WO2016090638A1 - Dipole antenna for radio frequency identification (rfid) tag - Google Patents

Dipole antenna for radio frequency identification (rfid) tag Download PDF

Info

Publication number
WO2016090638A1
WO2016090638A1 PCT/CN2014/093721 CN2014093721W WO2016090638A1 WO 2016090638 A1 WO2016090638 A1 WO 2016090638A1 CN 2014093721 W CN2014093721 W CN 2014093721W WO 2016090638 A1 WO2016090638 A1 WO 2016090638A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
dipole
dipole antenna
accordance
tag
antenna
Prior art date
Application number
PCT/CN2014/093721
Other languages
French (fr)
Inventor
Jingtian XI
Tao Terry Ye
Original Assignee
Hong Kong R&D Centre for Logistics and Supply Chain Management Enabling Technologies Limited
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hong Kong R&D Centre for Logistics and Supply Chain Management Enabling Technologies Limited filed Critical Hong Kong R&D Centre for Logistics and Supply Chain Management Enabling Technologies Limited
Priority to PCT/CN2014/093721 priority Critical patent/WO2016090638A1/en
Publication of WO2016090638A1 publication Critical patent/WO2016090638A1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/16Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12Supports; Mounting means
    • H01Q1/22Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/2208Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems
    • H01Q1/2225Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems used in active tags, i.e. provided with its own power source or in passive tags, i.e. deriving power from RF signal
    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/16Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • H01Q9/285Planar dipole

Abstract

A dipole antenna arranged to couple with an integrated circuit chip of an RFID tag, wherein the dipole antenna has a dipole length of at least one wavelength λ so as to maximize directivity of the RFID tag.

Description

DIPOLE ANTENNA FOR RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION (RFID) TAG TECHNICAL FIELD

The present invention relates to a dipole antenna for a radio frequency identification (RFID) tag, and particularly, although not exclusively, to an RFID tag antenna utilizing dipole beyond one wavelength.

BACKGROUND

RFID tags have been widely utilized in applications such as commerce, transportation, logistics, human and animal identification, public transport, for identifying or tracking objects, or for storing data and information. One way of classifying RFID tags is to classify them based on the bands of fiequencies of electromagnetic waves with which they operate. Naturally, RFID tags with different operating frequencies would result in different operational and performance parameters, thus having significant effect on the range, costs, and deployment characteristics of the tags.

RFID tags that operate in the fiequency regime of 433, 840-960 MHz and tie 2.4 GHz range are called ultrahigh fiequency (UHF) RFID tags. Compared with RFID tags of other operating frequencies, UHF RFID tags have a relatively longer read range and a lower tag cost. In addition, UHF RFID tags can be updatcd with new data, and this enables them to be re-used. These advantageous characteristics make UHF RFID tag an ideal candidate for supply chain, inventory and asset management visibility applications.

The fundamental structure of an UHF RFID tag is an RFID inlay, which includes an IC chip coupled with an RFID antenna. In the simplest sense the IC chip is the component in which information to be retrieved is stored whilst the antenna is the component for enabling communication of the tag with an external RFID reader which reads or writes data on the IC chip.

Half-wave (half-wavelength) dipole is the most commonly used antenna type for UHF RFID tags. The utifization of half-wavelength is due to a traditional practical consideration that the RFID antenna form-factor should fit well within a normal label size (the label being separated from the object/product to be tracked) . As a result, dipole of other wavelengths/form-factors has been ignored.

Nonetheless as UHF RFID tags becomes more and more popular to be used in tracking and identification applications in the retail industry, it becomes increasing favourable to embed UHF RFID tags directly into the package during the package lamination process. By doing so, the form-factor of the RFID tag antenna is no longer limited by the label size, and the RFID tag antenna can utilize the whole dimension of the package. That said, it is not without technical challenges to adapt the tags to better utilize package dimensions.

SUMMARY OF THE INVENTION

In accordance with a first aspect of the present invention, there is provided a dipole antenna arranged to couple with an integrated circuit chip of an RFID tag, wherein the dipole antenna has a dipole length of at least one wavelength λ so as to maximize directivity of the RFID tag.

