TWI459303B - A radio frequency field conversion device for auxiliary reading of radio frequency identification tags - Google Patents

Description

輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置

本發明係關於一種電波訊號輻射場形轉換裝置，特別係關於一種輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置。

在無線電通訊上，天線是電磁波傳送與接收的主要元件，因此兩通訊端能否順利達到通訊之功能，主要取決於兩端天線的特性與電波傳輸路程。天線的特性如：電場極化匹配、輻射方向及增益大小等：而電波傳輸路徑更是主要的關鍵因素，如：水泥牆的衰減、鐵皮廠房的屏蔽及金屬密封空間的阻隔等，都會造成傳輸通訊功能失效。

在射頻識別(RFID)技術的應用上，也同樣會遭遇到類似問題。

請參閱圖1，其係顯示習知射頻識別讀取器對應射頻識別標籤之示意圖。當射頻識別讀取器X及讀取器Y之天線對應到射頻識別標籤T之無法讀取方向時，將無法進行標籤資訊讀取。

另外，習知射頻識別標籤使用時大都會貼附在物品的側邊，以便後續射頻識別系統能方便讀取。然而，物品在存放或載運的過程中，普遍會採用堆疊的方式配置以節省空間，因此，容易造成射頻識別標籤被其他物品擋住，致使讀取電波訊號被阻隔或屏蔽，而無法達到射頻識別標籤執行通訊功能。特別是在鋼鐵業的鋼板產品上，由於鋼板尺 寸大小不一，且都是以堆疊方式存放或裝載，因此，當射頻識別標籤貼附在鋼板側邊而遭遇到上述情況時，便會發生射頻識別標籤無法讀取的情況。

請參閱圖2，其係顯示習知射頻識別標籤位於鋼板夾縫中之示意圖。當射頻識別標籤T位於鋼板S之夾縫中時，射頻識別讀取器X之電波訊號係無法傳入鋼板S之夾縫中，以致射頻識別讀取器X無法讀取標籤資訊。

射頻電波訊號亦會受到水泥牆的厚度或層數的影響而發生訊號衰減；同樣地，射頻電波訊號也會受到泥上或柏油路面的影響，甚至是土中的含水量多寡也會產生不同程度的影響，而使得電波訊號無法穿透地面太深。習知埋設於地下的管路，除了工程圖中可追查出管路的佈線情形與實際位置外，其他的工程單位並無法得知即將施工的路面下，是否埋有其他的管路，故經常發生挖破瓦斯管或自來水管的意外。

請參閱圖3，其係顯示習知射頻識別標籤埋設於地下管線上之示意圖。如圖3所示，習知已有提出將射頻識別標籤T埋設於地下管線P上，其目的是讓施工單位在施工前，能以手持式射頻識別讀取器X先進行地下管線確認，以確保施工安全。惟，上述系統在實測時，便發現射頻識別讀取器X的電波訊號根本無法到達地下深處的射頻識別標籤T，以致無法讀取標籤資訊及確認管線是否存在。

此外，射頻識別讀取器天線與射頻識別標籤天線兩者間的極化匹配亦是相當重要的通訊關鍵因素。

圖4顯示習知三種天線極化特性示意圖。如圖4所示，習知天線的極化特性可區分成三種：線性極化、圓極化以及橢圓極化。極化特性的定義為：無線電波的電場大小不變，而方向隨時間變化，電場向量末端的軌跡在垂直於傳播方向的平面上投影，若為一直線，稱之為線性極化；若是一個圓，則稱之為圓極化；而若為一個橢圓，則稱之為橢圓極化，而線性極化及圓極化可視為橢圓極化的兩個特例。

圖5顯示習知左旋及右旋圓極化天線特性示意圖。如圖5所示，圓極化天線依其電場極化旋轉方向的不同，又可分為左旋及右旋圓極化天線。

當射頻識別讀取器天線與射頻識別標籤天線皆採用相同極化特性的天線時，其通訊效果最佳；反之，若兩者採用不同極化特性的天線，其通訊效果將會大幅衰減。例如：線性極化對圓極化，其通訊效果會變的很差；若是左旋圓極化對右旋圓極化，則完全無法進行通訊。

