TWI362783B - Tag antenna and tag - Google Patents

Description

1362783 九、發明說明： C發明所屬之技術領域：j 發明領域 本發明係有關於一種在RHD系統中使用的標籤，即，

5 無線1C標籤，更特別地，係有關於一種用於如此之無線1C 標籤的標籤天線，及一種安裝該標籤與一1C晶片的標籤。 L先前技術3 發明背景 RFID (無線射頻識別）系統是廣泛地用於，例如，物件 10 的管理，或其類似。在這些系統中，一讀取器/寫入器發射 無線電波到一標籤，該標籤藉無線電波傳回在該標籤之内 的資訊到該讀取器/寫入器，而該讀取器/寫入器讀取在該標 籤之内的資訊。該無線電波的頻帶是為UHF頻帶。在868 MHz、915 MHz、和953 MHz附近的頻率是分別在歐洲、美 15 國 '和日本使用。端視安裝在該標籤之内之晶片的性能而 定，通訊距離是大約3至5 m，而讀取器/寫入器的輸出是差 不多1W。 使用雙極天線作為如此之無線1C標蕺之天線的優點是 為可得到適合的指向性。然而，當天線的長度是為無線電 20 波之波長λ的一半時天線的效率是最大。這導致一個問題為 該天線的長度增加，其使得標籤無法縮減尺寸。此外，如 果在所使用之如此之雙極天線附近有金屬的話，該標籤的 通訊距離是顯著縮減。 例如，平板天線是習知地使用作為一用於一連接至金 5 屬之標織的天線。第1圖說明如此之平板天線的習知例子。 在逆圖式中’該平板天線是由一平板導體100、一在一電介 質102之背面上的接地導體1CH、與介於該平板導體100與該 接地導體1〇1之間的電介質102構成。一1C晶片是安裝於一 個在該平板導體1〇〇側的晶片安裝部份1〇3中。該IC晶片的 其中—個終端電極是連接到位於正面之平板導體100的一 個適當部份’而另一個終端電極是經由一個貫孔104來連接 到背面，即，該接地導體101。 第2圖顯示在第1圖中所示之平板天線之通訊距離的例 Ή如’如果該1C晶片的尺寸是實施如1 _mm-平方，且標 籤的數目η是為丨的話，在953 MHz的頻率下通訊距離是 3m。然而，例如，如果數個相同的標籤是在一接近範圍内 使用的活，即，如果標籤的數目η是為2或3的話，通訊距離 的特性曲線轉變成低頻率侧，而在953 MHz之頻率下的通 矾距離顯著縮減。 專利1至4揭露與如此之無線ic標籤，以及用於如此之 標蕺之天線相關的習知技術。專利文件1揭露非接觸式1C標 籤，不管位於該標藏之背面上的物質，藉由包含具有與在 第1圖中所示之結構相似之結構的一天線、一反射板和一介 於該天線與該反射板之間的間隙子，該標籤能夠保持資料 的讀取/寫入狀態固定》 專利文件2揭露一種平面天線，其能夠藉由以交叉結構 方式叹置一凹溝來降低阻抗，而且能夠在不需要阻抗變換 電路等等之下使該阻抗匹配50Ω的供應線的阻抗。

丄厶/OJ

10 專利文件3揭露用於提供一 類似形式央f a 缺_技術’其具有以 _ ②介㈣地與天線表面，而且在I中’- =該電介質從天線表面突出的孔洞是設置而且一 厂自天線表面上之孔洞突出之電介質所劃分的區域形 成個供-傳輸/接受元件用的匹配電路。 專利文件4揭露用於藉由使用一微帶天線來實現一具 ^高指向性之無職:賴術，_個勾狀纟讀是形成於 一個在-位於-電介質之前表面上之發射導體上之晶月的 安裝部份。

