TWI330335B - Tag-use antenna and tag using the same - Google Patents

Description

九、發明說明： ’ 【發明所屬之技術領域j 發明領域 本發明有關一種極微型、用於一大型積體(LSI)晶片的 標籤用天線、及使用此天線用於—射頻識別（RFID)系統之 標籤其能夠藉由使用一無線電高頻信號來實行在一讀取器 /寫入器與一標籤之間的通信。 【冬好]I 發明背景 —RFID系統是一種’藉由使用一在86〇 MHz與960 MHz之間的超高頻(UHF)，用於傳輸一來自一讀取器/寫入 器（在下簡單地“RW”）大概1瓦的信號、接收在一標籤側的 k號並將一反應信號重新傳輸回該尺…侧，因此使該RW能 夠讀取儲存於該標籤的資訊。 該標籤係由一形成在一平坦表面諸如大概〇1 mm厚的 薄片或一薄膜等上的標籤用金屬天線、及一連接至該標 籤用天線的一饋入點的片構成。該LSI晶片通常是小 於一芝麻籽，實際上大概0.2 mm厚並且它的面積大小大概 是 1 mm2 ° 在該RW與標籤之間的一通信距離約為3至5 m，視一標 籤用天線的增益、一LSI晶片的一操作電壓、及該周圍的一 環境情況等而定。 第1A '第1B及第1C圖是分別說明用於一種傳統RFID 系統之標籤用天線之圖。第1A圖顯示—種標籤用天線包含 1330335 水平延伸在一電源饋入部i兩側的偶極部2 ;第丨丑圖顯示一 個具有使第1A圖的兩端被阻擋的摺疊偶極部3 ;及第⑴圖 顯示-個具有-與該等偶極部2平行連接至第糊所示之 饋入部1的電感部4。 5 帛2圖是—顯示一標籤用天線與-被用於-射頻識別 系統之LSI晶片的等效電路圓，偕同該左側顯示該標藏用天 線的一等效電路5且該右側顯示該LSI晶片的一等效電路 第3圖是-圖，藉由-導納圖來示範一種使用傳統標藏 用天線之標籤的分析。-導納圖係依照在一將該圖的圓圈 10分成頂與底半之純電阻線的左側上的零（‘‘〇，，）歐姆、以及 在其右侧的無限（“〇〇”）歐姆來指示。 如第2圖所示，一標籤用天線係能等效地以一放射電阻 Ra與一電感La的並聯連接來表示，同時一lSI晶片係能等效 地以一電阻器Rc與一電容以的並聯連接來表示。 15 然後，該標籤用天線與該LSI晶片的並聯連接使得該電 感La與電容Cc共振、並且它們在一如同係明顯自一表示式 f0= l/(27rV0^)”的希望共振頻率下匹配，導致一在該 標籤用天線的接收功率係適當地供應至該LSI晶片側。 即’例如，讓該標鐵用天線的一放射電阻Ra為4〇〇歐 20姆、例如’該LSI晶片的一電阻Rc為500歐姆、一配置是以 便抵消掉二者的電阻、並在以上所註釋之共振頻率表示式 中假設L=La=20奈亨利（在下縮寫為“nH”）且c=Cc=14 pF，於是對於一处①系統所要求之f〇= 953 mhz的希望共 振頻率被獲得。 6 1330335 對於一用於標籤用天▲之基本天線，首先可想到的是 一約145 mm之全長的偶極天線，其係由水平延伸在第丨八圖 所示之饋入部1的兩方向之偶極部2構成。

在此結構中，連接至該等偶極部2的饋入部1擷取來自 5 一在該等偶極部2所接收的信號之電源並將該電源饋入至 配備在該饋入部1的LSI晶片且亦經其本身將該信號轉移至 該LSI晶片。該偶極天線的配置實際上測量一放射電阻Ra= 72歐姆。 附帶地，以上註釋之電阻RC= 500歐姆與電容Cc= 1.4 10 pF的一LSI晶片之阻抗係指示在一在該導納圖中區之 約“-40度”方向上斜右邊以下的位置（第3圖顯示單單由一 指出如“晶片”之圓形圖的位置）。 在此情況下，在該導納圖中，該偶極天線與上述LSI 晶片共振的一最佳位置是該LSI晶片相對該導納圖的純電 15 阻線相反對稱的一位置、並且第3圖顯示在一 <yL區之約 “+40度”方向上斜右邊以上的位置。 該位置係用於一具有一放射電阻Ra= 500歐姆與一電 感La=20nH的阻抗（第3圖顯示由一指示“最佳位置”的圓 形圖的位置）。

