TWI730603B - 天線結構及其天線裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種天線結構，包括有一放射導體、一接地導體以及一第一導體部。該放射導體包括有一第一供電導體以及一第二供電導體，該第一供電導體與該第二供電導體之一端與一晶片電性連接。該接地導體，用以和該放射導體電性連接。該第一導體部，其兩端分別與該放射導體之第一側電性連接，以與該放射導體形成一第一迴路結構。利用該天線結構，本發明更提供一種天線裝置，可以應用在金屬物品上。

Description

天線結構及其天線裝置

本發明為一種天線結構設計，特別是指一種可以應用在金屬物品上以提升操作頻寬以及不受金屬物品正反面限制的一種天線結構以及其天線裝置。

習用技術中，當RFID運用在超高頻(UHF)頻段時，由於其電磁散射耦合(electromagnetic scattering and coupling)的特性，對於金屬和液體的環境較為敏感，如果沒有適當的設計，可能導致無法運作的問題。

探究其原因，根據電磁波理論，當均勻電磁波(uniform electromagnetic wave)斜向入射平坦的良導體(good conductor)所構成的天線時，由於良導體內部將無電磁波存在，因此在良導體表面會發生反射的現象。另一方面，由於貼附有天線的金屬物品也會造成電磁波反射現象，因此也可能造成入射與反射電磁波之間相位變化而形成破壞性干涉。

除上述之原因之外，再由電流映像定理得知，當偶極天線(Dipole Antenna)放置於金屬物品上方時，例如：金屬表面上方，也會造成金屬物品的背面感應出反向電流，進而抵銷電磁波，故可以推論出標籤易受到金屬的影響，而無法有效運用在金屬上。

請參閱圖1A與圖1B所示，該圖為習用之應用於UHF頻段的天線結構與天線裝置示意圖。圖1A所示的天線結構10為平面導F型天線(planar inverted-F antenna,PIFA)。在應用時，天線結構10順應著為長方體結構的基材11的表面，黏貼在基材11表面上，其中天線10的第一區段100，設置在基材11的第一表面110，第二區段101黏貼在與第一表面110連接的側面111上，第三區段102黏貼在與側面111連接的第二表面112上。第二表面112和第一表面110相對應。在運作時，可以利用調整La和Wa的長度去微調天線與設置在側面的IC晶片105的阻抗達到相互匹配。

雖然前述習用的PIFA可以用在金屬物品的使用環境，但是可以讀取的距離範圍的頻寬均偏窄，因此如何可以設計出兼顧讀距與頻寬範圍的天線結構，是有待解決的問題。

本發明提供一種天線結構，具有放射導體以及與放射導體耦接的接地導體，透過在放射導體至少一側加入迴圈導體結構，以提升讀距的頻寬範圍，且可以貼附金屬任何位置而不影響讀距表現。本發明透過放射導體兩側或單側的迴路結構，使天線阻抗變化平緩，使得天線結構利於與晶片阻抗匹配，使讀距產生寬頻的效果，另外本發明也透過增加天線輻射面積，天線增益提升，使讀距增遠。

本發明提供一種天線裝置，在一基材的對應兩表面上分別設置放射導體以及接地導體，兩導體之間再透過於第二方向連接兩表面的第一側面上的連接導體連接一起。本發明透過在放射導體至少一側加入迴圈導體結構，其 係設置在於第一方向連接兩表面的第二側面上，以提升讀距的頻寬範圍，且可以貼附金屬任何位置而不影響讀距表現。

在一實施例中，本發明提供一種天線結構，包括有一放射導體、一接地導體以及一第一導體部。放射導體具有一第一供電導體以及一第二供電導體，該第一供電導體與該第二供電導體之一端與一晶片電性連接。接地導體用以和該放射導體電性連接。第一導體部的兩端分別與該放射導體之第一側電性連接，以與該放射導體形成一第一迴路結構。

