TWI509526B - RFID tag - Google Patents

Description

RFID金屬標籤

本發明係關於一種RFID標籤，特別是一種RFID金屬標籤。

在習知技術中，RFID金屬標籤皆係以工業塑膠為底材進行天線設計，例如，該底材為ABS塑膠、壓克力(Acrylics)、鐵弗龍(Teflon)等材質。上述材料具有大於1的介電常數，如此可有效縮短天線的尺寸，然而使用上述材料作為底材卻使得習知RFID金屬標籤無法貼附於彎曲的金屬表面。

另外，在高分子材料之底材中亦有加入磁性材料者，使底材具有較高之材料常數(如導磁係數及介電常數)，以提高天線的電磁波強度。然而，具有較高材料常數之底材會改變電場方向，而影響到RFID金屬標籤之讀取。因此，習知技術中以迴圈結構進行阻抗匹配的方法並不適用於具高材料常數底材之RFID金屬標籤。

在習知技術中，許多天線設計都具有迴圈結構，其虛部阻抗都是經由迴圈結構的大小進行改變，但其應用於具有高材料常數的底材上卻有困難。

參考圖1，將天線11置於一底材12上時，相當於在導體表面13與天線11之間插入一空氣14厚度為nd的空氣隙，其中n =，μ _r 為導磁係數，ε _r 為介電常數。例如μ _r =4且ε _r =10，可得等效之空氣隙為6.3倍之底材厚度d。與鄰近導體表面13有效距離之改變造成了電場分佈的變化，導致電場原本應該是垂直方向(相對於導體表面)之封閉迴路傳輸線變成水平方向的傳輸線，因而無法進行虛部阻抗匹配。

因此，有必要提供一創新且具進步性的RFID金屬標籤，以解決上述問題。

本發明係提供一種RFID金屬標籤，包括：一RFID晶片、一偶極化天線、一阻抗匹配結構及一底材。該偶極化天線電性連接該RFID晶片之二側。該阻抗匹配結構具有至少一開迴路傳輸結構(open stub)，該開迴路傳輸結構電性連接該RFID晶片二側之偶極化天線。該底材承載該RFID晶片、該偶極化天線及該阻抗匹配結構。

本發明之阻抗匹配結構可使RFID金屬標籤獲得更精確的阻抗匹配，並可有效縮小RFID金屬標籤之天線尺寸，且本發明之RFID金屬標籤可貼附於各種不同的彎曲金屬表面。

參考圖2，其顯示本發明RFID金屬標籤第一實施例之示意圖。本發明之RFID金屬標籤2包括一RFID晶片21、一偶極化天線22、一阻抗匹配結構23及一底材24。

該偶極化天線22的長度係小於半波長，且該偶極化天線22包括二金屬片221，該等金屬片221電性連接該RFID晶片21之二側。該等金屬片221可為矩形或條帶狀。在本實施例中，該等金屬片221係為矩形。

該阻抗匹配結構23具有至少一開迴路傳輸結構(open stub)231，該開迴路傳輸結構231電性連接該RFID晶片21二側之偶極化天線22之該等金屬片221。在本實施例中，該阻抗匹配結構23具有二開迴路傳輸結構231，該等開迴路傳輸結構231係相對設置。每一開迴路傳輸結構231包括二槽線(slotline)232，該等槽線232實質上係平行地彼此相對且間隔一距離。

該底材24承載該RFID晶片21、該偶極化天線22及該阻抗匹配結構23。較佳地，該底材24具有高材料常數，例如：該底材24的介電常數係高於空氣的介電常數，且該底材24的導磁係數高於空氣的導磁係數。在本發明之一實施例中，該底材24為可撓性的高分子材料(polymer)。高分子材料具有可撓曲性，使得該RFID金屬標籤2可貼附於一彎曲的金屬表面。

另外，該底材24可為包括磁性材料的複合材料，且該底材可包含至少二層的相異材質。磁性材料之引入(增加材料常數)可提高該RFID金屬標籤2之電磁波輻射強度。然而，添加磁性材料之底材24具有較高之材料常數，如此可能會改變電場方向。本發明之RFID金屬標籤2中即可藉由該阻抗匹配結構23調整阻抗而達到完美的阻抗匹配，並且使高材料常數之底材24不改變電場之方向。