綜上所述，習知射頻識別讀取器在讀取射頻識別標籤時，一旦遭遇讀取死角或天線極化特性不匹配，便無法順利讀取標籤資訊。

因此，有必要提供一創新且具進步性之輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，以解決上述問題。

本發明提供一種輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，包括：一傳輸線，具有一第一端及一第二 端，該第二端相對於該第一端；一接收天線，係連接該傳輸線之第一端，用以接收一射頻識別讀取器所發出之一第一讀取電波訊號；以及一轉換讀取單元，係連接該傳輸線之第二端，用以將該第一讀取電波訊號轉換成不同輻射場形之一第二讀取電波訊號。

本發明係利用輻射特性不同之該接收天線及該轉換讀取單元組成該電波訊號輻射場形轉換裝置，該電波訊號輻射場形轉換裝置可在不增加任何主動元件或轉換電路的情形下，直接轉換射頻電波訊號的輻射場形，讓射頻電波訊號可以傳輸到原本無法到達的位置，進而解決射頻識別標籤的讀取死角問題。此外，該電波訊號輻射場形轉換裝置亦可將射頻識別讀取器之電波訊號轉換成與射頻識別標籤天線極化特性相同的電波訊號，使其可順利讀取標籤資訊，進而解決天線極化特性不匹配導致無法讀取標籤資訊的問題。

為了能夠更清楚瞭解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明所述目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合附圖，詳細說明如下。

請參閱圖6，其係顯示本發明輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置之結構示意圖。本發明之電波訊號輻射場形轉換裝置10包括一傳輸線11、一接收天線12以及一轉換讀取單元13。

該傳輸線11具有一第一端11a及一第二端11b，該第二端11b相對於該第一端11a。在本實施例中，該傳輸線11係為同軸線，且較佳地，該傳輸線11係為50歐姆同軸線。

該接收天線12係連接該傳輸線11之第一端11a，用以接收一射頻識別讀取器(圖未繪出)所發出之一第一讀取電波訊號W1。在本實施例中，該接收天線12係可選自如下的一種：單極天線(monopole antenna)、耦極天線(dipole antenna)、微帶式天線(patch antenna)及倒F天線(inverted-F antenna)。此外，該接收天線12的極化特性亦可選自如下的一種：圓極化、橢圓極化及線性極化。

另外，在本實施例中，該第一讀取電波訊號W1之輻射場形係可選自如下的一種：全向性、半球形、線性極化、圓極化及橢圓極化。

該轉換讀取單元13係連接該傳輸線11之第二端11b，用以將該第一讀取電波訊號W1轉換成不同輻射場形之一第二讀取電波訊號W2。在本實施例中，該轉換讀取單元13係可選自如下的一種：單極天線(monopole antenna)、耦極天線(dipole antenna)、微帶式天線(patch antenna)、倒F天線(inverted-F antenna)、迴圈天線(loop antenna)及高指向性天線。此外，該轉換讀取單元13的極化特性亦可選自如下的一種：圓極化、橢圓極化及線性極化。

另外，在本實施例中，該第二讀取電波訊號W2之輻射場形係可選自如下的一種：全向性、半球形、線性極化、圓極化及橢圓極化。

圖7顯示本發明轉換讀取單元另一實施例之結構示意圖。圖8顯示本發明轉換讀取單元另一實施例之結構尺寸標示圖。本發明之該轉換讀取單元13除了可為上述之天線結構外，請配合參閱圖7及圖8，在另一實施例中，該轉換讀取單元13亦可為共振式近場耦合結構130。

該共振式近場耦合結構130係為由電阻R、電容C及電感L所組成之一共振元件，且較佳地，該共振式近場耦合結構130之共振頻率係為射頻識別系統(由射頻識別讀取器及射頻識別標籤所組成)之操作中心頻率。