…、而例如，根據專利文件卜當讀取距離是最大化時， 在天線表面與反射板之間的距離是相等於或者比30_ 長’而間隙子的厚度增加’導致難錢該職籤尺寸縮減。 而且在第1圖令所示的習知例子以及由專利文件2至4所揭 露的技術無法解決的問題為成本是由於製作貫孔而增加， 而且當數個標籤在狹窄範圍内使用時通訊距離縮減，以及 當保持-個實施通訊距料是難以使天線的尺寸縮減。 [專利文件1]日本公告未審查申請案第2〇〇2 2981〇6 號”非接觸式1C標籤” [專利文件2]曰本公告未審查申請案第2006-140735 20 號”平面天線” 15 [專利文件3]曰本公告未審查申請案第2006-237674 號”平板天線及RHD嵌入物” [專利文件4]曰本公告未審查申請案第2006-311372 號”無線1C標籤” r si 7 1362783 【發明内容3 發明概要 本發明之目的是為提供一種低成本標籤天線，在其 中，一個可附於金屬的標籤在保持與讀取器/寫入器之實施 5 通訊距離時能夠尺寸縮減，而且縱使當數個標籤是在狹窄 範圍内使用時，該通訊距離顯著縮減是能夠避免。 本發明的標籤天線是為一種用於一個把無線電波傳送 到讀取器/寫入器或從讀取器/寫入器接收無線電波之標籤 的天線，其由一個介電間隙子及一個形成於該間隙子之其 10 中一個表面上的天線圖案構成。該天線圖案在尺寸上是比 λ/2諧振長度小，其相當於一運作頻率，並且具有一個細縫 圖案，該細縫圖案的尺寸是適合要被安裝之晶片的電阻組 件和電容組件。 在本發明之較佳實施例的天線圖案中，一個細縫圖案 15 和一個切除部份是形成，而一個天線發射電阻和一個電 感，其對應於該細缝圖案與該切除部份，是被包含，該晶 片的電感和電容組件滿足在運作頻率下的諧振條件，而該 晶片的天線發射電阻和電阻組件在大小上變成相等。 本發明的標籤是為一種在以上所述之天線圖案上安裝 20 有一要被安裝之晶片的標籤。 如上所述，在本發明的標藏中，天線圖案的尺寸是比 在運作頻率下的λ/2諧振長度小，而至少一個用於匹配該要 被安裝之晶片之電阻與電容組件的細縫圖案是被包含。 根據本發明，該標籤可以藉由使該天線圖案比λ/2諧振 8 1362783 長度小來被尺寸縮減，藉此在保持通訊距離時可附於金屬 的該標籤能夠被提供。一個連接在該天線圖案與該金屬反 射板之間的貫孔是不再需要，藉此成本能夠降低。除此之 外，本發明的標籤在尺寸上是比λ/2諧振長度小，而干擾不 5 出現在標籤天線之間，縱使該等標籤是佈置在一接近範圍 中。結果，通訊距離能夠被防止顯著縮減。 圖式簡單說明 第1圖說明一標籤天線之習知例子的結構； 第2圖說明當習知例子的標籤天線是佈置在一接近範 10 圍中時的通訊距離； 第3圖顯示本發明之第一較佳實施例之標籤天線的基 本結構； 第4圖說明在一 1C晶片與該標籤天線之阻抗之間的匹 配； 15 第5圖說明在一天線貼片上的電流分佈； 第6圖顯示在第4圖中所示之天線發射電阻的計算結 果； 第7圖顯示在第4圖中所示之電感的計算結果； 第8圖顯示該標蕺天線對該1C晶片之反射係數的計算 20 結果； 第9圖顯示該標籤天線之增益的計算結果； 第10圖顯示該標籤天線之通訊距離的計算結果； 第11圖顯示當該等標籤被佈置在一接近範圍中時該通 訊距離的計算結果； 9 1362783 第12圖說明一個相當於第11圖的狀態而且在其中該等 標籤是佈置在一接近範圍中； 第13圖說明本發明之第二較佳實施例之標籤天線的製 造步驟； 5 第14圖說明本發明之第三較佳實施例之標籤天線的製 造步驟；及 第15圖顯示作為本發明之第三較佳實施例之產品之標 籤天線的結構。 【實施方式】 10 較佳實施例之詳細說明 第3圖說明本發明之第一較佳實施例之標籤天線的基 本結構。