TWI803957B - 無線射頻晶片模組及其ｒｆｉｄ接收器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種無線射頻晶片模組，包括有一第一基板、一耦合迴圈天線以及一射頻晶片。該耦合迴圈天線形成在該第一基板上，該耦合迴圈天線更包括有一天線迴圈，以及一內天線，該天線迴圈具有一第一電性連接端以及一第二電性連接端，該天線迴圈內具有一內部區域，該內天線形成於該內部區域的該第一基板上，該內天線具有與該天線迴圈耦接的一連接端以及一自由端。該射頻晶片設置於該第一基板上，與該第一電性連接端以及該第二電性連接端電性連接。在另一實施例中，該無線射頻晶片模組與一輻射天線相耦合以構成RFID接收器，透過該耦合迴圈天線的設計，即使大幅變動間隙距離也對天線的讀距不會產生大幅變化。

Description

無線射頻晶片模組及其RFID接收器

本發明為一種天線結構設計，特別是指一種可以應用在水洗環境下的無線射頻晶片模組及其RFID接收器。

射頻識別(Radio Frequency Identification，以下簡稱RFID)是一種通信技術，其係由無線資訊處理技術、讀寫器、與RFID裝置所組合而成，其中RFID裝置是指RFID晶片和天線所構成的組件，只要搭配專用的讀寫器，就可以非接觸的通訊方式從外部讀取或寫入資料，同時供讀寫器擷取、辨識RFID裝置的資訊，以提供給後端的應用系統進一步處理、使用或加值運用，該無線射頻識別系統可應用的範圍相當廣，例如一般門禁的管制、汽車晶片防盜器、或者是消費電子裝置，例如：智慧型手機、相機等。

近年來隨著科技的進步，將射頻識別技術應用到醫療洗滌，衣物自動識別與特殊服裝管理(如消防、軍服、防護衣)等應用。在這些應用領域中，無線識別標籤必需要具有在水洗的使用環境下，仍然要保持射頻通訊的功能。習用技術中常用三種方式，(1)射頻晶片(IC)與天線連接進行強化，(2)將射頻晶片固定於不可撓基板上再與天線耦合，以及(3)將射頻晶片與天線使用堅硬材料包覆。

在前述將射頻晶片連接於不可撓天線基板上，為了達到所需的電感量，電感量的多寡與天線圈數和線圈直徑有關，目前常用的作法，如圖1所示，該圖為習用之無線射頻識別模組剖面示意圖。在基板10的不同平面上，例如上下表面100與101，分別具有多圈的繞線以形成耦合天線迴路102。在表面100的天線迴路102與射頻晶片104電性連接。圖1所示的習用無線射頻晶片模組再進一步設置在具有輻射天線的基材，以作為物流或物料管理的無線射頻識別裝置。由於圖1的架構必須要使用雙層電路，並且需要有導通孔103，使不同平面的線圈形成迴路。然而，導通孔103會造成電感能量從基板10散射出去，能量不集中，因此與輻射天線耦合時，讀取效果很容易受到基板與輻射天線之間相對的位置偏移而變差。此外，雙面電路的基板10的製作成本也比較高。

綜合上述，因此需要一種無線射頻晶片模組及其RFID接收器來解決習用問題之不足。

本發明提供一種無線射頻晶片模組及其RFID接收器，其中天線迴圈具有內、外兩組天線，透過內外兩組天線的設計可以將電感的能量有效地集中，因此，當無線射頻晶片模組要與輻射天線耦合時，本發明之無線射頻晶片模組的讀取效果就不容易受到基板位置偏移而改變，以維持無線射頻晶片模組讀取通訊的穩定性。此外，單層雙迴圈設計天線，當無線射頻晶片模組與輻射天線耦合時，射頻晶片與輻射天線的位置之間的誤差容許度更大，降低了產品的組裝難度，並大幅增進產品的電性穩定性。

本發明提供一種無線射頻晶片模組及其RFID接收器，透過單層天線設計的方式，無須採用雙面PCB板，因此不用像雙層PCB板須電鍍通孔，故可減少使用導電材料50%、製程均得到極大簡化並降低成本。