在另一實施例中，本發明提供一種天線裝置，包括有基板以及天線結構。基板具有一第一表面、在一第一方向的兩側分別具有與該第一表面相互連接，且沿一第三方向延伸的一第一側面、在一第二方向的兩側分別具有與該第一表面相互連接，且沿該第三方向延伸的一第二側面，以及與該第一表面在第三方向相互對應且分別與該第一側面與該第二側面相互連接的一第二表面。天線結構形成於該基板上，該天線結構更具有放射導體、接地導體以及第一導體部。放射導體，其係形成於該第一表面上，該放射導體具有一第一供電導體以及一第二供電導體，該第一供電導體與該第二供電導體之一端與一晶片電性連接。接地導體，其係形成與該第二表面上，藉由形成於其中之一第二側面上的一連接導體與該放射導體電性連接。第一導體部，形成於其中之一第一側面上，該第一導體部其兩端分別與該放射導體沿該第一方向之第一側電性連接，以與該放射導體形成一第一迴路結構。

2、2a、2b‧‧‧天線結構

20‧‧‧放射導體

200‧‧‧第一供電導體

201‧‧‧第二供電導體

21‧‧‧接地導體

22‧‧‧第一導體部

22a‧‧‧第一迴路結構

23‧‧‧連接導體

24‧‧‧第二導體部

28‧‧‧基材

3‧‧‧天線裝置

30‧‧‧基板

300‧‧‧第一表面

301,302‧‧‧第一側面

303,304‧‧‧第二側面

305‧‧‧第二表面

6‧‧‧基材

7‧‧‧RFID晶片

90‧‧‧金屬物品

A‧‧‧第一側

B‧‧‧第二側

圖1A與圖1B為習用之應用於UHF頻段的天線結構與天線裝置示意圖。

圖2為本發明之天線結構之一實施例示意圖。

圖3A與圖3B分別為本發明之天線結構不同之實施例示意圖。

圖4A與4B為本發明之天線裝置之一實施例的立體與側視示意圖。

圖5A為使用如圖1A所示傳統PIFA天線結構以貼在金屬物品不同位置所量測的讀距與頻率範圍關係曲線。

圖5B為使用如圖3A所示PIFA天線結構以貼在金屬物品不同位置所量測的讀距與頻率範圍關係曲線。

在下文將參考隨附圖式，可更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。類似數字始終指示類似元件。以下將以多種實施例配合圖式來說明天線結構及其天線裝置，然而，下述實施例並非用以限制本發明。

請參閱圖2所示，該圖為本發明之天線結構示意圖。該天線結構2由金屬材質所構成，其係可以為鋁、銅或銀等導電金屬材質所構成，但不以其為限制。該天線結構2具有一放射導體20、一接地導體21以及一第一導體部22。放射導體20具有一第一供電導體200以及一第二供電導體201，該第一供電導體200與該第二供電導體201之一端與一晶片7電性連接。在一實施例中，該晶片7為無線射頻識別標籤(radio frequency identification,RFID)的晶片。在一實施例中，RFID晶片為運用在超高頻(UHF)頻段的標籤。

接地導體21用以和該放射導體20電性連接。在一實施例中，接地導體21透過連接導體23和放射導體20電性連接。第一導體部22的兩端分別與該放射導體20之第一側A電性連接，以與該放射導體20形成一第一迴路結構22a。本實施例中，第一導體部22設置在該放射導體20沿著第一方向(X軸向)的第一側A上。在一實施例中，放射導體20、接地導體21、連接導體23以及第一導體部22為一體成形的天線結構。在一實施例中，整個天線結構2可以形成在一撓性可以彎折的基材6上。該基材6可以為高分子材料所構成，例如：PET or PI等高分子材料。

要說明的是，在另一實施例中，如圖3A所示，天線結構2a在該放射導體20沿著第一方向(X軸向)具有第二側B，其係與該第一側A分別位於該放射導體20的兩側。於該第二側B上更設置有一第二導體部24，其兩端與該放射導體電20性連接，以與該放射導體20形成一第二迴路結構24a。在本實施例中，該放射導體20更具有一第三迴路結構20a，該第三迴路結構20a在第一側A的導體與第一供電導體200電性連接以及與該第一導體部22的兩端電性連接。該第三迴路結構20a在第二側B的導體則與該第二供電導體201電性連接以及與該第二導體部24電性連接。該第三迴路結構20a的兩端與該連接導體23連接。

