TWI772996B

TWI772996B - 用於金屬環境之天線結構與裝置

Info

Publication number: TWI772996B
Application number: TW109142829A
Authority: TW
Inventors: 梁凱鈞
Original assignee: 韋僑科技股份有限公司
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2022-08-01
Also published as: TW202224263A

Abstract

本發明提供一種用於金屬環境之天線結構，包括有導體部以及無線射頻晶片。導體部具有外圍邊界，導體部內開設有不與外圍邊界相連的第一鏤空區域以及第二鏤空區域，第一與第二鏤空區域之間具有第一連接導體以及第二連接導體。無線射頻晶片與第一以及第二連接導體電性連接。在另一實施例中，將天線結構設置於基板上以形成可以應用在金屬環境的天線裝置。

Description

用於金屬環境之天線結構與裝置

本發明為一種天線結構設計，特別是指一種使天線阻抗變化平穩，利於阻抗匹配進而產生寬頻讀距效果的一種用於金屬環境之天線結構與裝置。

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板11的表面，黏貼在基板11表面上，其中天線10的第一區段100，設置在基板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，以構成天線裝置1。第二表面112和第一表面110相對應。在運作時，透過調整短路部106和供電部107的尺寸去微調天線與設置在正面的IC晶片105阻抗達到相互匹配。

從上述的習用技術可以得知，目前克服的方法主要在標籤與金屬間加入一個介質，增加標籤與金屬間的高度，降低受到金屬的影響，或是利用加入短路機制來克服金屬對標籤的影響，例如PIFA。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，是有待解決的間題。

本發明提供一種用於金屬環境之天線結構與裝置，其係利用在金屬導體上形成雙迴圈的鏤空區域，以設計出寬頻讀取範圍的天線結構，該天線結構可以使天線阻抗變化平穩，利於天線與無線射頻晶片之間的阻抗匹配，進而產生增加讀取距離與增加可讀取頻寬範圍的效果。

本發明提供一種用於金屬環境之天線結構與裝置，更進一步地，利用接地導體末端上摺黏著到基板側面的方式，使天線貼附在金屬物件上不同位置時，其被讀取的距離不受影響。

在一實施例中，本發明提供一種用於金屬環境之天線結構，包括有導體部以及與導體部電性連接的接地導體。導體部具有外圍邊界，導體部內開設有不與外圍邊界相連的第一鏤空區域以及第二鏤空區域，第一與第二鏤空區域之間具有第一連接導體以及第二連接導體，其係與一無線射頻晶片電性連接。

在一實施例中，本發明提供一種用於金屬環境之天線裝置，包括有基板以及天線結構。該基板，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與一第二側面、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三側面以及一第四側面，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、第二側面、第三側面與該第四側面相互連接的一第二表面。該天線結構，形成於該基板上，該天線結構更具有導體部以及無線射頻晶片。該導體部具有外圍邊界，導體部內開設有不與外圍邊界相連的第一鏤空區域以及第二鏤空區域，第一與第二鏤空區域之間具有第一連接導體以及第二連接導體。無線射頻晶片與第一以及第二連接導體電性連接。該無線射頻晶片與該第一與第二連接導體電性連接。

20:天線結構

200:導體部

200a:外圍邊界

200b:第一連接導體

200c:第二連接導體

201:無線射頻晶片

202:放射導體部

203:連接導體部

204:接地導體部

204a:第一接地導體

204b:第二接地導體

205:凹部結構

L1:第一鏤空區域

L2:第二鏤空區域

L2a、L2b:延伸多邊形鏤空區域

Lb、Wb:子鏤空區域

5:撓性基材

3、3a:天線裝置

30:基板

300:第一表面

301:第一側面

302:第二側面

303:第三側面

304:第四側面

305:第二表面

9:金屬物件

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2A為本發明之用於金屬環境之天線結構之一實施例示意圖。

圖2B至2D為本發明之天線結構不同實施例示意圖。

圖3A為本發明之天線裝置之一實施例的立體分解示意圖。

圖3B為本發明之天線裝置之一實施例的立體示意圖。

圖3C與圖3D為本發明之天線裝置不同實施例側視示意圖。

圖4A與圖4B為本發明之圖3C與圖3D所示的天線裝置裝設在不同位置下之讀取頻寬與距離關係曲線示意圖。

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用於金屬環境之天線結構與裝置，然而，下述實施例並非用以限制本發明。

