TWI474552B - 超高頻ｒｆｉｄ晶片微帶天線結構 - Google Patents

超高頻ｒｆｉｄ晶片微帶天線結構 Download PDF

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Description

超高頻RFID晶片微帶天線結構
本發明係有關於一種微帶天線結構，特別是指一種使用於超高頻RFID晶片的微帶天線結構。
自二十世紀末起，網路通訊技術蓬勃發展，二十一世紀更是使通訊技術從有線通訊躍進到無線通訊的年代，其中「無線射頻辨識」(radio frequency idenfication,簡稱RFID)更是一使無線通訊技術發光發熱不可或缺的要角。
RFID晶片極為巧小，它有兩種規格，主動式與被動式。其中，主動式需要使用電池，而被動式的一種是不需要使用電池的，也即在不使用時就不耗電，但可以由讀取器呼叫而輻射電磁波的一元件。它具有小容量的非揮發性記憶體，可由讀取器進行讀或寫入一些資訊，因此，可應用於物流管理。而一般生活中也處處可見，例如，台北捷運的悠遊卡、寵物識別晶片，廣用於書店、超市、大賣場的商品電子防盜系統(Electronic article surveillance EAS)。此外，航空貨運及行李，食品履歷、門禁卡、交通運輸、農產運銷作業等，處處可見，其重要性可見一斑。
然而，RFID晶片若直接和高導性物體，如金屬接觸，就會影響其被讀取器所讀取的可讀性。而實務上這又很難避免。例如汽車遙控鑰匙，傳送胎壓訊號大賣場物流管理等，這些應用將使得RFID晶片難以避免地要和金屬接觸。再一點，RFID晶片具有低電阻和高容抗的特性，RFID晶片的天線，還得微小化。這些種種，將使得RFID晶片和微形天線的設計難度提高。
本發明的目的便是提供這樣一種可附於高導電性材料RFID晶片及其微形天線。
本發明之一目的是設計一RFID晶片的微帶形天線，特別是適用於台灣所開放之頻寬922MHZ 至928MHZ 內。
本發明之再一目的是設計一RFID晶片的微帶形天線，特別是適用當超高頻RFID晶片結構和高導電物體接觸時，仍有不錯的讀取距離。
本發明揭露一種可附著於高導電性物體之RFID天線，至少包含：一介電基板包含一導電接地面；一天線主輻射體貼附於該介電基板正面，該天線主輻射體包含：一短路微帶線形成於二長柄剃刀形間隙及一間隙相連通溝渠所圍之導電區域內，短路微帶線連接至接地面，其中，所述二長柄剃刀形間隙，以刀背對刀背的方式呈鏡面對稱，該間隙相連通溝渠連接所述二長柄剃刀形間隙之長柄部；一RFID晶片，粘貼於該間隙相連通溝渠上；一饋入微帶線，位於該二長柄剃刀形間隙之剃刀間隙起點至該RFID晶片止所包圍之導電區域內。
其中，上述之長柄剃刀形間隙有兩種寬度，分別為2mm及1mm。而短路微帶線的長度的調整約略為天線主輻射體長度的一半再略小一些，即約為0.24λ，此長度下和RFID晶片的阻抗匹配度為最佳。以66mm長的天線主輻射體100而言，短路微帶線的長度以31.5mm至33mm為較佳，而以32.5 mm為最佳
RFID常見的工作頻率有125KHZ 、134.2KMHZ ,高頻有13.56MHZ ,超高頻有850MHZ ~960MHZ ，及微波2.45GHZ ~5.8GHZ ，不同國家所開放的頻率不同。台灣使用之RFID頻寬範圍在922MHZ 至928MHZ 。另外，超高頻RFID標籤輸入阻抗並聯RC電路，當操作頻率為925MHZ (922MHZ 至928MHZ 頻率的中值)時相當於一串聯阻抗Z=11-j131。也即相當於一小電阻串聯一高容抗。因此，以下的說明都將以上述規格為基礎。亦即，若欲得到最大功率轉換，匹配的天線應是該阻抗的共軛複數。
請參考圖1A，圖示依據本發明的一實施例所設計之超高頻RFID晶片天線結構10的立體示意圖。圖1B則是沿剖面線a-a’的橫截面圖。超高頻RFID晶片天線結構10是建構於一介電基板102上，介電基板102的背面為接地導體面105，即，貼附於介電基板102的銅箔105。介電基板102的正面則是天線的主輻射面100。天線背面可以直接貼在任何的高導電物體上(未圖示)，例如直接就貼附於任何的金屬板上。天線的主輻射體100蝕刻有二個長柄剃刀形間隙110，以刀背對刀背的方式鏡面對稱分佈，並包括一間隙相連通溝渠111而將天線的主輻射體100隔離成短路微帶線120、饋入微帶線130及外圍微帶線140。間隙相連通溝渠111中心是RFID晶片115。間隙110及連通溝渠111可以以濕式蝕刻介電基板正面之銅箔方式形成(不蝕刻的部分以油墨覆蓋)。
