意圖。

參考圖2，在此實施例中，天線22可形成於相對介電常數為εr=4.4，損耗正切為0.0245的FR4基板的上面或上方，且可接受約925百萬赫茲(MHz)的輻射頻率。

如圖2所示之偶極天線22的示意圖。偶極天線22包含一第一路徑AB、第二路徑AC、第三路徑AD以及第四路徑EF。

第一路徑AB延伸於一第一端A與一第二端B間。第二路徑AC延伸於該第一端A與一第三端C間。第三路徑AD的長度約四分之一波長並延伸於該第一端A與一第四端D間。第四路徑EF延伸於一第五端E與一第六端F間。此外，該第二端B與該第五端E間具有一第一間隙d₁，該第三端C及該第六端F間具有一第二間隙d₂。

如圖2之實施例中，偶極天線22另包含第五路徑GH。該第五路徑GH從該第五端E及該第六端F間之一第七端G延伸至一第八端H，本第五路徑GH為一選擇性路徑，可與第三路徑AD擇一或共同存在。此外，該第五路徑GH的長度約為四分之一波長。如圖2所示，第五路徑GH及第三路徑AD皆為曲折結構。

如圖2所示之偶極天線22之主體，舉例為52.5×17.5×0.8 mm³。換言之，L為52.5毫米，W為17.5毫米，厚度為0.8毫米。並且，長度L₁與W₁(其可分別決定偶極天線22的輻射電阻與感抗)可分別為約26.1公釐(mm)與15.3 mm。

開路之第一間隙d₁(其可決定電性耦合的量，進而決定偶極天線22的頻寬)可為約0.1至10毫米之間。偶極天線22的其他參數亦可根據其應用或地區來設定。

例如，參數集可包括約17.5 mm之寬度W₂、約9 mm之寬度W₃、約6.3 mm之寬度W₄、約5.9 mm之寬度W₅以及約3.6 mm之長度L₂。而且，第二間隙d₂(其可取決於晶片11之引腳間隙)可為約0.25至3 mm。詳細參數可參照表一如下：

圖2所示之天線22之上述參數，例如可借助模擬軟體來驗證。在一實施例中，可使用Ansoft Corporation之HFSS^TM軟體。HFSS可支援高性能電子設計之三維(3D)電磁場模擬。

例如，HFSS可支援高頻及高速組件之電磁模擬，並廣泛應用於設計天線與RF及/或微波組件以及晶片上嵌入式被動組件、印刷電路板(PCB)互連與高頻積體電路(IC)封裝。

藉由諸如HFSS之類的模擬軟體產品來提供曲線圖。該偶極天線可包括類似於圖2所示之偶極天線22的天線圖案及相關參數。晶片的容抗隨著頻率的增加而降低，而晶片的電阻可保持恆定，而不受頻率的影響。

偶極天線22的電阻與感抗可隨著不同間隙(例如，0.5 mm、1.0 mm與1.5 mm)下的頻率變化而變化。因此，可決定每一不同間隙下晶片與天線之間的共軛阻抗匹配。此時功率反射係數為零，因此天線與晶片之間有著最大功率的傳輸，稱為共軛匹配。

由於現今電波無反射室的天線場型量測系統都是設計匹配於50Ω系統，因此天線無法與天線場型量測系統阻抗匹配，導致無法精確量到標籤天線的輻射場型，故本揭露利用HFSS^TM來模擬此天線之輻射場型。

圖3為偶極天線在925 MHz時模擬YZ平面之輻射場型，由YZ平面之場型圖可得知在正Y方向與負Y方向有著兩個零點，這意味著在此方向時會有接收不到的死角。

由於上述的實驗，本揭露可協助原廠RFID晶片獲得更遠的讀取距離約2~4.5m(因不同RFID讀取器會有不同結果及FIRMWARE不同的關係)。因而設計一種偶極天線可供原廠RFID晶片獲得更加的效能。

綜上所述，本揭露基於一般RFID Tag天線之設計，並應用耦合效應與調變天線設計參數，進行天線設計優化。此RFID Tag設計為長矩形型式，可依被放置物本身之物理特性與條件，擇優選取擺放位置。此RFID Tag包括四大部份：(1)具關鍵阻抗值之RFIC晶片；(2)雙邊為1/4波長之電磁波接收單元(例如路徑AD及路徑GH)；(3)中間具增加磁通量面積與共軛匹配所需高電感值之環型天線(例如路徑CAB及路徑EF)；(4)以間隙(例如d₁)切斷環型天線，利用耦合效應產生較高電阻值以利共軛匹配設計。利用上述四項技術設計之天線整合於RFID Tag，可實現高效能遠距之RFID Tag，提升RFID Tag被成功讀取之機率。

在說明本揭露之代表性範例時，本說明書可將本揭露之方法及/或製程表示為一特定之步驟次序。不過，由於該方法或製程的範圍並不繫於本文所提出之特定的步驟次序，故該方法或製程不應受限於所述之特定步驟次序。身為熟習本技藝者當會了解其它步驟次序也是可行的。所以，不應將本說明書所提出的特定步驟次序視為對申請專利範圍的限制。此外，亦不應將有關本揭露之方法及/或製程的申請專利範圍僅限制在以書面所載之步驟次序之實施，熟習此項技藝者易於瞭解，該等次序亦可加以改變，並且仍涵蓋於本揭露之精神與範疇之內。

本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，在不背離後附申請專利範圍所界定之本揭露精神和範圍內，本揭露之教示及揭示可作種種之替換及修飾。例如，上文揭示之許多裝置或結構或方法步驟可以不同之方法實施或以其他結構予以取代，或者採用上述二種方式之組合。

本案之權利範圍並不侷限於上文揭示之特定實施例的製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，基於本揭露教示及揭示製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟，無論現在已存在或日後開發者，其與本案實施例揭示者係以實質相同的方式執行實質相同的功能，而達到實質相同的結果，亦可使用於本揭露。因此，以下之申請專利範圍係用以涵蓋用以此類製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步驟。

10‧‧‧RFID標籤

11‧‧‧晶片

12‧‧‧天線

121‧‧‧第一導電元件

122‧‧‧第二導電元件

13‧‧‧基板

22‧‧‧天線

AB‧‧‧第一路徑

A‧‧‧第一端

B‧‧‧第二端

AC‧‧‧第二路徑

C‧‧‧第三端

AD‧‧‧第三路徑

D‧‧‧第四端

E‧‧‧第五端

F‧‧‧第六端

EF‧‧‧第四路徑

GH‧‧‧第五路徑

G‧‧‧第七端

H‧‧‧第八端

d₁‧‧‧第一間隙

d₂‧‧‧第二間隙

W‧‧‧寬度

W₁‧‧‧寬度

W₂‧‧‧寬度

W₃‧‧‧寬度

W₄‧‧‧寬度

W₅‧‧‧寬度

L‧‧‧長度

L₁‧‧‧長度

L₂‧‧‧長度

L₃‧‧‧長度

L₄‧‧‧長度

L₅‧‧‧長度

L₆‧‧‧長度

當併同各隨附圖式而閱覽時，即可更佳瞭解本發明之前揭摘要以及上文詳細說明。為達本發明之說明目的，各圖式裏圖繪有現屬較佳之各具體實施例。然應瞭解本發明並不限於所繪之精確排置方式及設備裝置。

圖1為根據本發明之一實施例之射頻辨識(RFID)標籤之示意圖；圖2為根據本發明之一實施例配置用於圖1所示之RFID標籤之天線的示意圖；及圖3為說明配置用於RFID標籤之天線在一定開路距離下之波型示意圖。