在圖3A中，該第一導體部22與該第二導體部24為尺寸相對稱的結構，分別對稱地設置在該放射導體20的兩側。在一實施例中，放射導體20、接地導體21、連接導體23以及第一與第二導體部22與24為一體成形的天線結構。在另一實施例中，如圖3B所示，天線結構2b所具有之該第一與第二導體部22與24可以不對稱設置在該放射導體部20的兩側。不對稱設置包括有位置上的不對稱，或者是尺寸與形狀上的不對稱等。在圖2、圖3A與3B所示的第一導體部22 的實施例中，La範圍可落在15~60mm之間，Wa範圍可落在3~30mm之間。Lc範圍可落在10~55mm之間。L範圍可落在80~150mm之間。在圖3A與圖3B所示的天線結構2中，除了前述之尺寸外，Lb範圍可落在15~60mm之間，Wb範圍可落在3~30mm之間。Ld範圍可落在10~55mm之間。W範圍可落在5~30mm之間。此外，要說明的是，尺寸大小係根據使用情境而定，並不以前述尺寸為限制。

請參閱圖4A與4B所示，該圖為本發明之天線裝置之一實施例的立體與側視示意圖。在本實施例中，天線裝置3具有一基板30，非金屬材質均可以使用，例如：高分子材料、PCB基板等。該基板30在第一方向X的尺寸L1範圍可落在35~85mm之間，第二方向Y的尺寸W1範圍可落在5~30mm之間，第三方向Z的尺寸D1範圍可落在5~30mm。本實施例中的天線結構2係使用如圖3A所示的天線結構。在一實施例中，天線結構2a可以直接形成於該基板30上，例如：透過印刷或塗佈的方式。在本實施例中，是將天線結構2a，利用印刷的方式，形成於絕緣軟性的撓性基材28上，例如：PET or PI等高分子材料。再將撓性基材28利用背膠或黏膠的方式黏貼在基板30上。

基板30具有一第一表面300、在第一方向X的兩側分別具有與該第一表面300相互連接，且沿第三方向Z延伸的一第一側面301與302、在第二方向Y的兩側分別具有與該第一表面300相互連接，且沿該第三方向Z延伸的第二側面303與304，以及與該第一表面300在第三方向Z相互對應且分別與該第一側面301與302與該第二側面303與304相互連接的第二表面305。該天線結構2的放射導體20，其係形成於該第一表面300上，該放射導體20具有一第一供電導體200以及一第二供電導體201，該第一供電導體200與該第二供電導體201之一端與晶 片7電性連接。該天線結構2的接地導體21，其係形成與該第二表面301上，藉由形成於其中之一第二側面303上的連接導體23與該放射導體20電性連接。該天線結構2_a的第一導體部22，形成於其中之第一側面301上，該第一導體部22其兩端分別與該放射導體20沿該第一方向X之第一側A電性連接，以與該放射導體20形成第一迴路結構。同樣地，該天線結構2a的第二導體部24，形成於其中之第一側面302上，該第二導體部24其兩端分別與該放射導體20沿該第一方向X之第二側B電性連接，以與放射導體20形成第二迴路結構。

根據電波在自由空間中的傳播距離公式(Friis free-space formula)為如下式(1)所示：

其中，P_th為晶片最低啟動功率，λ為中心頻率波長，G_r為標籤天線增益，τ為功率傳輸係數(Power Transmission Coefficient)，P_t為讀取器所提供功率強度，G_t為讀取器天線最大增益。其中，G_r與τ為設計標籤的天線結構所需要的重要參數。又根據下式(2)所示：

式(2)其為G_r的公式，由該公式可以清楚得知，G_r和Ae天線面積呈現正相關，如果天線面積越大，則可以增加G_r進而增加讀取距離。

此外，根據功率傳輸係數τ的定義，如下式(3)所示：

其中，Zc：晶片實虛部阻抗=Rc-jXc Ω

Za：天線實虛部阻抗=Rc+jXa Ω

Rc：晶片實部阻抗

Ra：天線實部阻抗

為了使訊號有效傳遞，減少傳遞中的反射現象。RFID晶片與天線結構的阻抗匹配調整是設計重要的一環。而天線結構與晶片阻抗的匹配特性，功率傳輸係數τ之數值越接近1越好，功率傳輸係數τ為1時，有最大功率傳輸。根據上述的公式(2)與(3)，本發明透過在放射導體20的一側或兩側設置了延伸的第一與第二導體部22與24構成了導體迴路結構，使天線結構的阻抗變化平緩，有利於與晶片阻抗匹配，使讀距產生寬頻的效果，另外本發明也透過第一與第二導體部22與24增加天線輻射面積，天線增益提升，使讀距增遠。