20 依此，對於一對應電阻Rc= 500歐姆與電感Cc= 1.4 pF 之LSI晶片的RHD標籤用天線所要求的一放射電阻Ra是非 常高’即，約500歐姆、並且因此由第1A圖所示之偶極天線 的放射電阻Ra= 72歐姆是極小的。 於是藉由設計該偶極天線之配置，將一放射電阻!^向 7 1330335 上增加至約500歐姆是必要的。於是所設計的是一種摺疊偶 極天線具有一從第1A圖的兩端摺回之145 mm全長的摺曼 偶極部3，如第1B圖所示。 此配置使得有可能增加一放射電阻Ra»此配置係了解 5 允許放射電阻之設定於約300至1500歐姆之範圍，取決於該 摺疊部的一導線寬。

第3圖顯示一具有一放射電阻Ra為400歐姆之摺疊偶極 由在該純電阻線上的一三角形所指示的一阻抗位置。 此處，隨著該放射電阻Ra被保持在400歐姆，一電感部 10 4進一步與該偶極部21並聯地連接至第1B圖的饋入部1，如 第1C圖所示平地行進一步連接將該天線特性在該導納圖上 逆時針方向旋轉。 此導致將與該電感L連接、具有953 MHz的一共振頻率 的摺疊偶極天線之天線特性定位接近該最佳位置，如在第3 15圖的6^1^區中由一連接有該電感[之摺疊偶極（在下的“連 接L的摺疊偶極天線”）的一三角形所示。 由第3圖所示之導納圖示範在7〇〇與12〇〇 MHz之間的 特性。在該共振頻率的範圍中，明顯的是該連接[的摺疊偶 極天線之天線特餘跡7職在料振最佳师卩，Ra= 500 20歐姆且La=20nH之最佳位置）周圍。 即’明顯的是由第1C圖所示之該連接[的摺疊偶極天 線的配置加寬了與該LSI晶片共振的頻帶。 二▼地’ RFID係藉由被貼附至不同本體來使用作為 標籤在此本體是-聚苯乙稀的情況下該的介 8 電常數ε r近乎為l.l ’其‘約相同如在空中的值（ε r= i) β 即’在將一標籤貼附到一聚苯乙烯上的情況下，它變 成約相同如將該天線飄動於空中。 例如，在貼附有一RFID之主體為一塑膠的情況下，若 該塑膠的厚度為2mm，則在該天線周圍的一有效介電常數 變大’因為一塑膠材料的介電常數約是εΓ= 3。 同時，在操作頻率953 MHz下與一RFID通信之RW的行 為憑經驗知道大概是相同如在以1〇〇 MHz取代之空中953 MHz之特性。 依此當被貼附到不同種類的主體上時，即，當該操 作頻率被替代時’若該天線的一通信距離變動則實用性受 阻、並因此希望的是一天線它的通信距離不改變即使它被 貼附至不同種類的主體。 因此，用於一RFID的一好天線是一種能夠具有一寬頻 帶特性，即，具有一寬頻特性。 包含如第3圖所示之天線特性的連接l的摺疊偶極天 線，由第1C圖所示，具有—適當寬帶，例如，根據第3圖的 天線特性軌跡7的一個旋轉部7a之帶寬大概是2〇〇 mhz、係 心特徵為一好天線它的通信距離由於要被貼附至的一材料 而難以變動（即’因—要被_至的材料而未受影響）。 然而，使用者對於微型化該RFID有一強烈要求。一具 _水平xl5 _垂直之大小的天線對於—標藏使用 是太大了。可忐只有可能使用它用於例如管理—書，而因 在-匕實用性方面它的使用之限制，無任何自由度，因此 需要進一步微型化。 附帶地’若某人嘗試將一天線的整個大小限制到例如 80 X 20 mm，則他必須將該天線線彎曲成一蜿蜒形式（或 曲折的）為了將該延長線長度儲藏到一小面積大】。 然而，知道的是一天線的微型化加寬了該旋轉一個週 期之特性部（即，該特性執跡7a)如第3圖所示的一頰率間格 (例如，一個旋轉帶寬變成大概僅2〇 mHz)。 即，該天線的微型化縮減了一頻帶。換言之，一包含 使微型化天線之RFID，依照所要被貼附至的材料，大大地 改變了通信距離。此是所面對的實際問題。 C發明内容】 發明概要 根據本發明的一種標籤用天線是一個包含—偶極天 線、一饋入部及一電感部，其係特色以一在同一平坦面中 的導體，其中該饋入部，在一能配備有一晶片之方式下， 係特色在該偶極天線的中心，該電感部係與該偶極天線的 一偶極平行地連接至該饋入部，及該偶極天線係藉由從將 該偶極至少分別在四個位置彎曲的彎曲部之兩端向内彎曲 而形成一正方形螺旋，偕同該等四個位置之每一彎曲部的 王。卩長度在該等彎曲部係延伸至一值線時係短於該天線的 一共振波長的一半。 該標籤用天線係在該電感部係特色在於該偶極天線的 中“附近且位在該偶極天線以該正方形螺旋所形成之該偶 極的中部之如此方式下來配置。該標籤用元線係在該天線 1330335 的全部長度與該電感部被調整以便使，例如，一標藏在953 ΜΗζ6〇 δΜ取器/寫人a操作頻率下的—阻抗變成接近一天 線的最佳值之如此方式下來配置❹例如，該導體是銅、銀 或铭。 5 該標籤用天線係配置以至於該饋入部係連接至、並配