在這圖式中，該標籤天線是藉由把一介電間隙子3 置於一作為正面導體的天線貼片（Cu) 1與一背面導體(Cu) 2 之間來被形成。該介電間隙子3之相對電容率ε<·的值是假設 15 相等於或者大於10。在這裡，該值是假設為12。 把一1C晶片安裝於該天線貼片1側之整個標籤的尺寸 是假設為，例如，54mm (寬）X 39mm (深）X 4mm (高）。假 設尺寸是基本上由介電間隙子3的尺寸決定，而且作為正面 導體的天線貼片1具有一個比介電間隙子3小的面積。亦假 20 設的是第一較佳實施例之標藏天線的天線貼片1是藉由蝕 刻一個在該包銅介電間隙子之正面上的銅板來被製成。 在作為正面導體的天線貼片1上，一個細縫4是形成在 作為在第3圖中所示之X座標之中央的0附近，而一個凹溝是 設置在該細縫4與該天線貼片1之與該X軸平行的一側之

f S 10 門/凹溝疋用作—個晶片安裝部份5 〇即該1C晶 由分別把其之兩個連接電極連接到在該凹溝兩端的金屬= 份來被安裝。結果，該整個本體運作如-個RFID標籤。。 在。亥天線貼片1上，—個切除部份6是設置在，例如， 個，认置有細縫4之側相對的側上。在第3圖中所示的軟 個標蕺天線疋被表示如—個將於稍後所述之電阻與 等效並聯電路。以上所述的細縫4主要是用來觀電感= 該切除部份6是用來調整等效電阻。 如上所述，這較佳實施例假設該標籤的運作頻率是 953MHZ。廷時’在空氣中的波長λ是大約315mm，而λ/2的 ，結果是大約157mm。然而，由於無線電波是由天線貼片i 疋开/成於4介電間隙子3上或者貼_該介電間隙子3的結 構來傳送/接收’實際的波長變成比波長人短。 即’在一個具有-相對電容率匕之電介質之内之一無線 電波的波長與在岐巾的波長比較起來是如下。 1/·/~εΓ 於在第3圖中所示的結構中，不僅該介電間隙子3且空 氣亦存在於s亥天線貼片i的週緣。因此，該波長人得到一個 中間值，而λ/2的值得到，例如，大約7〇到8〇_。 這較佳實施例的特徵是在於該標籤天線的尺寸，例 如’在與細縫4平行之方向上該天線貼片1的寬度是比在第3 圖中之λ/2的值小。該介電間隙子3在這方向上的寬度是 54mm，而在製造極限的考量下該天線貼片i在這方向上的 寬度疋自然比54mm小，而因此變成比人/2短。在這情況下， 於第3圖中所示的天線貼片1是稱為小貼片 。在使用小貼片 的結構中，天線的發射效率變成射訊在使齡/2之諧振之 清况中的發射效率低。然而，這結構從尺寸縮減與成本降 低的觀點來看是較理想的。 ★如上所述’如由專利文件丨所揭露當間隙子的厚度是 相等於或者大於3Gmm時該讀取距離是最大化。，然而，在這 較佳實施例中’如果該介電間隙子的厚度是大的話，適當 的運作未如標籤天線-樣被執行。因此，厚度必須落在】到 1〇mm的範圍之内。 第4圖說明該ic晶片與該標藏天線的阻抗，它們是顯示 在第3圖中。在這裡’假設安裝於在第3圖中所示之晶片安 裝部份5中的1C晶片是由—個具14〇〇Ω之電阻匕與〇 7pF之 電容Cc的等效並聯電路所表示。要達成該晶片與該標籤天 線之間的匹配’該1C晶片的電感La與電容Ce必須滿足一個 諸振條件’而當該標藏天線的等效電路是由該天線發射電 阻匕與該電感La的並聯電路所表示時該ic晶片之天線發射 電阻Ra與電阻Rc的值必須相等。當該諧振條件被滿足時， 後面的關聯式適用該運作頻率f。、電感La、和電容Cc。 F0 = 1/271/LaCa 在第3圖中，該標籤天線的等效電感La是基本上由金屬 部份之包圍該細縫4的長度決定，除了作為該晶片安裝部份 5之凹溝的長度之外。