在一實施例中，本發明提供一種無線射頻晶片模組，包括有第一基板、耦合迴圈天線以及射頻晶片。該耦合迴圈天線，形成在該第一基板上，該耦合迴圈天線更包括有一天線迴圈，以及一內天線，該天線迴圈具有一第一電性連接端以及一第二電性連接端，該天線迴圈內具有一內部區域，該內天線形成於該內部區域的該第一基板上，該內天線具有與該天線迴圈耦接的一連接端以及一自由端。該射頻晶片設置於該第一基板上，與該第一電性連接端以及該第二電性連接端電性連接。

在一實施例中，本發明提供一種RFID接收器，包括有一無線射頻晶片模組、第二基板以及輻射天線。該無線射頻晶片模組，包括有一第一基板、一耦合迴圈天線以及一射頻晶片，該耦合迴圈天線形成在該第一基板上，該耦合迴圈天線更包括有一天線迴圈，以及一內天線，該天線迴圈具有一第一電性連接端以及一第二電性連接端，該天線迴圈內具有一內部區域，該內天線形成於該內部區域的該第一基板上，該內天線具有與該天線迴圈耦接的一連接端以及一自由端，該射頻晶片，設置於該第一基板上，與該第一電性連接端以及該第二電性連接端電性連接。該第二基板，用以承載該無線射頻晶片模組。該輻射天線，形成於該第二基板上與無線射頻晶片模組相耦合。

2:無線射頻晶片模組

20:第一基板

200:表面

21:耦合迴圈天線

210、210a、210b、210c、210’、210”:天線迴圈

210A:第一電性連接端

210B:第二電性連接端

210C:內部區域

211:內天線

211A:連接端

211B:自由端

211C:迴圈段

211D:彎折段

22:射頻晶片

3:RFID接收器

30:第二基板

31:輻射天線

31a:凹部區域

31b、31c:天線段

310a:底線段

311a、312a:側線段

圖1為習用之無線射頻晶片模組剖面示意圖。

圖2A為本發明之無線射頻晶片模組之一實施例俯視示意圖。

圖2B為無線射頻晶片模組之天線佈局俯視示意圖。

圖3A至圖3C分別為本發明之第一基板不同實施例俯視示意圖。

圖4A至圖4C分別為本發明之天線迴圈不同實施例俯視示意圖。

圖5A與圖5B分別為本發明之內天線不同實施例俯視示意圖。

圖6A為僅有天線迴圈示意圖。

圖6B與圖6C分別為不同的內天線態樣示意圖。

圖6D為圖6A至圖6C所示之不同的內天線實和虛部阻抗與頻率關係示意圖。

圖7為本發明之RFID接收器俯視示意圖。

圖8A至圖8D分別為本發明之無線射頻識別模組擺設在凹部區域內之不同位置對於讀取距離以及頻率之關係曲線圖。

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無線射頻晶片模組及其RFID接收器，然而，下述實施例並非用以限制本發明。

請參閱圖2A與圖2B所示，其中圖2A為本發明之無線射頻晶片模組之一實施例示意圖，圖2B為無線射頻晶片模組之天線佈局示意圖。在本實施例 中，無線射頻晶片模組2包括有一第一基板20、一耦合迴圈天線21以及一射頻晶片22。該第一基板20可以為具有撓性的基板，例如：可為非金屬材質或絕緣軟性介質基材(例如：PET or PI)，或者是PCB基板，在本實施例為PCB基板。該耦合迴圈天線21形成在該第一基板20的一表面200上，該耦合迴圈天線21更包括有一天線迴圈210，以及一內天線211，其係分別由金屬材料，例如：銅、鋁或銀等導電材料所構成，但不以此為限制。由於本發明僅需要在第一基板20的單一表面200上形成耦合迴圈天線21，因此可以免除習用技術因為在基板上下兩表面形成天線以及連接上下表面天線的貫孔，故基板尺寸、導電材料、製程均得到極大簡化並降低成本。