Preferably, the dipole antenna comprises an antenna portion arranged to receive and/or radiate RF signals; and an impedance matching portion arranged to match an impedance between the antenna portion and the integrated circuit chip.

Preferably, the impedance matching portion is arranged to match a resonance frequency of the RFID tag to a frequency at which the directivity substantially maximizes.

Preferably, both the elongated dipole segment and the loop segment are arranged on a substrate.

Preferably, the antenna portion includes an elongated dipole segment; and the impedance matching portion includes a loop segment coupled with the elongated dipole segment.

Preferably, the loop segment is connected with the elongated dipole segment at a first node and at a second node spaced apart from the first node; and a gap is arranged on the elongated dipole segment between the first node and the second node for receiving the integrated circuit chip.

Preferably, the elongated dipole segment is substantially straight.

Preferably, the substrate has a thickness of less than 10mm and a substrate permittivity of less than 4.

Preferably, the substrate comprises paper, plastic, and/or wood materials.

Preferably, the dipole antenna is substantially symmetric about its short axis.

Preferably, the radio frequency identification (RFID) tag is an ultra-high frequency (UHF) RFID tag.

Preferably, the radio frequency identification (RFID) tag is adapted to operate at around 800-1000MHz.

Preferably, the dipole length is at or larger than 1.269λ. The dipole length may also be around 1.269λ.

In accordance with a second aspect of the present invention, there is provided a radio frequency identification (RFID) tag comprising: an integrated circuit chip; and a dipole antenna in accordance with the first aspect of the present invention being coupled with the integrated circuit chip.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Embodiments of the present invention will now be described, by way of example, with reference to the accompanying drawings in which:

Figure 1A is a graph showing the power pattern factor (Fp) as a function of dipole length for directivity at 90° (D90deg) and the maximum directivity (Dmax) based on theoretical analysis;

Figure 1B is a graph showing the radiation resistance (Rr) as a function of dipole length based on theoretical analysis;

Figure 1C is a graph showing the directivity (D) as a function of dipole length for directivity at 90° (D90deg) and the maximum directivity (Dmax) based on theoretical analysis;

Figure 2A is a graph showing the power pattern factor (Fp) as a function of dipole length for different substrates based on simulation;

Figure 2B a graph showing the radiation resistance (Rr) as a function of dipole length for different substrates based on simulation;

Figure 2C a graph showing the directivity (D) for directivity at 90° (D90deg) as a function of dipole length for different substrates based on simulation;

Figure 3A is a graph showing the calculated and simulated resistances (Rin) as a function of frequencies for a long dipole antenna in accordance with one embodiment of the present invention;

Figure 3B is a graph showing the calculated and simulated impedances (Xin) as a function of frequencies for a long dipole antenna in accordance with one embodiment of the present invention;

Figure 4A is a graph showing the variation of the second series resonance fiequency (fs2), the first parallel resonance fiequency (fpl) and the fiequency at which the directivity D maximizes (fopt) as a tunction of the substrate permittivity (εr) based on simulation (with substrate thickness being kept at 3mm) .

Figure 4B is a graph showing the variation of the second series resonance fiequency (fs2), the first parallel resonance fiequency (fpl) and the frequency at which the directivity D maximizes (fopt) as a function of the substrate thickness based on simulation (with substrate permittivity being kept at 3) .

Figure 5A is a graph showing the variation of the difference between the second series resonance frequency and tie frequency at which the directivity D maximizes (fs2-fopt) as a function of the substratc pcrmittivity (εr) based on simulation.

Figure 5B is a graph showing the variation of the difference between the second series resonance frequency and the frequency at which the directivity D maximizes (fs2-fopt) as a function of the substrate thickness based on simulation.

Figure 6A shows a T-match network used for impedance matching in accordance with one embodiment of the present invention;

Figure 6B is a modified T-match network used for impedance matching in accordance with an alternative more preferred embodiment of the present invention;

Figure 7 is a photo showing a prototype of a long dipole RFID tag in accordance with one embodiment of the present invention;

Figure 8A shows a long dipole RFID tag design in accordance with one embodiment of the present invention;

Figure 8B shows a long dipole RFID tag design in accordance with another embodiment of the present invention;

Figure 9 is a graph showing the measured and simulated return losses of the tag prototype of Figure 7 as a function of operation fiequencies.

