TWI401605B - 無線射頻辨識標籤之圓極化微帶天線 - Google Patents

Description

無線射頻辨識標籤之圓極化微帶天線

本發明係有關於一種無線射頻辨識標籤天線，特別係有關於一種具有電感性輸入阻抗且可貼附於金屬物體之無線射頻辨識標籤之圓極化微帶天線。

習知無線射頻辨識(RFID)系統所使用的頻段主要有低頻(LF,125KHz)、高頻(HF,13.56MHz)、超高頻(UHF,860~960MHz)以及微波(2.4~2.483GHz和5.725~5.875GHz)等頻段。近年來，RFID在超高頻頻段的應用快速成長，因其工作於超高頻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，而標籤天線是RFID系統的關鍵元件。目前在超高頻標籤天線的設計中，偶極天線是最被廣泛使用的一種天線，此種天線一般製作於成本低、厚度很薄的PET材質上，並可執行良好的讀取距離。然而，當偶極天線貼附於金屬物體上時，會使天線的輸入阻抗及輻射場型造成很大改變，進而導致天線無法正常工作。目前在公開文獻已提出微帶天線或倒F天線(PIFA)的相關設計，來解決上述問題。

習知標籤天線都是線性極化的天線。在一般情況下，讀取機使用圓極化天線，標籤使用線性極化天線，讀取功能不會受到標籤擺放方向的影響。然而，在一些特殊應用場合，如機場的行李檢測，其讀取機可能需要使用指向性高、波束寬較窄的線性極化天線，此時，若使用市面上線性極化的標籤天線產品，可能會因為標籤天線擺放的方向使得讀取機天線與標籤天線兩者之間極化 不匹配，造成讀取距離大幅下降。此時，標籤必須使用具有圓極化輻射的天線，才能解決天線之間因極化不匹配對讀取功能的影響。

傳統圓極化微帶天線為具有50Ω輸入阻抗的天線結構，一般而言，其很容易在輻射元件內部找到50Ω的饋入位置，並激發圓極化波輻射。然而，在RFID的系統中，標籤晶片通常具有電容性的阻抗，為了使晶片與天線兩者之間有最大功率傳輸，天線必須設計為具有電感性的輸入阻抗，使其與晶片阻抗匹配。然而，要在微帶天線上找到一饋入位置，使其具有一特定的電感性輸入阻抗且能激發圓極化輻射並不容易。截至目前為止，在公開的文獻還未看到可應用於RFID系統且具有電感性輸入阻抗的圓極化標籤天線的相關設計被提出。

本發明之主要目的係在於提供一種無線射頻辨識標籤之圓極化微帶天線，其包含一基板、一輻射金屬層、一微帶線以及一接地層。該基板係具有一上表面、一下表面及一連通該上表面與該下表面之導通孔。該輻射金屬層係形成於該基板之該上表面，且該輻射金屬層係具有一槽孔。該微帶線係形成於該基板之該上表面且位於該輻射金屬層之至少一側邊，該微帶線係具有一鄰近該導通孔之饋入端，且該微帶線與該輻射金屬層之間係具有一第一間距及一第二間距。該接地層係形成於該基板之該下表面，且電性連接該導通孔。本發明係有別於一般習知輸入阻抗50歐姆的圓極化微帶天線，本發明天線係利用電磁耦合饋入方法來設計具有電感性輸入阻抗的 圓極化微帶天線，使天線能與標籤晶片阻抗匹配，得以應用於無線射頻辨識系統。本發明天線的一實施例，設計操作於922~928MHz的頻段，在此操作頻段內，改變天線架設的方向具有穩定的讀取距離，而且天線貼附於金屬有更佳的讀取距離，非常適合於超高頻無線射頻辨識系統之應用。