在一實施例中，第一基板21係為一多邊形基板，本實施例為八邊形基板，但不以此為限制，其係根據使用者之需求而定。例如：圖3A至圖3C所示，該圖分別為本發明之第一基板不同實施例示意圖。圖3A與圖3B的第一基板20a與20b分別為正方形以及矩形的基板。圖3C的第一基板20c則不是多邊形的設計，而是圓形。

再回到圖2A與圖2B所示，該天線迴圈210具有一第一電性連接端210A以及一第二電性連接端210B，該天線迴圈210內具有一內部區域210C，該內天線211形成於該內部區域210C的該第一基板20上。本實施例中，該天線迴圈210為從第一電性連接端210A沿著第一基板20的周圍環繞至第二電性連接端210B，其中環繞的形狀為多邊形，在四個角落具有彎折結構210D。要說明的是，天線迴圈210的設計並不以圖2B所示結構為限制，在另一實施例中，如圖4A與圖4B所示，該天線迴圈210a為多邊形的結構，其中圖4A的天線迴圈210a為正方形的天線結構，圖4B的天線迴圈210b為矩形的天線結構。在另一實施例中，天 線迴圈210c也可以為如圖4C所示的圓形天線結構。

再回到圖2A與圖2B所示，該內天線211具有與該天線迴圈210耦接的一連接端211A以及一自由端211B。在本實施例中，該內天線211的該自由端211B與該連接端211A之間更具有複數個相互連接的迴圈段211C，本實施例的迴圈段211C為由連接端211A延伸形成多個迴圈，該自由端211B位於該迴圈段211C內。要說明的是，迴圈尺寸係由外圈往內圈漸縮，此外迴圈的形狀並無一定限制，並不以圖中所是的矩形為限制。此外，內天線211的型態並不以圖2A與2B所示為限，例如在圖5A所示，該圖為本發明之內天線另一實施例示意圖。本實施例中，該內天線211a的該自由端211B與該連接端211A之間更具有複數個相互連接的彎折段211D。如圖5B所示，該內天線211b的該自由端211B與該連接端211A之間更具有迴圈段211C，由迴圈段之一端形成複數個彎折段211D，彎折段211D的一端為該自由端211B。

再回到圖2A所示，該射頻晶片22設置於該第一基板20的表面200上，與該第一電性連接端210A以及該第二電性連接端210B電性連接。射頻晶片22為透過半導體製程形成的晶粒(die)所構成。請參閱圖6A至6D所示，其中圖6A為僅有天線迴圈，而圖6B與圖6C分別為不同的內天線態樣示意圖。圖6D為圖6A至圖6C所示之不同的內天線實和虛部阻抗與頻率關係示意圖。從圖中可以看出，當內天線211的線圈延伸越長(如圖6B或圖6C)，虛部阻抗(Reactance)則會越高，因此可以透過內天線的長度調整控制電感量達到與該射頻晶片22之電容量匹配。

請參閱圖7所示，該圖為本發明之RFID接收器俯視示意圖。在本實施例中，該RFID接收器3包括有一無線射頻晶模組2、一第二基板30以及一輻 射天線31。其中，該無線射頻晶片模組2可以選擇前述圖2A至圖6C所示的不同類型的結構。以下實施例，係以圖2A所示的無線射頻晶片模組2來做說明。該第二基板30，用以承載該無線射頻晶片模組2。在本實施例中，該第二基板30為具有撓性可以變形的基板，例如高分子材料的基板或者是由纖維編織而成的布料。該輻射天線31，形成於該第二基板30上與無線射頻晶片模組2相耦合。本實施例中，輻射天線31並沒有與該無線射頻晶片模組2實體相連接，而是與該無線射頻晶片模組2之間維持特定間距。要說明的是，該輻射天線31為金屬絲所構成，其可以透過編織的方式形成在該第二基板30上，或者是利用黏著材料將輻射天線31黏貼在第二基板上。在另一實施例中，輻射天線31亦可以透過印刷或蝕刻的技術形成在第二基材30上。