二個長柄剃刀形間隙110是指間隙不是等寬的，包含間隙較寬的剃刀形間隙110a及間隙較窄的長柄形間隙110b。二長柄形間隙110b之間且在RFID晶片115下方的短路微帶線120是指短路微帶線120被短路至天線主結構體10的背面之接地面105上。短路可以透過導電貫穿孔105”連接至接地面105或者金屬貼片105’連接至接地面105。而晶片粘貼區上方兩剃刀形間隙110a中間的區域微帶線稱為饋入微帶線130。RFID晶片115可被讀卡機(未圖示)感應，而產生電流而由令饋入微帶線130饋入電流。
依據本發明的一實施例，本發明的天線是微形天線，天線主輻射體100的長×寬：66mm×13mm,而長柄剃刀形間隙110有兩種間隙寬度分別為2mm及1mm，而短路微帶線120的長度1 ，以66mm長的天線主輻射體100而言，長度l約以31.5mm至33mm為較佳，最佳值約為32.5mm。
上述天線主輻射體100長度L趨近於或略小於超高頻RFID晶片頻寬範圍諧振模態波長的二分之一。
以台灣開放無線頻寬範圍922MHZ 至928MHZ ，而介電基板為FR4玻璃纖維板(相對介電係數εr =4.4)為例，計算出的波長λ=154.3mm。因此，二分之一波長為77.2mm，進一步考量到介電損耗tanδ=0.02及彎折(指短路微帶線120在介電基板的末端連接至接地平面)、線寬，間隙等因素，天線主輻射體100長度L以趨近或略小於二分之一波長為較佳，例如64mm至70mm為較佳，66mm為最佳。上述的計算說明例僅為方便於說明天線主輻射體100長度計算的基礎及本發明電腦模擬天線輻射體的依據，並不用於限定本發明的範圍。例如，選用的FR4玻璃纖維板相對介電係數變更或變更標籤頻寬，天線主輻射體100長度L也將隨之改變。
圖2(a)及圖2(b)，顯示以天線主輻射體100長度L=66mm在RFID工作頻率922MHZ 至928MHZ 下，其中，模擬的結果之實部阻抗如曲線202R及虚部阻抗如曲線202J所示。兩者的和約為13+j131。量測的結果之實部阻抗如曲線204R及虚部阻抗如曲線204J所示。兩者的和約為15+j125。都相當趨近於RFID晶片阻抗11-j131之共軛阻抗11+j131。圖2(A)中的虚線30(在此及之後所指的都)是RFID晶片阻抗實部，虚線40(在此及之後所指的都)是RFID晶片阻抗虚部。
在另一方面，當負載阻抗為ZL 時，傳輸線輸入阻抗Zi,可用公式表示為式中的l 是短路微帶線長度，又因短路傳輸線負載阻抗ZL =0，上式可化簡為
Zis =jXis =jR0 tanβl 。因此，短路微帶線120長度l 和波長λ和輸入電抗関係將如圖3所示。即，當短路微帶線120長度l 小於0.25λ將呈現電感抗，大於0.25λ將呈電容抗。因此，在設計時，依據本發明的一實施例，l 小於0.25λ以匹配負載RFID晶片的容抗。
圖4(a)曲線402R、404R、406R分別示模擬短路微帶線的長度在32.5mm、33.5mm、31.5mm時之短路微帶線之輸入實部阻抗與圖4(b)曲線402J、404J、406J則是在上述長度之輸入虚部阻抗的比較圖。圖4(b)中顯示當短路微帶線的長度小於0.25λ，短路微帶線提供電感抗，且短路微帶線長度愈長，感抗愈大。而當短路微帶線120長度l =0.24λ，與RFID晶片阻抗11-j131有較佳之阻抗匹配。
請參考圖5(a)曲線502R、504R、506R分別示饋入微帶線130和天線主輻射體100的間隙分別在2mm、3mm、1mm時實部阻抗的表現。而圖5(b)曲線502J、504J、506J分別示饋入微帶線130和天線主輻射體100的間隙分別在2mm、3mm、1mm時虚部阻抗的表現。
圖5(a)及(b)顯示，於RFID晶片操作頻寬，饋入微帶線間隙是兩倍寬於短路微帶線120間隙時，有較佳的阻抗匹配。饋入微帶線130間隙110a與短路微帶線120間隙110b相等時，即都是1mm時，模擬之實部阻抗會有偏高的問題。