Figure 10A is a graph showing the measured and simulated E-plane radiation patterns (normalized) of the tag prototype of Figure 7;

Figure 10B is a graph showing the measured and simulated H-plane radiation patterns (normalized) of the tag prototype of Figure 7; and

Figure 11 is a graph showing the measured read range of the tag prototype of Figure 7.

DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT

The present invention relates to a dipole antenna arranged to couple with an integrated circuit chip of an RFID tag, wherein the dipole antenna has a dipole length of at least one wavelength λ so as to maximize directivity of the RFID tag.

In this following description and the present invention in general, the term “long dipole” (or its variation) refers to dipole with a total length of more than 1λ, and preferably around 1.269λ.

DIPOLE DIRECTIVITY ANALYSIS

A.Theory of Dipole Directivity

In the theory of dipole directivity, the directivity D of an antenna can be calculated based on its radiation power density P:

Figure PCTCN2014093721-appb-000001

where

Figure PCTCN2014093721-appb-000002

Figure PCTCN2014093721-appb-000003

and Z0 is the intrinsic impedance of the propagation medium.

In the above Equations (1) - (3) , P (θ, φ) is known as the power pattern and it can be expressed as

Figure PCTCN2014093721-appb-000004

where B0 is a constant, Fp is the power pattern tactor.

According to Equation (4) , directivity D can be expressed as a function of Fp

Figure PCTCN2014093721-appb-000005

The electric field of dipoles has no Eφ component and is independent of φ. Thus for dipoles, Equation (5) can be simplified as:

Figure PCTCN2014093721-appb-000006

Accordingly, the field pattern factor of dipoles can be expressed as

Figure PCTCN2014093721-appb-000007

where L is the total length and k is the wave number. As indicated by Equation (2) , the power pattern factor Fp of dipoles is

Figure PCTCN2014093721-appb-000008

The integral in the denominator of Equation (6) , which involves Fp as shown in Equation (8) , requires extensive mathematical manipulations.

However, it owns a closed-form expression as follows.

Figure PCTCN2014093721-appb-000009

where C is the Euler’s constant, Ci (x) and Si (x) are the cosine and sine integrals. After comparing Equation (9) with the radiation resistance (Rr) derived according to the induced EMF method, it is found that

Figure PCTCN2014093721-appb-000010

Substituting Equation (10) into Equation (6) , the directivity D of dipoles becomes

Figure PCTCN2014093721-appb-000011

This expression in Equation (11) explicitly shows the relationship between D and Rr.

Figures 1A-1C show respectively the variation of power pattern factor (Fp) , radiation resistance (Rr) , and directivity (D) with the dipole length for directivity at 90° (D90deg) and the  maximum directivity (Dmax) , calculated based on the above equations. It should be noted that in the above, the power pattern factor (Fp) is derived based on Equation (8) , the radiation resistance (Rr) is determined by the induced EMF method, whereas directivity (D) is calculated based on Equation (11) using the values obtained for the power pattern factor (Fp) and radiation resistance (Rr) . Note that power pattern factor Fp and directivity D are functions of θ. Figures 1A-1C only show the directivity at θ=90 deg (D90deg, represented by the legend “90 deg” in the graphs) and the maximum directivity (Dmax, represented by tie legend “max” in the graphs) as they are of particular interest.

According to Figures 1A-1C, it can be seen that Fpmax and Rr both increase with L in an oscillating way but their peaks do not happen at the same L, i.e. the peaks are slightly offset. As a result, Dmax shows many ripples in an ascending trend. Figures 1A and 1C show that Fp990deg and D90deg behave quite differently from their counterparts Fpmax and Dmaz. As shown in Figure 1A, Fp90deg presents a constant peak value of 4 with a period of 2λ. As a result, D90deg maximizes at its first peak where the decreasing rate of Fp90deg exceeds that of Rr. The data (not shown) of Figure 1C reveals that the maximum of D90deg occurs at L=1.269λ. It can be seen that the maximal D90deg coincides with Dmax at L=1.269λ and this shows that the main beam remains at the plane of θ=90 deg. From L=1.44λ onwards, D90deg deviates substantially from Dmax.In Figure 1C, the maximum directivity of the 1.269λ dipole is 3.296 (i.e. 5.18 dBi) , which is 3 dB larger than that of a half-wave dipole.