在一實施例中，該輻射天線31更具有一凹部區域31a以及天線段31b與31c，該凹部區域31a兩端連接有連續彎折的天線段31b與31c，該無線射頻晶片模組2設置於該凹部區域31a內與該凹部區域31a保持一距離。其中，該凹部區域31a更具有一底線段310a以及分別連接於該底線段310a兩端的側線段311a與312a，每一側線段311a與312a之端部連接有該天線段31b與31c，使得該兩天線段31b與31c對稱設置於該凹部區域31a的兩側。在本實施例中，W1代表天線段31b與31c兩輻射天線之間的距離，在一實施例中，可以介於7~17mm。W2代表第一基板20的尺寸，以正方形的第一基板20為例，在一實施例中，其最大之長度與寬度尺寸可以介於5x5mm~15x15mm之間。W6與W7代表天線迴圈210的長度與寬度，其範圍可以分別介於4x4mm~14x14mm之間。該無線射頻晶片模組2的第一基板20的邊緣與對應的該底線段310a保持一第一距離W3，其範圍可以介於0~8mm之間。該無線射頻晶片模組2的第一基板 20的與側線段311a與312a相對應的邊緣與該側線段311a與312b保持一第二距離W4與W5，其範圍可以介於可落在0~12mm之間。

請參閱圖8A至圖8D所示，其係為本發明之無線射頻識別模組擺設在凹部區域31a時，W3~W5變化對於讀取距離以及頻率之關係曲線圖。在圖8A中，實線曲線代表W3=1.5mm,W4=1mm,W5=1mm、虛線曲線代表W3=1.5mm,W4=0mm,W5=2mm，中心線曲線代表W3=1.5mm,W4=0.5mm,W5=1.5mm，從測試結果可以看出，當W3固定1.5mm時，W4和W5進行上述的左右偏移測試，UHF全球頻段均可以7米以上，全球頻段分為歐規(865~868MHz)和美規(902~928MHz)。在圖8B中，實線曲線代表W3=0mm,W4=1mm,W5=1mm、虛線曲線代表W3=0mm,W4=0mm,W5=2mm，中心線曲線代表W3=0mm,W4=0.5mm,W5=1.5mm，從測試結果可以看出，當W3固定0mm時，W4和W5進行上述的左右偏移測試，讀距表現與圖8A所示的W3為1.5mm一致，UHF全球頻段均可以7米以上。

在圖8C中，實線曲線代表W3=3mm,W4=1mm,W5=1mm、虛線曲線代表W3=3mm,W4=0mm,W5=2mm，中心線曲線代表W3=3mm,W4=0.5mm,W5=1.5mm，從測試結果可以看出，當W3固定3mm時，W4和W5進行上述的左右偏移測試，讀距表現與圖8A所示的W3為1.5mm一致，UHF全球頻段均可以7米以上。在圖8D中，實線曲線代表W3=5mm,W4=1mm,W5=1mm、虛線曲線代表W3=5mm,W4=0mm,W5=2mm，中心線曲線代表W3=5mm,W4=0.5mm,W5=1.5mm，從測試結果可以看出，當W3固定5mm時，W4和W5進行上述的左右偏移測試，W3為5mm時，因無線射頻晶片模組2的邊緣 離輻射天線過遠，導致耦合量不足影響到讀距表現，儘管如此，在UHF全球頻段的範圍內，其整體讀距均可7米。

從上述的測試結果可以得知，以圖7為例，透過本發明耦合迴圈天線21具有外圈天線210與在外圈天線210內部分支延伸內天線211的設計，當耦合迴圈天線21與輻射天線31進行電磁耦合，無線射頻識別模組2在凹部區域31a內的位置改變不太影響阻抗變化，而可以讓讀取距離維持在很好的效果。由於在製程上，無線射頻識別晶片模組2是靠機台去放置在輻射天線的凹部區域31a內，因此在擺放時會因為誤差的關係並不一定都能置中擺放，所以透過單層耦合迴圈天線的設計，可以讓這位置偏差不會影響到讀取距離的效果。