圖9顯示本發明電波訊號輻射場形轉換裝置之第一應用例的示意圖。圖10顯示本發明第一應用例之電波訊號輻射場形轉換裝置的實體圖。圖11顯示本發明第一應用例之電波訊號輻射場形轉換裝置之另一實施例的實體圖。請配合參閱圖9及圖10，為解決射頻識別標籤T之讀取死角問題，在本應用例中，該接收天線12係選用單極天線(monopole antenna)，該轉換讀取單元13係選用迴圈天線(loop antenna)，而該傳輸線11係選用50歐姆同軸線。藉由上述構成，射頻識別讀取器X及Y可透過該電波訊號輻射場形轉換裝置10順利讀取原先無法讀取之射頻識別標籤T的資訊。

此外，若要進一步提升讀取效果，在另一實施例中，該轉換讀取單元13可置換成具有高增益之高指向性天線，如圖11所示。

圖12顯示本發明電波訊號輻射場形轉換裝置之第二應用 例的示意圖。圖13顯示本發明電波訊號輻射場形轉換裝置之第二應用例的實測圖。圖14顯示本發明電波訊號輻射場形轉換裝置之第二應用例的另一實測圖。請配合參閱圖7及圖12~14，為解決電波訊號無法傳入鋼板S之夾縫中的問題，在本應用例中，該轉換讀取單元13係採用共振式近場耦合結構130，以降低周遭物體對該轉換讀取單元13的影響，而該接收天線12則採用迴圈天線(即遠場天線)來接收電波訊號。藉由上述構成，該電波訊號輻射場形轉換裝置10可將遠場輻射電波訊號(第一讀取電波訊號W1)轉換成近場輻射電波訊號(第二讀取電波訊號W2)，故不論夾縫的深度有多深，射頻識別讀取器X都可透過該電波訊號輻射場形轉換裝置10順順利讀取鋼板S之夾縫中的射頻識別標籤T。

圖15顯示本發明電波訊號輻射場形轉換裝置之第三應用例的示意圖。請配合參閱圖6及圖15，為解決電波訊號無法傳輸至地下管線P上之射頻識別標籤T的問題，在本應用例中，該接收天線12及該轉換讀取單元13皆設計成具有半球形輻射場形的天線，例如：微帶式天線(patch antenna)或倒F天線(inverted-F antenna)，而該傳輸線11則採用50歐姆同軸線。上述構成可作為讀取地下管線P之射頻識別標籤T專用的電波訊號輻射場形轉換裝置10，而其具體實施方式係說明如下。

首先，於每一段地下管線P上的特定位置加裝一個可供識別的射頻識別標籤T，並於埋土覆蓋時，同步埋設上述之電波訊號輻射場形轉換裝置10，在埋設過程中，讓該電 波訊號輻射場形轉換裝置10之轉換讀取單元13盡量靠近地下管線P上的射頻識別標籤T，該接收天線12則距離路面約30至50公分。此外，為避免該傳輸線11因地層變動或其他因素拉扯而造成斷線，較佳地，該傳輸線11係以彎曲形狀埋設。

本發明係利用輻射特性不同之該接收天線12及該轉換讀取單元13組成該電波訊號輻射場形轉換裝置10，該電波訊號輻射場形轉換裝置10可在不增加任何主動元件或轉換電路的情形下，直接轉換射頻電波訊號的輻射場形，讓射頻電波訊號可以傳輸到原本無法到達的位置，進而解決射頻識別標籤的讀取死角問題。此外，該電波訊號輻射場形轉換裝置10亦可將射頻識別讀取器之電波訊號轉換成與射頻識別標籤天線極化特性相同的電波訊號，使其可順利讀取標籤資訊，進而解決天線極化特性不匹配導致無法讀取標籤資訊的問題。