B.Influence of Thin Low-Permittivity Substrate on Dipole Directivity

For the ease of illustration, the dipole directivity theory presented above assumes that the dipoles are placed in air. In practice, RFID tag antennas, in particular UHD RFID tag antennas, are implemented in the form of printed dipoles which are planar dipoles fabricated on substrates. In other words, the substrate properties (e.g. permittivity, dimensions, etc. ) would have a key effect on the directivity performance of the long dipole.

Tie following discussion focuses on thin low-permittivity substrates. In particular, the thickness of the substrate is preferably within 10 mm so that the radiation efficiency of printed dipoles will not be significantly compromised due to high-order surface waves; and the permittivity of the substrate is no larger than 4. It should be noted that common packaging materials like paper, plastic and wood all falls within this range of permittivity.

In particular, two exemplary substrates can be used it the present invention:

Sub 1: εr=2.5, thickness=0.5 mm (slight dielectric-loading)

Sub 2: εr=3, thickness=4 mm (moderate dielectric-loading)

For the sake of simplicity in illustration, dielectric loss is ignored in this section.

In one example of the present invention, a Method-of-Moments simulator, IE3D, is used to study the influence of the properties of the substrate. In the exemplary simulation the dipole width is selected and fixed to be 1 mm. Also, in this simulation, Dis directly obtainedfrom the IE3D simulator; and Rr is indirectly derived based on the simulation results of thmaximum current and the radiated power. In this simulation, however, Fp cannot be determined based on Equation (11) using the values of D and Rr obtained since this method is only applicable to dipoles in air. For dipoles on substrate, Equations (10) and (11) are no longer applicable. Thus, in the present simulation, the inventor (s) of the present invention havedevised a new Fp estimation method to be used for printed dipoles. As Fp only depends on the current distribution and current distributions at corresponding resonance frequencies should be the same regardless of the substrate, Fp of dipoles on substrate at one frequency point should equal that of dipoles in air at another frequency point, provided that a mapping between these  two frequency points is available. The inventor(s) of the present invention has devised that this kind of mapping can be approximated by a downward shift corresponding to the variation of a certain resonance frequency. In particular, the variation of the second series resonance frequency should be used since the frequency where D maximizes is in its vicinity. Therefore, in the present exemplary simulation, Fp of dipoles on substrate can be estimated by downward shifting that of dipoles in air in accordance with the offset of their second series resonance frequencies.

Simulation and calculation results of Fp90deg, Rr and D90deg in air (“Air (Calc) ”, “Air” ) and on the two substrates (“Sub 1”, “Sub 2”) , obtained using the method presented above, are shown in Figures 2A-2C. As shown in Figure 2A-2C, the small discrepancies between the simulation and the calculation in the “air” case is due to the fact that the dipole width adopted during the simulation is not infinitesimal.

Table. 1 Dipole length required for the maximized directivity

Air (calc)  Air Sub 1 Sub 2 1.269λ 1.234λ 1.188λ 1.061λ

As shown in Figure 2C, the dipole length required for the maximum directivity D decreases with the dielectric loading. Table 1 above lists the optimum dipole lengths for all the cases shown in Figures 2A-2C. It can be observed that as the dielectric loading becomes more significant, the dipole length required for the maximized directivity approaches λ.

In one embodiment of the invention, for substrates whose permittivity or thickness is larger than that of Sub 2, the long dipole may require a length shorter than λ, but it sill deviates from a full-wave dipole in the sense of the guided wavelength. In other words, the long dipole of the present invention preferably is at least 1λ . In one preferred embodiment, the dipole has at least 1.269λ dipole. The significance of the long dipole of the present invention lies at its high-but still omni-directional radiation pattern.

IMPEDANCE MATCHING OF LONG-DIPOLE TAG

Based on the above analysis, it can be seen that a full-wave dipole is operable to offer a higher directivity than its half-wave counterpart. However, the high input impedance of the full-wave dipole greatly complicates the impedance matching.