綜合上述，本發明提供一種無線射頻晶片模組及其RFID接收器，具有以下優點(1).當輻射天線固定下，只需調整透過內部內天線211的長度延伸控制電感量與該射頻晶片22達到匹配。解決習用技術中，需要透過加大基板尺寸去放大天線，才能增加電感量的問題。因為，增加基板尺寸的同時輻射天線也要重新設計，增加成本。(2).由圖8A~8D的模擬結果得知外部迴圈加入一個內天線與輻射天線進行電磁耦合，無線射頻晶片模組2擺放位置的偏差不太影響阻抗變化，維持良好的讀取效果。

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:無線射頻晶片模組

20:第一基板

200:表面

21:耦合迴圈天線

210:天線迴圈

210A:第一電性連接端

210B:第二電性連接端

210C:內部區域

210D:彎折結構

211:內天線

211A:連接端

2111B:自由端

211C:迴圈段

22:射頻晶片

Claims (13)

1. 一種無線射頻晶片模組，包括有：一第一基板；一耦合迴圈天線，形成在該第一基板上，該耦合迴圈天線更包括有一天線迴圈，以及一內天線，該天線迴圈具有一第一電性連接端以及一第二電性連接端，該天線迴圈內具有一內部區域，該內天線形成於該內部區域的該第一基板上，該內天線具有與該天線迴圈耦接的一連接端以及一自由端，其中該內天線的該自由端與該連接端之間更具有複數個相互連接的迴圈段或者是具有至少一迴圈段以及複數個相互連接的彎折段；以及一射頻晶片，設置於該第一基板上，與該第一電性連接端以及該第二電性連接端電性連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無線射頻晶片模組，其中該耦合迴圈天線以及該射頻晶片形成於該第一基板的同一表面上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之無線射頻晶片模組，其中該第一基板為圓形或多邊形。
4. 如申請專利範圍第1項所述之無線射頻晶片模組，其中該天線迴圈可以為圓形或多邊形。
5. 一種RFID接收器，包括有：一無線射頻晶片模組，包括有一第一基板、一耦合迴圈天線以及一射頻晶片，該耦合迴圈天線形成在該第一基板上，該耦合迴圈天線更包括有一天線迴圈，以及一內天線，該天線迴圈具有一第一電性連接端以及一第 二電性連接端，該天線迴圈內具有一內部區域，該內天線形成於該內部區域的該第一基板上，該內天線具有與該天線迴圈耦接的一連接端以及一自由端，該射頻晶片，設置於該第一基板上，與該第一電性連接端以及該第二電性連接端電性連接；一第二基板，用以承載該無線射頻晶片模組；以及一輻射天線，形成於該第二基板上與無線射頻晶片模組相耦合。
6. 如申請專利範圍第5項所述之RFID接收器，其中該內天線的該自由端與該連接端之間更具有複數個相互連接的彎折段。
7. 如申請專利範圍第5項所述之RFID接收器，其中該內天線的該自由端與該連接端之間更具有複數個相互連接的迴圈段。
8. 如申請專利範圍第5項所述之RFID接收器，其中該內天線的該自由端與該連接端之間更具有至少一迴圈段以及複數個相互連接的彎折段。
9. 如申請專利範圍第5項所述之RFID接收器，其中該耦合迴圈天線以及該射頻晶片形成於該第一基板的同一表面上。
10. 如申請專利範圍第5項所述之RFID接收器，其中該第一基板為圓形或多邊形。
11. 如申請專利範圍第5項所述之RFID接收器，其中該天線迴圈可以為圓形或多邊形。
12. 如申請專利範圍第5項所述之RFID接收器，其中該輻射天線更具有一凹部區域，該凹部區域兩端連接有連續彎折的天線段，該無線射頻晶片模組設置於該凹部區域內與該凹部區域保持一距離。
13. 如申請專利範圍第12項所述之RFID接收器，其中該凹部區域更具有一底線段以及分別連接於該底線段兩端的側線段，每一側線段之端部連接有該天線段，其中該無線射頻晶片模組與該底線段接觸或保持一第一距離以及與該側線段接觸或保持一第二距離。

Images