圖6(a)及圖6(b)分別顯示本發明之超高頻RFID晶片在天線主輻射體100及接地面105的電流分佈圖。圖中，電流分佈強弱由1至11的數字表示，1為最高，11為最弱。實驗模擬數據顯示，標示為1的區塊電流值為3.5×e A-m(安培-米)，標示為5的區塊電流值為7.8 A-m而標示為11的區塊電流值為1.9×e-1 A-m，因此，靠近短路微帶線120有較高的電流分佈。
請參考圖7(a)圖示在超高頻(925MHZ )RFID晶片粘貼於圖1所述的位置時，但置於自由空間之微帶天線2D輻射場型模擬圖。圖示，天線在自由空間中時xz平面，呈雙向性(0°及180°)接收，請參看輻射電場E Φ 分量。而在yz平面則接近於全向性的場輻射，參看輻射電場Eθ 分量。
圖7(b)，則是超高頻(925MHZ )RFID晶片粘貼於圖1所述的位置，且天線直接貼於大小為80×80mm的高導電性物體時的2D輻射場形模擬圖。在xz平面，請參看輻射電場E Φ 0°指向性比180°高。同時，因天線背面是高導電性物體，因此，也比天線在自由空間中還要大。輻射場形模擬圖於yz平面，請參看輻射電場Eθ 分量，在0°之指向性，更為明顯。同樣也是明顯高於在自由空間內。
由上述的模擬結果顯示，利用微帶天線的二分之一波長空腔諧振特性可達到超高頻RFID晶片天線設計，短路微帶線的長度對天線阻抗有明顯影響，另外，饋入微帶線130和天線主輻射體100的間隙100a也對是否和超高頻RFID晶片頻寬922MHZ 至928MHZ 匹配成功有著関鍵性影響。
本發明的優點：
1本發明所提供之超高頻RFID晶片天線可使天線直接貼附於導電體上，實驗顯示在操作頻率925MHZ ,讀卡機和RFID晶片相距3.2m,等效全向輻射功率4瓦(EIRP；effective isotropic radiated power)時，同軸損失為-1.5 dBm,另量測到RFID晶片天線於高導性物體的最小讀取功率Pmin 為26.5 dBm，以上述數據代入公式：
可以計算出本發明的超高頻RFID晶片天線結構，以讀取器讀取的最大距離可達到7.2 m.上述公式，請參考K. V.S. Rao,P.V. Nikitin,and S.F. Lam,“Antenna Design for UHF RFID Tags: a Review and a Practical Application,”IEEE Trans. Antenna Propag.,vol. 53,no. 12,pp 3870-3876,Dec.2005
本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例。凡熟悉此項技術者，當可輕易了解並利用其它元件或方式來產生相同的功效。是以，在不脫離本發明之精神與範疇內所作之修改，均應包含在下述之申請專利範圍內。
10．．．超高頻RFID晶片天線結構
100．．．天線主輻射體
105．．．接地面
111．．．間隙相連通溝渠
120．．．短路微帶線
130．．．饋入微帶線
140．．．外圍微帶線
202R．．．模擬之實部阻抗曲線
202J．．．模擬之虚部阻抗曲線
204R．．．量測之實部阻抗曲線
204J．．．量測之虚部阻抗曲線
30．．．RFID晶片阻抗實部
40．．．RFID晶片阻抗虚部
102．．．介電基板
110．．．剃刀形間隙
110a．．．剃刀形間隙
110b．．．長柄形間隙
115．．．RFID晶片
105’．．．金屬貼片
105”．．．導電貫穿孔
402R．．．短路微帶線的長度在32.5mm之輸入實部阻抗曲線
404R．．．短路微帶線的長度在33.5mm之輸入實部阻抗曲線
406R．．．短路微帶線的長度在31.5mm之輸入實部阻抗曲線
402J．．．短路微帶線的長度在32.5mm之輸入虚部阻抗曲線
404J．．．短路微帶線的長度在33.5mm之輸入虚部阻抗曲線
406J．．．短路微帶線的長度在31.5mm之輸入虚部阻抗曲線
502R．．．饋入微帶線旁的間隙在2mm之輸入實部阻抗曲線
504R．．．饋入微帶線旁的間隙在3mm之輸入實部阻抗曲線