據此，不僅該細縫4的寬度且該細縫 的總長度基本上決定該電感La。此外，作為晶片安裝部份5 之凹溝的整個週緣決定該天線發射電阻Ra。藉由設置該切 12 除部份6於該天線貼片1上，及藉由調整該切除部份6的尺 寸，該天線發射電阻Ra是作調整到幾乎與該晶片之輸入電 阻Rc之值相同的值。在沒有端視，例如，天線貼片1或者細 縫4的尺寸來設置切除部份6之下，該等阻抗亦能夠被作成 匹配。 第5圖說明該第一較佳實施例之標籤天線的電流分 佈。電流是在配合第3圖所述之細缝4的方向上流動，即， 在水平方向上，而且一個適足的無線電波被發射。如果該 天線貼片1在水平方向上的寬度是，例如，相當於如上所述 之λ/2的大約70到80mm的話，一個高電流流動作為λ/2的諸 振。然而，在這較佳實施例中，寬度是相等於或者小於54mm 而且比λ/2短。因此，電流的尺寸稍微變得低。然而，一相 當高的電流是在標籤的中央附近流動。在天線貼片1兩水平 端之電流的尺寸變成0。 假設細縫4的長度S2，和該切除部份6在深度方向上的 深度S】是在第5圖中所示之天線貼片1的電流分佈中作調整 以致於晶片的電感La與電容Cc滿足在運作頻率下的諧振條 件，而晶片的天線發射電阻Ra和電阻Rc是如配合第4圖所述 變成相等。如上所述，天線發射電阻Ra的值基本上是由切 除部份6的深度Si決定，而電感La的值基本上是由細縫4之 長度S2的值來決定。例如，在這裡該切除部份6在水平方向 上的寬度是均稱的。藉由改變這寬度’該天線發射電阻Ra 的值亦能夠作調整。 第6和7圖顯示天線發射電阻Ra和電感La的計算結果， 其藉由調整該切除部份6的深度Sl以及該細縫4的長度1來 改變。第6圖顯示當該切除部份6之深度&的值是用作一參 數時天線發射電阻R a相對於細縫之總長度S 2的計算結果。 從這圖式證明的是’藉由把切除部份6之深度S,的值成 5 7mm ’該天線發射電阻Ra的值能夠作成幾乎相等於晶片之 電阻Rc的值，不管該細縫4之總長度1的值。 第7圖顯示當該切除部份6之深度S,的值被用作一參數 時電感La相對於細縫4之總長度§2的計算結果。從這圖式證 明的疋’當珠度\的值是如配合第6圖所述設定成7mm時， 10藉由把細縫4之長度S2的值設定成12mm，伴隨晶片之0.7pF 的電容Cc ’ 40nH是得到作為滿足在運作頻率下之諧振條件 之電感La的值。第6和7圖僅顯示計算結果。實際上，作為 標籤天線之一個實際適足的特性可以藉由在以上所得之值 附近稍微調整該切除部份6的實際深度和該細縫4的實際長 15 度來被得到’即，7mm的深度Si和12mm的總長度S2。 第8圖顯示天線對晶片的反射係數SU，其相當於這樣 決定之SjaS2的尺寸。在953MHz之運作頻率下該反射係數 的值是大約-11.7dB。這證明一個適足的匹配是被得到。 第9圖顯示該第一較佳實施例之標籤天線之增益的頻 20 率特性。大約IdBi的增益是在953MHz的運作頻率下得到。 在這裡，當一個電場分佈是在一個點發射—無線電波之時 變成完全球形時’ dBi是為增益的單位，例如。 第10圖顯示依據第8和9圖之通訊距離的計算結果。之 些計算結果是依據晶片之運作功率、讀取器/寫入器之輸 14 1362783 出、以及在讀取器/寫入器側之天線增益分別是為-9dBm、 1W、和6dBi的假設來得到，而大約3m的值被得到作為在 953MHz之運作頻率下的通訊距離。在這裡，dBm是為一個 表達10之三次方分具的值。 5 第11和12圖說明當數個第一較佳實施例之標籤天線被 佈配時的通訊距離。