以下說明本發明天線裝置所產生的功效。請參閱圖5A所示，其為使用如圖1A所示傳統PIFA天線結構10以貼在金屬物品90，例如：金屬板(15cm x 15cm)，中間區域(如5A(a)所示)以及金屬物品邊緣位置(如5A(b)所示)，所形成的頻率與讀取距離關係曲線圖，其中虛線代表圖5A(a)的設置狀態，實線代表圖5A(b)的設置狀態。經量測得知，貼附於金屬物品90置中間位置時，歐規頻段讀距(865~868MHz)遠優於美規頻段(902~928MHz)，而貼在邊緣位置時，則美規頻段讀距優於歐規頻段讀距，可以明顯看出頻率會偏移，因此讀距不能涵蓋兩個頻段，使得可讀取頻率範圍變窄。

請參閱圖5B所示，其為使用如圖3A所示PIFA天線結構2a所構成的天線裝置3貼在金屬物品90，例如：金屬板(15cm x 15cm)，中間區域(如5B(a)所 示)以及金屬物品邊緣位置(如5B(b)所示)，所形成的頻率與讀取距離關係曲線圖，其中虛線代表圖5B(a)的設置狀態，實線代表圖5B(b)的設置狀態。經量測得知，貼附於金屬物品90中間位置時，歐規頻段讀距(865~868MHz)與美規頻段(902~928MHz)，讀距讀距均能維持於11米以上；同樣地，貼附於金屬物品90邊緣位置時，歐規頻段讀距(865~868MHz)與美規頻段(902~928MHz)，讀距讀距均能維持於11米以上。由圖5B可以清楚得知，本發明之天線結構，可以使天線阻抗變化平緩，利於與晶片阻抗匹配，使讀距產生寬頻的效果。此外，由於增加了兩側的導體迴路，因此會增加天線輻射面積，天線增益提升，使讀距增遠。

以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

2‧‧‧天線結構

20‧‧‧放射導體

200‧‧‧第一供電導體

201‧‧‧第二供電導體

21‧‧‧接地導體

22‧‧‧第一導體部

22a‧‧‧第一迴路結構

23‧‧‧連接導體

7‧‧‧RFID晶片

6‧‧‧基材

A‧‧‧第一側

B‧‧‧第二側

Claims (7)

1. 一種天線裝置，包括有：一基板，具有一第一表面、在一第一方向的兩側分別具有與該第一表面相互連接，且沿一第三方向延伸的一第一側面、在一第二方向的兩側分別具有與該第一表面相互連接，且沿該第三方向延伸的一第二側面，以及與該第一表面在第三方向相互對應且分別與該第一側面與該第二側面相互連接的一第二表面；一天線結構，形成於該基板上，該天線結構更具有：一放射導體，其係形成於該第一表面上，該放射導體具有一第一供電導體以及一第二供電導體，該第一供電導體與該第二供電導體之一端與一晶片電性連接；一接地導體，其係形成與該第二表面上，藉由形成於其中之一第二側面上的一連接導體與該放射導體電性連接；以及一第一導體部，形成於其中之一第一側面上，該第一導體部其兩端分別與該放射導體沿該第一方向之第一側電性連接，以與該放射導體形成一第一迴路結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其係更具有一第二導體部，形成於另一第一側面上，該第二導體部兩端與該放射導體沿該第一方向之第二側電性連接，以與該放射導體形成一第二迴路結構。
3. 如申請專利範圍第2項所述之天線裝置，其中該第一導體部與該第二導體部以相互對稱。
4. 如申請專利範圍第2項所述之天線裝置，其中該第一導體部與該第二導體部以相互不對稱。
5. 如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其係設置於一金屬物品上。
6. 如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中該放射導體更具有一第三迴路結構，其兩端與該連接導體連接，該第一迴路結構與該第三迴路結構之一邊耦接。
7. 如申請專利範圍第1項所述之天線裝置，其中該天線結構形成於一撓性基材，藉由該撓性基材黏著於該基板上。

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