Figures 3A-3B respectively shows the calculated and simulated resistances (Rin) and impedance (Xin) as a function of frequencies for a long dipole antenna in accordance with one embodiment of the present invention. It should be noted that the calculated and simulated results in Figures 3A-3B are calculated with the induced EMF method and simulated with IE3D respectively.

Figure 3B shows three resonance frequencies, namely the first and the second series resonance frequencies (fs1, fs2) and the first parallel resonance frequency (fpl) . As shown in Figure 3B, the simulated results are consistent with the calculated results, except for the band near fpl. This is due to the fact that the zero-current assumption of the induced EMF method breaks for the full-wave dipole around this frequency regime. Figure 3B also shows that the impedance behaviour around fs2 are largely consistent with that around fs1.

Figures 4A-4B respectively shows the variation of the second series resonance frequency (fs2) , the first parallel resonance frequency (fpl) and the frequency at which the  directivity D maximizes (fopt) as a function of the substrate permittivity (εr) and substrate thickness based on simulations. For Figure 4A, the substrate thickness is fixed as 3 mm whilst for Figure 4B a substrate permittivity of 3 is used.

Figures 5A-5B respectively shows the variation of the difference between the second series resonance fiequency and the frequency at which the directivity D maximizes (fs2-fopt) as a function of the substrate permittivity (εr) and substrate thickness based on simulations. It is found from the simulation that fopt is closer to fs2 than to fpl. Moreover, it is found that as the dielectric loading increases (irrespective of the increase in substrate permittivity or substrate thickness) , the difference between fopt and fs2 becomes smaller.

The results in Figures 3A-5B show that the impedance around fs2 and around fs1 resembles each other and that fopt is next to fs2 and thus in one embodiment of the present invention it is feasible to apply matching techniques of half-wave dipole tags to long-dipole tags of the present invention.

Figure 6A shows a T-match network 600A utilized for impedance matching in one embodiment of the present invention. In Figure 6A, Lh and Le represents the shunt inductance and the series inductance of the T-match network 600A respectively. Preferably, the introduction of the T-match network 600A in the present embodiment to the long dipole antenna does not disturb the directivity of the long dipole, duc to its electrically small size. However, the impedance matching of long-dipole tags also preferably requires the centre fiequency of the impedance bandwidth to coincide with fopt so as to exploit the high directivity feature. It the present invention, for long dipoles on thin low-permittivity substrates, the difference between fopt and fs2 is up to 180 MHz as shown in Figures 5A-5B. A large difference between the centre frequency and the resonance fiequency (i.e. fs1 of the half-wave dipole or fs2 of the long dipole) requires a large shunt inductance in the T-match network. In other words, the difference between fopt and fs2 would not allow the application of the T-match network in the embodiment of Figure 6A to long-dipole tags as the T-match network in Figure 6A can only tolerate a fiequency difference about 30-60 MHz.

Figure 6B shows a T-match network 600B utilized for impedance matching in an alternative, more preferred, embodiment of the present invention. In Figure 6B, the T-match network 600B is arranged to provide a longer trace to facilitate implementing a larger Lh.

PROTOTYPE OF A LONG-DIPOLE TAG

Figure 7 shows a long-dipole RFID tag prototype 700 in one embodiment of the present invention. In this embodiment, the tag 700 is particularly adapted to operate in UHF frequency bands, although it is also possible for the tag to be adapted to operate in other frequency bands in some other embodiments. In the present embodiment, the long-dipole RFID tag 700 is implemented on a 130-μm-thick paper substrate and is encapsulated with 100- μm-thick plastic covers on top and bottom. The electric properties of the paper material used are: εr=2.23, tanδ=0.05. The electric properties of the plastic material used are: εr=2.55, tanδ=0.005. In this embodiment, the length of the long-dipole is fine tuned to be 388.1 mm (as example only) . Specifically, in the tag prototype 700 in the present embodiment, the long dipole antenna is matched to a RFIC integrated circuit chip with a T-match network of Figure 6B.Note that in this embodiment of Figure 7, the tag is a passive RFID tag without any battery/power means.