第11圖顯示當該等標籤天線是如第12 圖所示佈置時該通訊距離的計算結果。 正常地，標籤端視物件的佈置而定存在於一個相當接 近的範圍内是有可能的，即使每個標籤是附於每個物件。 10 第12圖顯示如此的一個極度狀態。如果當天線貼片的長度 是相等於λ/2時標籤是佈置在一個接近範圍内的話，干擾出 現在相鄰標籤的無線電波之中，且它們的通訊距離顯著縮 減。在一RFID系統中，該等標籤是很可能在一接近範圍内 使用。從現實觀點看，即使在如此的情況中，防止通訊距 15 離縮減是必不可少的。 在第11圖t，當僅一個標籤是使用時，即，η是為1，， 以及當η是為2或3時，於953MHz之運作頻率下的通訊距離 是相等於或者比3m長。從這圖式證明的是，於在第12圖中 所示的極端佈置中該等標籤的通訊距離亦不縮減。這是因 20 為在第一較佳實施例中天線貼片1之尺寸，即，在水平方向 上之長度，是比λ/2短的效果。 第二和第三較佳實施例是配合第13至15圖來在下面作 描述。在第二和第三較佳實施例中之包括天線貼片之標籤 天線的基本結構是與在第一較佳實施例中的基本結構相 15 似。然而，它們的製作步驟是與第一較佳實施例的製作步 驟不同。 第13圖說明該第二較佳實施例之標籤天線的製作步 驟。該第一較佳實施例假設，於在第3圖中所示之天線貼片 1的製作步驟中，天線貼片是藉由蝕刻一個事先固定到介電 間隙子3之表面之包銅板的金屬部份來被製成。於在第13圖 中所示的第二較佳實施例中，該標籤天線是藉由事先使_ 天線圖案薄片’例如，成為一個捲狀金屬薄片，及藉由把 該天線圖案薄片10與一反射板11分別固定到作為介電間隙 子之陶瓷樹脂12的上表面與其之下表面來被製成。結果， 與在第一較佳實施例中藉由蝕刻該包銅板來實現的結構比 車父起來’彳*戴天線的成本能夠降低。 第14圖說明該第三較佳實施例之標籤天線的製作步 驟。與在第13圖中所示的第二較佳實施例比較起來，在第 14圖中所示之標籤天線的結構不同的地方是在於聚氨酯樹 脂13和14是更固定到該天線圖案薄片1〇的上和下表面。該 等聚氨醋樹脂13和14意在改進包括該1C晶片之天線貼片的 对環境性。藉由固定該等聚氨酯樹脂13和14，縱使在腐蝕 環境或者在高溫下亦不會不運作的標籤是能夠被提供。 第15圖顯示作為配合第14圖所述之第三較佳實施例之 產品之標籤的結構。在這圖式中，該天線圖案薄片1〇，即， 该天線貼片是由該等聚氨酯樹脂13和14夾住且是固定到陶 瓷樹脂12的上表面，而該反射板u是固定到該陶瓷樹脂12 的下表面。 1362783 到這裸，這較佳實施例中之標籤天線與標籤的特性業 已詳細地作描述。當該標籤是固定到金屬時，該導體，即， 位於介電間隙子之背面（下表面）上的反射板是不再需要。 此外，配合第3圖所述的晶片安裝部份是假設佈置在〇 5的X座標附近，即，在天線貼片的中央附近。然而，該晶片 的突出有時會是，例如，在標籤之上表面上之條碼或者文 字之印刷的障礙物。因此，該晶片安裝部份，以及用於形 成電感的細缝會被移置向該天線貼片的末端。 如上詳細所述，本發明的實施例能夠提供非常小的標 10 籤’其之尺寸是為54mm X 39mm X 4mm，而且其能夠實現 大約3m的通訊距離，即使它是固定到金屬。這標籤不需要 一個用於連接上與下表面的貫孔。此外，唯一要做的是， 為了阻抗匹配，必須調整該細縫的長度與該切除部份的深 度’導致調整所需之人力與成本的降低。再者，即使當數 15 個標籤是佈置在一接近範圍内時，一個相等於在使用一個 標籤之情況中之通訊距離的通訊距離能夠被得到。這對於 建構一個高性能的實際RFID系統有大大的貢獻。 【圏式簡單說明】 第1圖說明一標籤天線之習知例子的結構； '° 第2圖說明當習知例子的標籤天線是佈置在一接近範 圍中時的通訊距離； 第3圓顯示本發明之第一較佳實施例之標籤天線的基 本結構； 第4圖說明在一 ic晶片與該標籤天線之阻抗之間的匹