備有一大型積體(LSI)晶片。在此情況下，一配置可以是以 便以一塑膠樹脂或紙自該標籤用天線的兩面將該標籤用天 線夾在中間。在此情況下，該塑膠樹脂最好是一對苯二曱 酸乙二酯薄膜。 10 根據本發明之一種標籤係配置來以塑膠樹脂或紙自兩 面將該標籤用天線夾在中間。 本發明係設計來使能夠供應一種非常精簡的標籤用天 線，它的通信距離係因其上貼附有天線的一主體而少改 變’即，該天線維持一最小改變的通信距離、以及一種使 15用該標籤用天線之標籤。 圖式簡單說明 第1A、第1B及第1C圖是說明用於一種傳統射頻識別系 統的標籤用天線之圖； 第2圖是一顯示一標籤用天線與一被用於一射頻識別 20 系統之LSI晶片的等效電路圖； 第3圓是一圖，示範一種使用傳統標籤用天線之標籤的 分析； 第4圖是一斜視圖，顯示根據一實施例之一種極精簡標 籤用天線的結構； 11 1330335 第5圖是一導納圖，顯示根據一實施例的一種標籤用天 線之阻抗特性； 第6圖是一圖，顯示根據一實施例一標籤用天線由一電 磁場模擬器所計算出的一反射比頻率特性； 第7圖是一圖，顯示根據一實施例一標籤用天線由一電 磁場模擬器所計算出的一天線增益之計算值；及

第8圖是根據一實施例的一通信距離特性圖其能獲得 一標籤用天線的一反射比特性與一增益特性在一 Excel圖 中。 10 【實万包方式】 較佳實施例之詳細說明 藉由參考該等附圖，以下是本發明之較佳實施例的一 詳細說明。

第4圖是一斜視圖，顯示根據一實施例的一種極精簡標 15 籤用天線。注意，第4圖顯示一標籤用天線沿著内建有該標 籤用天線之標籤。該標籤係藉由以一塑膠樹脂或紙將該標 籤用天線的兩面夾在中間來配置。第4圖藉由透視顯示該塑 膠或紙標籤内部指示一標籤用天線。 第4圖所示之標籤用天線10的整個大小是53 mm水平X 20 7 mm垂直。 該標籤用天線10包含一偶極天線、一饋入部及一電感 部^係特徵以一在同一平面的導體，該導體最好使用銅、 銀或紹。 該饋入部係形成來使能夠一LSI晶片之配備在該偶極 12 1330335 天線的中心並且包含一晶片配備部8如第4圖所示。隨著該 晶片配備部8是在尹心，任一侧係特徵⑴_之線路徑寬 的偶極部9 ’因此整個看來以一偶極天線為特徵。 由該偶極天線極部9構成在兩面的偶極天線係藉由將 5該偶極從至少四個位置中在彎曲部n(即，1M，112, 113 及11-4)兩側向内彎曲而形成一矩形螺旋。即本實施例每 一側上具有四個彎曲部。 當該等各個彎曲部係延伸在直線時，該偶極天線的整 個長度係以短於該天線的一共振波長之半為特徵，如稍後 10 詳細所述。 在該偶極天線的附近係以一在兩個分別形成該上述之 矩形螺旋的偶極部9與9的中間部之電感部12為特徵。該電 感部12係與該兩個偶極部9與9平行地連接至該晶片設備 8，即’該天線的饋入部。 15 該偶極天線（即’該標籤用天線10)係藉由將RC= 500歐