請參閱第1及2圖，其係本發明之第一較佳實施例，一種無線射頻辨識標籤之圓極化微帶天線係包含一基板10、一輻射金屬層20、一微帶線30以及一接地層40。該基板10係具有一上表面10a、一下表面10b及一連通該上表面10a與該下表面10b之導通孔11。該輻射金屬層20係形成於該基板10之該上表面10a，且該輻射金屬層20係具有一槽孔21，在本實施例中，該輻射金屬層20係呈正方形狀，或者，請參閱第12圖，在另一實施例中，該輻射金屬層20係可呈圓形狀，請再參閱第1及2圖，在本實施例中，該輻射金屬層20係具有一第一側邊20a、一第二側邊20b、一相對於該第一側邊20a之第三側邊20c及一相對於該第二側邊20b之第四側邊20d。又，該輻射金屬層20的該槽孔21係呈不等長度的十字形狀，用以產生頻率接近的低頻模態與高頻模態。

請再參閱第1及2圖，該微帶線30係形成於該基板10之該上表面10a且位於該輻射金屬層20之至少一側邊。在本實施例中，該微帶線30係具有一鄰近該導通孔11之饋入端30a且具有一第一導線部31及一第二導線部32，該第一導線部31係位於該輻射金屬層20之該第一側邊20a，而 該第二導線部32係位於該輻射金屬層20之該第二側邊20b，且該第一導線部31與該第二導線部32係連接成L形狀，或者，請再參閱第12圖，在另一實施例中，該第一導線部31與該第二導線部32係可連接成圓弧形狀。請再參閱第1及2圖，在本實施例中，該第一導線部31係具有一第一長度L1，該第二導線部32係具有一第二長度L2，在本實施例中，該第一長度L1與該第二長度L2之計算公式係為

其中λ係為天線工作中心頻率之波長、X_i係為天線輸入阻抗之虛部值及Z₀係為該微帶線30之特性阻抗。較佳地，該第一導線部31之該第一長度L1係與該第二導線部32之該第二長度L2不相等，以使低頻模態與高頻模態的輻射電場強度較接近，進而可獲得較佳的圓極化輻射。又，該微帶線30與該輻射金屬層20之間係具有一第一間距G1及一第二間距G2，其中第一間距G1係介於該微帶線30之該第一導線部31與該輻射金屬層20之該第一側邊20a之間，而該第二間距G2係介於該微帶線30之該第二導線部32與該輻射金屬層20之該第二側邊20b之間。在本實施例中，該第一間距G1及第二間距G2係用以調整天線的實部輸入阻抗，以使天線的實部輸入阻抗與一晶片50的實部阻抗大約相等。較佳地，該第一間距G1係與該第二間距G2相等，且其值係介於1.5mm至3mm之間。請再參閱第1及2圖，該接地層40係形成於該基板10之該下表面10b，且電性連接該導通孔11。

關於本發明之該圓極化微帶天線之阻抗匹配方法，係詳細說明如下。在本實施例中，其所使用之標籤晶片在925MHz的阻抗為13.5-j110Ω，為了使該圓極化微帶天線及標籤晶片兩者之間得到良好的功率傳輸，其必須將該圓極化微帶天線在925MHz之輸入阻抗設計為13.5+j110Ω，以達成共軛匹配。本發明係透過選擇該第一導線部31之該第一長度L1、該第二導線部32之該第二長度L2、該微帶線寬度w、該第一間距G1及該第二間距G2來達成阻抗匹配，其中該圓極化微帶天線之虛部輸入阻抗主要來自該微帶線30之電抗值，而提供電抗j110Ω之該第一導線部31之該第一長度L1及該第二導線部32之該第二長度L2係可由公式(1)決定，而由公式(1)可知，L1、L2及w有無窮多組解。在本實施例中，其係選擇w=1.5mm及L1+L2=73.2mm。至於該圓極化微帶天線之實部輸入阻抗13.5Ω，則可藉由調整該第一間距G1及該第二間距G2來達成。