(S 17 第5圖过明在-天線貼片上的電流分佈； 第6圖顯示在第4圖中所示之天線發射電阻的計算結 第7圖顯示在第4圖中所示之電感的計算結果； 第8圖顯 結果； 示該標籤天線對該i C晶片之反射係數的計算 第9圖顯7F該標籤天線之增益的計算結果； 第1〇圖顯示該標籤天線之通訊距離的計算結果； 第U圓顯示當該等標籤被佈置在-接近範圍中時該通 訊距離的計算結果； "第12圖說明-個相當於第11圖的狀態而且在其中該等 標籤是佈置在一接近範圍中； Λ 第13圖„兒明本發明之第二較佳實施例之標藏天線 造步驟； 第14圖說明本發明之第三較佳實施例之標籤天線的製 造步驟；及 第15圖顯示作為本發明之第三較佳實施例之產品 籤天線的結構。 π 【主要元件符號說明】 1 天線貼片 5 晶片安裝部份 2 背面導體 6 切除部份 3 介電間隙子 10 天線圖案薄片 4 細縫 11 反射板 1362783 12 陶瓷樹脂 102 電介質 13 聚氨酯樹脂 103 安裝部份 14 聚氨§旨樹脂 104 貫孔 100 平板導體 101 接地導體 iSi 19

Claims (1)

1. 丄观/83 、申請專利範圍： 101.01.19. 5 10 15 20 .種供傳輸/接收-無線電波到_讀取⑽ 用的標H n 織 一個介電間隔物；及 形成在該介電間隔物的其中—個表面上之—個平板 天線，其中用以調整—電感的—細縫圖案形成在該平板 天線中’而a在考慮由該介電間隔物所造成 二，細縫圖案方向平行之該平板天線的—寬度係比 半波長還短。 如申吻專利圍第1項所述之標籤天線，其中·· °玄平板天線具有一個天線發射電阻和-個電感； 〆電感和要破安裝之U的_電容組件滿足一個 在一運作頻率下的諧振條件；及 相等2天線發射電阻和該晶片的—電阻组件在大小上是 3·如申請專利範圍第1項所述之標籤天線，其中： 平板天=調整天線發射電阻的切除部份是形成在 4·如申請專利範圍第】項所述之標籤天線，其中： 該平板天線疋由一個耐環境性保 ^請專利範圍第】項所述之標藏天線，其中覆蓋 上。一金屬反射板是形成在該介電間隔物的另一個表面 6.如申請專利範圍第1項所述之標籤天線，其中： 該 20 1362783 第97118662號申請案修正頁 101.01.19. 該介電間隔物是由陶瓷樹脂製成。 7. 如申請專利範圍第1項所述之標籤天線，其中： 該介電間隔物的厚度的範圍是從1到10mm。 8. 如申請專利範圍第1項所述之標籤天線，其中： 該平板天線是藉由蝕刻一個固定到該介電間隔物之 正面的金屬板來形成。 9. 如申請專利範圍第1項所述之標籤天線，其中： 一個凹溝是設置在該細縫圖案與該平板天線的一側 之間 > 而要被安裝之該晶片的兩個電極是在該凹溝的兩 端連接到該平板天線的金屬部份。 10. —種傳輸/接收無線電波到一讀取器/寫入器之標籤，其 包含： 一個晶片， 一個介電間隔物；及 15 形成在該介電間隔物的其中一個表面上之一個平板 天線，其中用以調整一電感的一細縫圖案形成在該平板 天線中，而且在考慮由該介電間隔物所造成的波長縮短 下，與該細縫圖案方向平行之該平板天線的一寬度係比 半波長還短。 21