姆與Cc= 1.4 pF的一LSI晶片連接至、並配備有該饋入部 (即，該晶片設備部8)而構成如一標籤、並且該二者表面 (即，第4圖顯示中的頂與底表面)被介電常數εΓ= 3且厚度t= 0.75 mm的塑膠樹脂所覆蓋。 2〇 該塑膠樹脂13使用，例如，一對苯二曱酸乙二酯薄膜 等。或者，一適當的紙可被用來覆蓋該兩個表面代替該塑 膠樹脂13。 第十^圖是一導納圖’顯示該標籤用天線10的一天線特 性，即，它的阻抗特性。注意，第5圖顯示中之該晶片位置 13 1330335 與該天線的最佳位置係相同如第8圖的情況。 由第5圖所示之導納圖顯示對於一商用電磁場模擬器 的一指不一天線特性由於該標籤用天線10之Ra、La、R_c與 Cc之輸入值的軌跡14以及在goo與n〇〇 mHz之間的頻帶中 5 的計算阻抗。 該天線特性軌跡14環繞在該天線的最佳點周圍，由於 在藉由第5圖中虛線橢圓15所圍住所指示之RW操作頻率 953至1000 MHz附近該軌跡η是最接近其的。即，在該LSI 晶片與偶極天線之間的一反射比是小的。 10 另外增加頻率以便逼近超過一由第5圖中的一虛線橢 圓16所指示的1050 MHz的位置，在該LSI晶片與偶極天線 之間的一反射比變大因為它距離該天線之最佳點是遠的。 第6圖是-圖，顯示由上述電磁場模擬器所計算的標籤 用天線10之反射S11的一頻率特性，顯示在水平軸上的頻率 15 (8_11GG ΜΗζμχ及由-在㈣直圖的最纽離所指定 的相對通信距離。 由以上所述’由該標籤用天線1〇所擁有的一通信距離 在相對953 MHz的RW操作頻率之左與右方向上是不對稱 的並且是相對穩定的通信距離的一特性。 2 0 依照該電磁場模擬器之以上指明的計算指定第4圖所 示之塑膠樹脂13的頂與底為空中並且因此在MHz之 RW操作頻率的通信距離是當該標籤用天線是在空中時的 一距離。在空中的通信距離是依照相對於該指定最大離之 0.95的-距離如第8圖所示。即’該最大距離的95%被保證。 14 1330335 當將該標籤用天線10貼附至ε r= 3且2 mm厚的一塑朦 時，在該天線附近的一有效介電常數變大，下移一帶大概 有10%。即，第8圖所示之波形移向較低頻率側有大概1〇〇 MHz。 5 換言之，根據第8圖所示之波形，在高於953 MHz約有

10%的1050 MHz的相對通信距離之值變成將該標籤用天線 10貼附到一2 mm厚塑膠時的一通信距離❶在此情況下的通 信距離是一依照相對於該指定最大距離的〇·8之距離如第8 圖所示，保證80%的最大距離。 10 亦如自第8圖所明顯的’根據本實施例之標籤用天線 10，當被貼附至一聚苯乙稀或一2 mm塑膠時，係配置來不 斷地保證在空中的最大通信距離的80%當中、並因此擁有 極ifj的距離穩定性。

根據本實施例之標籤用天線的卓越特性是由該偶極部 15與電感部構成的天線圖案在一方式下被調整以便將該天線 的最佳值逼近953 MHz之RW操作頻率的附近，同時反射比 因自該农佳值離開在馬於95 3 MHz的頻率下變大，其被較 高的天線增益所補償，導致保持該通信距離在一最小損失。 為了在高於953 MHz之頻率的更高天線增益，該天線 2〇的全部長度係配置為接近該提供良好增益效率的天線共振 波長之半。 根據本實施例之標籤用天線1〇的天線圖案係值得注意 地特徵在配置以此一方式係，當該等彎曲部丨丨係直直延伸 時’該天線的全部長度是比該天線共振波長又之半短一點。 15 1330335 由第4圖所示之範例德配置成該天線的全部長度在職 值延伸該等彎曲部時大概為120 mm，同時該天線共振波長 λ之半大概為130至140 mm，具有包含在該頂與底側上的 塑膠樹脂13之該天線共振波長；（的10 mm容忍帶。 5 同時，該偶極部藉由從該侧彎曲至内部而僅可能維持 直的、並且該電感部係希望特徵在兩個偶極部之間因為它 們並非彼此靠近。