請參閱第3A及3B圖，其係顯示該圓極化微帶天線之模擬與量測輸入阻抗結果圖，而第4圖係為其對應的返回損失結果圖。另外，第3B圖係加入只有該微帶線30(不含該輻射金屬層20)的電抗計算值作為比較。由第3B圖可發現，在925MHz附近該圓極化微帶天線的模擬及量測電抗值約為j110Ω，與只有微帶線的計算值非常吻合，證明該圓極化微帶天線的輸入電抗主要由該微帶線30的參數所控制。另外，由第3A、3B及4圖亦可看到該圓極化微帶天線的模擬及量測結果相當接近。請參閱第5A、5B及6圖，其係分別顯示改變該第一間距G1及該第二間距G2所得 之量測輸入阻抗及返回損失結果圖，由第5A圖可發現，當該第一間距G1及該第二間距G2等於0.5mm時，因為該微帶線30與該輻射金屬層20的耦合強度較大，該圓極化微帶天線的輸入電阻峰值達到57Ω，導致該圓極化微帶天線不易完成阻抗匹配；反之，隨著該第一間距G1及該第二間距G2的增加，其輸入電阻會減小，當G1=G2=1.5~3mm時，可以達成良好的阻抗匹配。

請參閱第7A及7B圖，其係改變該第一導線部31之該第一長度L1及該第二導線部32之該第二長度L2所得之量測輸入阻抗結果圖，第8圖為其對應的返回損失結果圖，而第9圖為其對應的模擬軸比結果圖，在本實施例中，該第一導線部31之該第一長度L1及該第二導線部32之該第二長度L2之和皆固定為L1+L2=73.2mm。由第7A圖可發現在925MHz附近有兩個鄰近模態被激發。由於本發明該圓極化微帶天線之低頻模態是由x方向的電流所產生，而高頻模態是由y方向的電流所產生。因此，從L1=26mm及L2=47.2mm的曲線，可觀察到低頻模態的峰值電阻較小，而高頻模態的峰值電阻較大。這是因為L1較短，使得低頻模態的耦合強度較小；而L2較長，使得高頻模態的耦合強度較大。又，當L1增加為32mm及L2減小為41.2mm時，兩個鄰近模態的峰值電阻大約相等，預期兩個鄰近模態的輻射電場強度較接近，可以得到較好的圓極化輻射。另外，由第9圖亦可看到使用L1=32mm及L2=41.2mm時，在925MHz的軸比值低於1dB，其3dB軸比的圓極化頻寬為921~928MHz，符合超高頻RFID的工作頻帶922~928MHz。請參閱第10A及10B圖，其係顯示本發明 該圓極化微帶天線貼附於40×40cm²金屬銅板時之輸入阻抗結果圖，由圖中可發現標籤貼附於金屬銅板時，其天線阻抗值幾乎沒有改變。

最後，請參閱第11圖，其係顯示轉動標籤天線的方向()所得到的量測讀取距離結果圖，由圖中可發現使用本發明該圓極化微帶天線之標籤在所有角度的讀取距離皆非常相近，大約為1.4m~1.5m。此外，圖中亦可發現，當標籤天線貼附於銅板時，其讀取距離會隨著銅板面積的增加而增加，在本實施例中，標籤天線貼附在40×40cm²銅板的讀取距離可達到2.45m，證明本發明之該圓極化微帶天線具有良好圓極化輻射，且非常適合應用在金屬物件。