在本發明之一實施例中，該RFID金屬標籤2可另包括一金屬層25，該金屬層25設置於該底材24之下方相對位置(如圖3所示)。該金屬層25可為鋁箔或銅箔，但不以此為限。利用該金屬層25調控該偶極化天線22與其之距離，使該RFID金屬標籤2不會因與不同金屬表面間之幾何位置而改變其輻射特性(例如電場方向)，以使該RFID金屬標籤2具有較穩定之輻射特性。

較佳地，本發明之RFID金屬標籤2另包括一載體26及一蓋體27。該載體26設置於該底材24之下方相對位置，該蓋體27與該載體26配合，以封裝保護該RFID晶片21、該偶極化天線22及該阻抗匹配結構23(如圖4所示)。可理解的是，於該底材24與該載體26之間可另設有金屬層(未圖示)。

參考圖5，其顯示本發明RFID金屬標籤第二實施例之示意圖。在本實施例中，該RFID金屬標籤3包括一RFID晶片31、一偶極化天線32、一阻抗匹配結構33及一底材34。與圖2所示之第一實施例之RFID金屬標籤2不同之處在於偶極化天線32。在本實施例中，該偶極化天線32之二金屬片321係為彎折條帶(meander)金屬片。其他與第一實施例之RFID金屬標籤2相同部分在此不再加以敘述。

茲以下列實例予以詳細說明本發明，唯並不意謂本發明僅侷限於此等實例所揭示之內容。

比較例：

參考圖6，在該比較例中係以圖2所示之第一實施例RFID金屬標籤2之元件符號進行說明。一偶極化天線22設置於一可撓性高分子材料(底材)24上且電性連接一RFID晶片21之二側。比較例之RFID標籤不具有阻抗匹配結構，亦即不具有開迴路傳輸結構。該可撓性高分子材料24添加有磁性材料，以增加天線的輻射強度。該可撓性高分子材料24之厚度為2 mm，以同軸探頭進行材料特性量測，得到其導磁係數為4-j0.5，介電常數為10。該偶極化天線22之長度為53 mm、寬度為22 mm，天線增益為-5.5 dBi，頻率為925 MHz之天線阻抗為12+j96Ω，其與一晶片(參考晶片為Alien H3晶片)目標阻抗30-j202Ω差距甚大。

實例1：

參考圖7，在本實例中，以圖6所示之RFID金屬標籤結構為基礎，在接近RFID晶片21附近增加了二組並聯且相對之阻抗匹配結構23，以形成本實例之RFID金屬標籤2。每一阻抗匹配結構23具有一開迴路傳輸結構231，每一開迴路傳輸結構231具有平行且相對之二槽線232，每一槽線232之長度為7 mm。天線阻抗為59+j196Ω，回授損失(return loss)為9.6dB，天線增益為-5.75 dBi。增加開迴路傳輸結構231僅些微降低天線增益，然而可獲得更精確的阻抗匹配(天線阻抗59+j196Ω較接近目標阻抗30-j202Ω)，如此對於讀取距離相當有幫助。

圖8顯示圖7之RFID金屬標籤之模擬等效電路圖；圖9顯示本發明RFID金屬標籤之阻抗匹配分析史密斯圖(Smith Chart)。配合參考圖8及圖9，以史密斯圖對實例1之RFID金屬標籤2進行阻抗匹配分析，結果顯示，當未具開迴路傳輸結構231之天線阻抗與一個開迴路傳輸結構231(槽線長度為7 mm)並聯後，補償後之天線阻抗由位置P₁ (12+j96Ω)調整為位置P₂ (約33+j147Ω)。當未具開迴路傳輸結構231之天線阻抗與二個開迴路傳輸結構231並聯後，補償後之天線阻抗調整為位置P₃ (54+j198Ω)，回授損失約為10.7dB。

由上可知，實例1之RFID金屬標籤2之槽線232長度、補償後之天線阻抗及回授損失，皆與以史密斯圖進行阻抗匹配分析之結果相當接近。

另外，以電場進行模擬亦已驗證本發明具開迴路傳輸結構231之RFID金屬標籤2確實可以達到阻抗匹配的功效，其中，RFID金屬標籤2的電場分布顯示能量集中在開迴路傳輸結構231內，而不在底材24內部，可確定電場方向並未改變。

實例2：

參考圖10，在該實例中，與圖5所示之第二實施例RFID金屬標籤3相同部分係以相同之元件符號表示。一偶極化天線32設置於一高材料常數之底材34上且電性連接一RFID晶片31之二側，該高材料常數之底材34下方設有厚度2 mm之ABS塑膠載體35(直徑約45 mm)。在本實例中，RFID金屬標籤3之整體尺寸係限制在35×28 mm² 之區域內，因此偶極化天線32係以彎折條帶(meander)的方式縮小尺寸。