506R．．．饋入微帶線旁的間隙在1mm之輸入實部阻抗曲線
502J．．．饋入微帶線旁的間隙在2mm之輸入虚部阻抗曲線
504J．．．饋入微帶線旁的間隙在3mm之輸入虚部阻抗曲線
506J．．．饋入微帶線旁的間隙在1mm之輸入虚部阻抗曲線
Eθ ．．．輻射電場分量
Eφ ．．．輻射電場分量
圖1(a)顯示本發明的超高頻RFID晶片天線結構的立體圖，圖1(b)顯示沿圖1(a)之a-a’剖面線之橫截面示意圖。
圖2(a)顯示天線主輻射體實體長×寬(66×13mm2 )模擬及實測之實部阻抗阻抗。
圖2(b)顯示天線主輻射體實體長×寬(66×13mm2 )模擬及實測之虚部阻抗。
圖3顯示短路微帶線之輸入阻抗和λ的関係圖。
圖4(a)及(b)顯示短路微帶線長度對實部阻抗與虚部阻抗之影響。
圖5(a)及(b)顯示饋入微帶線間隙大小對實部阻抗與虚部阻抗之影響。
圖6(a)及圖6(b)分別顯示本發明之超高頻RFID晶片在天線主輻射體及接地面的電流分佈圖。
圖7(a)顯示本發明的超高頻RFID晶片天線結構在自由空間時，2D(x-z平面及y-z平面)的輻射場型圖。
圖7(b)顯示本發明的超高頻RFID晶片天線結構在高導電性物體上2D(x-z平面及y-z平面)的輻射場型圖。
10．．．超高頻RFID晶片天線結構
100．．．天線主輻射體
111．．．間隙相連通溝渠
120．．．短路微帶線
130．．．饋入微帶線
140．．．外圍微帶線
105．．．接地導體面
102．．．介電基板
115．．．RFID晶片
110．．．剃刀形間隙
110a．．．剃刀形間隙
110b．．．長柄形間隙
105’．．．金屬貼片
105”．．．導電貫穿孔

Claims (7)

  1. 一種可附著於高導電性物體之RFID天線，至少包含：一介電基板包含一導電接地面；一天線主輻射體貼附於該介電基板正面，該天線主輻射體包含：一短路微帶線形成於二長柄剃刀形間隙及一間隙相連通溝渠所圍之導電區域內，該短路微帶線連接至該接地面，其中，所述二長柄剃刀形間隙，以刀背對刀背的方式呈鏡面對稱，該間隙相連通溝渠連接所述二長柄剃刀形間隙之長柄部；一RFID晶片，粘貼於該間隙相連通溝渠上；一饋入微帶線，位於該二長柄剃刀形間隙之剃刀間隙起點至該RFID晶片止所包圍之導電區域內；外圍微帶線，位於該二長柄剃刀形間隙之二外側至該天線主輻射體邊緣。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的可附著於高導電性物體之RFID天線，其中上述之RFID晶片輻射頻率約為922MHz至928MHz，該天線主輻射體整體長度約為上述頻段諧振模態的由小於二分之一波長側趨近於二分之一波長。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的可附著於高導電性物體之RFID天線，其中上述之天線主輻射體整體長度小於上述頻段諧振模態的二分之一波長是因加入微帶線線寬、間隙大小等因素而進行調整。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的可附著於高導電性物體之RFID天線，其中上述之天線主輻射體長寬比約為5:1，而該短路微帶線的長度是用以匹配該RFID天線的阻抗。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的可附著於高導電性物體之RFID天線，其中上述之長柄間隙約為1mm而剃刀間隙寬約為該長柄間隙的1.5倍至3倍。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的可附著於高導電性物體之RFID天線，其中上述之短路微帶線是以金屬膜由該介電基板的端部連接至該接地面，或者藉由貫穿孔連接至該接地面。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的可附著於高導電性物體之RFID天線，其中上述之短路微帶線長度約為該天線主輻射體長度的一半。
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