請參閱圖2A所示，該圖為本發明之用於金屬環境之天線結構之一實施例示意圖。在本實施例中，該天線結構20(圖中斜線區域)為金屬材質，例如：鋁、銅或銀等，但不以此為限制，印刷於具有絕緣的撓性基材5上，該撓性基材5的材料可以為聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET)或聚醯亞胺(Polyimide,PI)等材料所構成，但不以此為限制。本實施例的天線結構20為可以用在UHF頻段的天線結構。

天線結構20包括有一導體部200以及一無線射頻晶片201。在本實施例中，導體部20內具有一外圍邊界200a。該導體部200內開設有一第一鏤空區域L1以及一第二鏤空區域L2，其係分別為封閉的區域，亦即第一鏤空區域L1與第二鏤空區域L2不與該外圍邊界200a相連。本實施例中，第一與第二鏤空區域L1與L2分別由複數個多邊形交接而成，本實施例為矩形交接而成。要說明的是，構成該第一或第二鏤空區域L1與L2並不限於多邊形交接，亦可以由具有曲線的結構交接而成。

該第一與該第二鏤空區域L1與L2之間具有一第一連接導體200b以及一第二連接導體200c。第一連接導體200b以及第二連接導體200c與該無線射頻晶片201電性連接。該無線射頻晶片201可以選擇為無線射頻標籤(RFID)晶片、遠場通訊晶片等，但不以此為限制。

要說明的是，在本實施例中，第二鏤空區域L2的一端部上更具有由子鏤空區域Lb與Wb所構成的延伸多邊形鏤空區域L2a。圖2A所示的延伸多邊形鏤空區域L2a為L形鏤空區域可以使天線實部阻抗與虛部阻抗平穩的些許提升，有利於與無線射頻晶片201阻抗匹配。要說明的是，延伸多邊形鏤空區域L2a並不限於L形，在另一實施例中，如圖2B所示，該延伸多邊形鏤空區域L2b為矩形的鏤空結構，其係由第二鏤空區域L2的一端凸出。此外，延伸多邊形鏤空區域L2a或L2b並非實施本發明的主要構件，如圖2C所示，不具有延伸多邊形鏤空區域亦可以實施。

在圖2A的實施例中，該導體部200更包括有複數個導體部202~204，其係分別為放射導體部202、連接導體部203以及接地導體部204。該放射導體部202內含有該第一鏤空區域L1以及該第二鏤空區域L2一部份或全部。本實施例中，第二鏤空區域L2的一部份在放射導體部202上，而第二鏤空區域L2的另一部份則位於該連接導體部203上。該連接導體部203的兩側分別連接該放射導體部202以及接地導體部204。如圖2D所示，接地導體部204更包括有第一接地導體204a與第二接地導體204b，其中第一接地導體204a的兩側與連接導體部203以及第二接地導體204b連接。在該連接導體部203的兩側更具有凹部結構205，其可以在天線結構20黏貼到基板上時作為對位記號。

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)與式(3)所示：

式(2)其為G_r的公式，由該公式可以清楚得知，天線增益G_r和天線面積Ae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。式(3)中的Za代表天線阻抗，Zc代表晶阻抗，Ra為天線阻抗中的實部阻抗，Rc為晶片阻抗中的實部阻抗。在圖2A~2D的天線結構實施例中，根據方程式(3)，第一與第二鏤空區域L1與L2所構成雙迴圈佈局可以使天線阻抗變化平穩，利於天線結構20的導體部20與無線射頻晶片201之間的阻抗匹配，進而產生增加可讀取之寬頻與增加讀取距離的效果。

關於天線結構的尺寸，以圖2D的實施例來說明，如圖2D所示，長度L範圍可落在53~160mm之間，寬W範圍可落在13~49mm之間。La範圍可落在0.5~20mm之間，Wa範圍可落在9~45mm之間。Lb範圍可落在0.5~30mm之間，Wb範圍可落在2~20mm之間。第二接地導體204b在X軸向的長度範圍可落在0.5~19.5mm之間。要說明的是，尺寸大小係根據使用情境而定，因此實現並不以前述尺寸為限制。