與上述實例1相似，接近RFID晶片31附近設有二組並聯且相對之阻抗匹配結構33，每一阻抗匹配結構33之每一開迴路傳輸結構331具有平行且相對之二槽線332，每一槽線332之長度為9 mm。如此，天線阻抗為48+j212Ω(接近目標阻抗30-j202Ω，如圖6所示)，天線增益為-3.6 dBi，讀取距離可超過3公尺。

本發明之阻抗匹配結構可使RFID金屬標籤獲得更精確的阻抗匹配，並可有效縮小RFID金屬標籤之天線尺寸，且本發明之RFID金屬標籤可貼附於各種不同的彎曲金屬表面。

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。

2．．．本發明第一實施例之RFID金屬標籤

3．．．本發明第二實施例之RFID金屬標籤

11．．．天線

12．．．底材

13．．．導體表面

14．．．空氣

21．．．RFID晶片

22．．．偶極化天線

23．．．阻抗匹配結構

24．．．底材

25．．．金屬層

26．．．載體

27．．．蓋體

31．．．RFID晶片

32．．．偶極化天線

33．．．阻抗匹配結構

34．．．底材

35．．．ABS塑膠載體

221．．．金屬片

231．．．開迴路傳輸結構

232．．．槽線

321．．．金屬片

331．．．開迴路傳輸結構

332．．．槽線

圖1顯示習知具有迴圈結構之RFID金屬標籤之示意圖；

圖2顯示本發明RFID金屬標籤第一實施例之示意圖；

圖3顯示本發明一實施例之RFID金屬標籤側視圖；

圖4顯示本發明一實施例中以一載體及一蓋體封裝RFID金屬標籤之示意圖；

圖5顯示本發明RFID金屬標籤第二實施例之示意圖；

圖6顯示不具開迴路傳輸結構之RFID金屬標籤示意圖；

圖7顯示本發明具開迴路傳輸結構之RFID金屬標籤之實例1之示意圖；

圖8顯示圖7之RFID金屬標籤之模擬等效電路圖；

圖9顯示本發明RFID金屬標籤之阻抗匹配分析史密斯圖(Smith Chart)；及

圖10顯示本發明具開迴路傳輸結構之RFID金屬標籤之實例2之示意圖。

2．．．本發明第一實施例之RFID金屬標籤

21．．．RFID晶片

22．．．偶極化天線

23．．．阻抗匹配結構

24．．．底材

221．．．金屬片

231．．．開迴路傳輸結構

232．．．槽線

Claims (15)

1. 一種RFID金屬標籤，包括：一RFID晶片；一偶極化天線，電性連接該RFID晶片之二側；一阻抗匹配結構，具有至少一開迴路傳輸結構(open stub)，該開迴路傳輸結構電性連接該RFID晶片二側之偶極化天線；及一底材，承載該RFID晶片、該偶極化天線及該阻抗匹配結構。
2. 如請求項1之RFID金屬標籤，其中該偶極化天線包括二金屬片，電性連接該RFID晶片之二側。
3. 如請求項2之RFID金屬標籤，其中該等金屬片係為矩形或條帶狀。
4. 如請求項3之RFID金屬標籤，其中該等金屬片係為彎折條帶(meander)金屬片。
5. 如請求項1之RFID金屬標籤，其中該阻抗匹配結構具有二開迴路傳輸結構，該等開迴路傳輸結構係相對設置。
6. 如請求項1或5之RFID金屬標籤，其中每一開迴路傳輸結構包括二槽線(slotline)。
7. 如請求項6之RFID金屬標籤，其中該等槽線實質上係平行地彼此相對。
8. 如請求項1之RFID金屬標籤，另包括一載體，設置於該底材之下方相對位置。
9. 如請求項1之RFID金屬標籤，另包括一金屬層，設置於該底材之下方相對位置。
10. 如請求項1之RFID金屬標籤，其中該偶極化天線的長度小於半波長。
11. 如請求項1之RFID金屬標籤，其中該底材的導磁係數高於空氣的導磁係數。
12. 如請求項1之RFID金屬標籤，其中該底材的介電常數高於空氣的介電常數。
13. 如請求項1之RFID金屬標籤，其中該底材為可撓性的高分子材料。
14. 如請求項1之RFID金屬標籤，其中該底材係為包括磁性材料的複合材料。
15. 如請求項1之RFID金屬標籤，其中該底材包含至少二層的相異材質。