藉由此結構，在953 MHz的阻抗被設定以逼近該天線 的最佳值並使在1050 MHz附近的天線增益最大，如第5圖 10 所示。 此結構使能夠實現一種擁有總是保證一在空中、或藉 由被貼附至一聚苯乙稀或一2 mm厚的塑膠之最大通信距 離的80%當中的距離之極高距離穩定性的標籤用天線。 注意本發明假設該整個標蕺用天線的大小（即，一連接 15 L的偶極天線）為3〇至80 mm水平X 6至15垂直。 冨四個彎曲部係形成在如第4圖所示53 mm水平X 7 mm垂直之大小的兩個偶極部的其中一個上時，彎曲部的數 量將被增加到5或6等，因為一天線變更小。 如到現在為止所述，本發明係發明來使能夠供應一種 20標籤用天線與一種標籤，其藉由使用一極精簡的天線允許 一取決在所被貼附到的一主體之通信距離的最小變化。 【圖式簡單說明】 第1A、第1B及第1C圖是說明用於一種傳統射頻識別系 統的標鐵用天線之圖； 16 1330335 第2圖是一顯示一標滅用天線與一被用於一射頻識別 系統之LSI晶片的等效電路圖； 第3圖是一圖，示範一種使用傳統標籤用天線之標籤的 分析； 5 第4圖是一斜視圖，顯示根據一實施例之一種極精簡標

I 籤用天線的結構；

第5圖是一導納圖，顯示根據一實施例的一種標籤用天 線之阻抗特性； 第6圖是一圖，顯示根據一實施例一標籤用天線由一電 10 磁場模擬器所計算出的一反射比頻率特性； 第7圖是一圖，顯示根據一實施例一標籤用天線由一電 磁場模擬器所計算出的一天線增益之計算值；及 第8圖是根據一實施例的一通信距離特性圖其能獲得 一標籤用天線的一反射比特性與一增益特性在一 E X c e 1圖 15 中。

【主要元件符號說明】 1...電源饋入部 8...晶片設備部 2…偶極部 9…偶極部 3...摺疊偶極部 10...標籤用天線 4...電感部 11-1...彎曲部 5...等效電路 11-2...彎曲部 6...等效電路 11-3...彎曲部 7··.天線特性軌跡 114...彎曲部 17 1330335 12...電感部 Ra...放射電阻 13…塑膠樹脂 La...電感 14... IW Rc...電阻器 15...虛線糖圓 Cc...電容 16…虛線糖圓

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Claims (1)

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期：99年〇4月19日 第95130259號專利申請案申 申請專利範圍： 1· 一種賴用天線，其包含藉由導體形成在同—平面中之 -偶極天線、一饋入部及_電感部，其中 5 該饋入部係以能配備有-晶片之方式下形成在該偶 極天線的中心， 該電感部係與該偶極天線的-偶極平行地連接至該 饋入部，及 Φ 魏極天線係藉由從將該偶極至少分別在四個位置 1 f曲的彎曲部之_向内f曲而形成-矩形螺旋，該偶 10 ㉟天線的全部長度在該等彎曲部被延伸JL-直線時係短 於該天線之一共振波長的一半。 2.如申請專利範圍第丨項所述之標籤用天線，其中該電感 部係形成在該偶極天線之中心附近且被置於該偶極天線 以該矩形螺旋所形成之該偶極的中間。 15 λ •如申請專利範圍第1項所述之標籤用天線，其中該天線 % 的全部長度與該電感部被調整以便使一標籤在953 MHz 的讀取器/寫入器操作頻率下的一阻抗變成接近一天線 的最佳值。 4. 如申請專利範圍第1項所述之標籤用天線，其中該導體 是鋼、銀或紹。 5. 如申請專利範圍第i項所述之標籤用天線，其中該饋入 部係連接至且配備有一大碧積體(LSI)晶片。 6. 一種標籤，其藉由一塑膠樹脂或紙自如申請專利範圍第 5項所述之標籤用天線的兩面將該標籤用天線夾在中 19 1330335

_ _____,.*一-·^ 間。 - 7.如申請專利範圍第6項所述之標籤，其中該塑膠樹脂是 一對苯二甲酸乙二酷（ethylene terephthalate)薄膜。 20