上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

10‧‧‧電波訊號輻射場形轉換裝置

11‧‧‧傳輸線

11a‧‧‧第一端

11b‧‧‧第二端

12‧‧‧接收天線

13‧‧‧轉換讀取單元

130‧‧‧共振式近場耦合結構

C‧‧‧電容

L‧‧‧電感

P‧‧‧地下管線

R‧‧‧電阻

S‧‧‧鋼板

T‧‧‧射頻識別標籤

W1‧‧‧第一讀取電波訊號

W2‧‧‧第二讀取電波訊號

X‧‧‧射頻識別讀取器

Y‧‧‧射頻識別讀取器

圖1顯示習知射頻識別讀取器對應射頻識別標籤之示意圖；圖2顯示習知射頻識別標籤位於鋼板夾縫中之示意圖；圖3顯示習知射頻識別標籤埋設於地下管線上之示意 圖；圖4顯示習知三種天線極化特性示意圖；圖5顯示習知左旋及右旋圓極化天線特性示意圖；圖6顯示本發明輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置之結構示意圖；圖7顯示本發明轉換讀取單元另一實施例之結構示意圖；圖8顯示本發明轉換讀取單元另一實施例之結構尺寸標示圖；圖9顯示本發明電波訊號輻射場形轉換裝置之第一應用例的示意圖；圖10顯示本發明第一應用例之電波訊號輻射場形轉換裝置的實體圖；圖11顯示本發明第一應用例之電波訊號輻射場形轉換裝置之另一實施例的實體圖；圖12顯示本發明電波訊號輻射場形轉換裝置之第二應用例的示意圖；圖13顯示本發明電波訊號輻射場形轉換裝置之第二應用例的實測圖；圖14顯示本發明電波訊號輻射場形轉換裝置之第二應用例的另一實測圖；及圖15顯示本發明電波訊號輻射場形轉換裝置之第三應用例的示意圖。

10‧‧‧電波訊號輻射場形轉換裝置

11‧‧‧傳輸線

11a‧‧‧第一端

11b‧‧‧第二端

12‧‧‧接收天線

13‧‧‧轉換讀取單元

W1‧‧‧第一讀取電波訊號

W2‧‧‧第二讀取電波訊號

Claims (14)

1. 一種輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，包括：一傳輸線，具有一第一端及一第二端，該第二端相對於該第一端；一接收天線，係連接該傳輸線之第一端，用以接收一射頻識別讀取器所發出之一第一讀取電波訊號；以及一轉換讀取單元，係連接該傳輸線之第二端，用以將該第一讀取電波訊號轉換成不同輻射場形之一第二讀取電波訊號。
2. 如請求項1所述之輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，其中該傳輸線係為同軸線。
3. 如請求項2所述之輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，其中該傳輸線係為50歐姆同軸線。
4. 如請求項1所述之輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，其中該接收天線選自如下的一種：單極天線(monopole antenna)、耦極天線(dipole antenna)、微帶式天線(patch antenna)及倒F天線(inverted-F antenna)。
5. 如請求項1所述之輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，其中該接收天線的極化特性選自如下的一種：圓極化、橢圓極化及線性極化。
6. 如請求項1所述之輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，其中該轉換讀取單元選自如下的一 種：單極天線(monopole antenna)、耦極天線(dipole antenna)、微帶式天線(patch antenna)、倒F天線(inverted-F antenna)、迴圈天線(loop antenna)及高指向性天線。
7. 如請求項6所述之輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，其中該轉換讀取單元的極化特性選自如下的一種：圓極化、橢圓極化及線性極化。
8. 如請求項1所述之輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，其中該第一讀取電波訊號之輻射場形選自如下的一種：全向性、半球形、線性極化、圓極化及橢圓極化。
9. 如請求項1所述之輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，其中該第二讀取電波訊號之輻射場形選自如下的一種：全向性、半球形、線性極化、圓極化及橢圓極化。
10. 如請求項1所述之輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，其中該轉換讀取單元係為共振式近場耦合結構。
11. 如請求項10所述之輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，其中該共振式近場耦合結構係為一共振元件，其包括至少一電阻、至少一電容及至少一電感。
12. 如請求項10所述之輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，其中該共振式近場耦合結構之共振頻 率係為射頻識別系統之操作中心頻率。
13. 如請求項10所述之輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，其中該第一讀取電波訊號係為遠場輻射電波訊號。
14. 如請求項10所述之輔助讀取射頻識別標籤之電波訊號輻射場形轉換裝置，其中該第二讀取電波訊號係為近場輻射電波訊號。