請參閱圖3A與3B所示，其中圖3A為本發明之天線裝置之一實施例的分解示意圖；圖3B為立體示意圖。在本實施例中，天線裝置3具有一基板30以及一天線結構20，該基板30為非金屬材質均可以使用，例如：高分子基板、PCB基板等。該基板30，可以為多面之立方體基板，例如：長方體，正方體。在本實施例為一長方體基板，其係為六面體結構。本實施例中，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與一第二側面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，且沿該第三方向延伸的一第三側面303以及一第四側面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、第二側面302、第三側面303與該第四側面304相互連接的一第二表面305。基板30的尺寸可以根據使用需求而定，在一實施例中，基板的長度Ls範圍可落在25~75mm，寬度Ws範圍可落在15~50mm，而高度Hs範圍可落在3~20mm。前述之尺寸僅為實施例，並不以此範圍為限制。

天線結構20形成於該基板30的至少三個面上。在一實施例中，天線結構20形成於撓性基材5上，然後再黏貼在基板上。其中，放射導體部202黏貼於基板30的第一表面300上，再將連接導體部203彎折黏貼於基板30的第一側面301上。接著繼續彎折以讓第一接地導體204a形成於第二表面305。然後再將第二接地導體204b彎折以黏貼在基板30的第二側面302上，使得整個天線結構20貼附於基板30的第一表面300、第一側面301與第二側面302以及第二表面305。圖3C為圖3B天線裝置的側視示意圖，天線裝置3設置在金屬物件9上，可以看出第二接地導體204b從第二表面305再彎折而黏貼在第二側面302上。如圖3D所示，本實施例中只有第一接地導體204a設置在第二表面305上，並沒有如圖3C所示有第二接地導體204b再次彎折設置在第二側面302上。

請參閱圖4A與圖4B所示，其中圖4A為本發明之圖3C與圖3D所示之具有第二接地導體204b摺黏著到基板第二側面302的天線裝置3(圖3C所示)與只有第一接地導體204a黏著在基板第二表面305上的天線裝置3a(圖3D所示)，分別設置在金屬物件9的中心區域時的讀取頻寬範圍與讀取距離關係曲線圖，而圖4B則為具有第二接地導體204b摺黏著到基板第二側面302的天線裝置3(圖3C所示)與只有第一接地導體204a黏著在基板第二表面305上的天線裝置3a(圖3D所示)，分別設置在金屬物件9的角落區域時的讀取頻寬範圍與讀取距離關係曲線圖。實現的部份代表天線裝置3(圖3C所示)，虛線的部份代表天線裝置3a(圖3D所示)。

從圖中可以看出，讀距量測可得知天線裝置3a(圖3D所示)雖然在兩種測試中讀距的頻寬均優於天線裝置3(圖3C所示)，但天線裝置3於歐規頻段(865~868MHz)讀距均優於天線裝置3a，而美規頻段(902~928MHz)讀距之天線裝置3略優於天線裝置3a，由此可知天線裝置3的結構較不受到貼附不同位置時造成天線阻抗上的變化的影響，進而維持讀距，而不會有讀距明顯下降的問題。因此圖3C所示的第二接地導體204b摺黏著到基板30第二側面302的天線裝置3，相較於圖3D的天線裝置3a，不會隨著黏貼在金屬物件9的位置不同，而改變讀取距離與頻寬，因此具有更穩定的讀取距離與頻寬範圍的效果，可以應用在金屬物件9上的不同設置位置。

綜合上述，本發明之天線結構與裝置，透過在導體上形成鏤空區域，以構成雙迴圈的形式可以使天線阻抗變化平穩，利於阻抗匹配，進而產生增加讀距與增加可讀取頻寬範圍的效果。更進一步地，本發明之天線結構利用接地導體末端上摺黏著到基板側面的方式，使天線貼附在金屬環境中不同位置時，其被讀取的距離與頻寬範圍不受影響。

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。