本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。

10‧‧‧基板

10a‧‧‧上表面

10b‧‧‧下表面

11‧‧‧導通孔

20‧‧‧輻射金屬層

20a‧‧‧第一側邊

20b‧‧‧第二側邊

20c‧‧‧第三側邊

20d‧‧‧第四側邊

21‧‧‧槽孔

30‧‧‧微帶線

30a‧‧‧饋入端

31‧‧‧第一導線部

32‧‧‧第二導線部

40‧‧‧接地層

50‧‧‧晶片

G1‧‧‧第一間距

G2‧‧‧第二間距

L1‧‧‧第一長度

L2‧‧‧第二長度

w‧‧‧微帶線寬度

第1圖：依據本發明之第一較佳實施例，一種無線射頻辨識標籤之圓極化微帶天線結構示意圖。

第2圖：該圓極化微帶天線結構側視圖。

第3A至3B圖：該圓極化微帶天線之量測與模擬輸入阻抗結果圖。

第4圖：該圓極化微帶天線之量測與模擬返回損失結果圖。

第5A至5B圖：改變第一間距G1及第二間距G2所得之輸入 阻抗結果圖。

第6圖：改變第一間距G1及第二間距G2所得之返回損失結果圖。

第7A至7B圖：改變第一導線部之第一長度L1及第二導線部之第二長度L2所得之輸入阻抗結果圖。

第8圖：改變第一導線部之第一長度L1及第二導線部之第二長度L2所得之返回損失結果圖。

第9圖：改變第一導線部之第一長度L1及第二導線部之第二長度L2所得之模擬軸比結果圖。

第10A至10B圖：該圓極化微帶天線結構貼附於40×40cmˆ2金屬銅板時之輸入阻抗結果圖。

第11圖：轉動標籤天線的方向()所得到的量測讀取距離結果圖。

第12圖：依據本發明之一具體實施例，另一種無線射頻辨識標籤之圓極化微帶天線結構示意圖。

10‧‧‧基板

10a‧‧‧上表面

11‧‧‧導通孔

20‧‧‧輻射金屬層

20a‧‧‧第一側邊

20b‧‧‧第二側邊

20c‧‧‧第三側邊

20d‧‧‧第四側邊

21‧‧‧槽孔

30‧‧‧微帶線

30a‧‧‧饋入端

31‧‧‧第一導線部

32‧‧‧第二導線部

50‧‧‧晶片

G1‧‧‧第一間距

G2‧‧‧第二間距

L1‧‧‧第一長度

L2‧‧‧第二長度

w‧‧‧微帶線寬度

Claims (8)

1. 一種無線射頻辨識標籤之圓極化微帶天線，其包含：一基板，其係具有一上表面、一下表面及一連通該上表面與該下表面之導通孔；一輻射金屬層，係形成於該基板之該上表面，其具有一槽孔；一微帶線，其係形成於該基板之該上表面且位於該輻射金屬層之至少一側邊，該微帶線係具有一鄰近該導通孔之饋入端、一第一導線部及一連接該第一導線部之第二導線部，該第一導線部與第二導線部係連接成L形狀，該第一導線部係具有一第一長度，該第二導線部係具有一第二長度，該第一長度與該第二長度之計算公式係為 其中L1係為該第一導線部之該第一長度、L2為該第二導線部之該第二長度、λ係為天線工作頻帶之波長、X_i係為天線輸入阻抗之虛部值及Z₀係為該微帶線之特性阻抗，且該微帶線與該輻射金屬層之間係具有一第一間距及一第二間距；以及一接地層，其係形成於該基板之該下表面，且電性連接該導通孔。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無線射頻辨識標籤之圓極化微帶天線，其中該第一間距及第二間距係介於1.5mm至3mm之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之無線射頻辨識標籤之圓極化 微帶天線，其中該第一導線部之該第一長度係與該第二導線部之該第二長度不相等。
4. 如申請專利範圍第1項所述之無線射頻辨識標籤之圓極化微帶天線，其中該輻射金屬層係呈正方形狀。
5. 如申請專利範圍第4項所述之無線射頻辨識標籤之圓極化微帶天線，其中該輻射金屬層係具有一第一側邊、一第二側邊、一相對於該第一側邊之第三側邊及一相對於該第二側邊之第四側邊，該微帶線之該第一導線部係位於該輻射金屬層之該第一側邊，而該微帶線之該第二導線部係位於該輻射金屬層之該第二側邊。
6. 如申請專利範圍第5項所述之無線射頻辨識標籤之圓極化微帶天線，其中該第一間距係介於該微帶線之該第一導線部與該輻射金屬層之該第一側邊之間，而該第二間距係介於該微帶線之該第二導線部與該輻射金屬層之該第二側邊之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之無線射頻辨識標籤之圓極化微帶天線，其中該第一間距係與該第二間距相等。
8. 如申請專利範圍第1項所述之無線射頻辨識標籤之圓極化微帶天線，其中該輻射金屬層之該槽孔係呈不等長度的十字形狀。