Figures 8A-8B respectively shows two different long dipole RFID tags 800A, 800B in accordance with one embodiment of the present invention. In these embodiment, both of the tags 800A, 800B have a similar structure to that shown in Figure 7. In particular, each of the  tag includes a long dipole antenna portion, an impedance matching portion as well as an integrated circuit chip. The long dipole antenna portion is arranged to receive and/or radiate RF signals; the impedance matching portion is arranged to match an impedance between the antenna portion and the integrated circuit chip; and the an integrated circuit chip is used for information/data storage. Similar to that in Figure 7, the tags 800A, 800B in Figures 8A and 8B are preferably arranged on a substrate, which may be paper, plastic, glass or any other suitable material.

With reference to Figure 8A, the tag 800A includes an elongated dipole segment 802A which forms the antenna portion, and a loop segment 804A which forms the impedance matching portion. In this embodiment, the elongated dipole segment 802A is substantially straight. The integrated circuit chip 806A is arranged in a gap formed in the elongated dipole segment 802A, which can also be considered to be formed in a closed loop provided by the combination of the elongated dipole segment 802A and the loop segment 804A.

With reference to Figure 8B, the tag 800B includes an elongated dipole segment 802B which forms the antenna portion, and a loop segment 804B which forms the impedance matching portion. In this embodiment, the elongated dipole segment 802B is curved with a plurality of turns (forming a square wave like pattern) . The integrated circuit chip 806B is arranged in a gap formed in the elongated dipole segment 802B, which can also be considered to be formed in a closed loop provided by the combination of the elongated dipole segment 802B and the loop segment 804B.

In one embodiment, the tags 800A, 800B in Figures 8A and 8B are preferably made with substrate having less than 10mm thickness and permittivity less than 4. It is possible, however, to use thickness and permittivity out of this range in some other embodiment. The tags 800A, 800B are preferably, but not absolutely essential, to be substantially symmetric about its short axis. In addition, the shape of the antenna portion and the impedance matching portion could be different fiom that as shown, and could vary, for example, depending on the package of which the tags are to be attached to.

The long-dipole RFID tag prototype 700 of Figure 7 is characterized with both measurement and simulation, and the results are shown in Figure 9. The graph of Figure 9 shows the measured and simulated return losses of the tag prototype 700 of Figure 7 as a function of operation fiequency. In particular, in this graph of Figure 9, in addition to IE3D, a Finite-Element-Method simulator called HFSS is also used to verify the tag performance. In this example, the return losses of the long-dipole tag prototype are derived based on the impedance of the tag antenna and the tag chip, and the measured antenna impedance is obtained with the balanced-robe method. According to the measurement, the centre frequency of the impedance bandwidth (i.e. tag resonance frequency) is 909 MHz. 10-dB and 6-dB impedance bandwidths are found to be 27.6 MHz and 52.2 MHz respectively.

Radiation pattern and read range of the long-dipole tag prototype 700 of Figure 7 are measured with an RFID tester in an anechoic chamber (not shown) . During the radiation pattern measurement, the tag prototype 700 is placed on a rotation system and tested with a 1-deg angular step. Figures 10A-10B shows respectively the measured and simulated E-plane and H-plane radiation patterns of the tag prototype 700 of Figure 7. In Figures 10A-10B, the radiation patterns are normalized. The simulated radiation patterns, on the other hand, are from HFSS. The radiation patterns obtained from IE3D are almost the same and hence are omitted for brevity. The six-pedal E-plane pattern in Figure 10A shows that the tag antenna behaves as a long dipole. Also, fiom the measured E-plane pattern in Figure 10A, the half power beam width (HPBW) is measured to be 32 degrees, which is close to the 34 degrees HPBW of a standalone 1.269λ dipole.

Figure 11 shows the measured read range of the tag prototype 700 of Figure 7. The frequency step used for the read range measurement is 1 MHz. During the measurement, the alignment between the tag antenna (of tag prototype 700) and a tester antenna has been taken care of to minimize the polarization mismatch. The measured read range corresponds to an equivalent isotropically radiated power EIRP of 3.28 W. In this exemplary experiment it is also found that the tag prototype 700 in one embodiment of the present invention delivers a read range over 10m from 857 to 969 MHz, covering the whole UHF RFID band (i.e. 800~1000 MHz) . Figure 11 shows that the maximum read range of 18.4 m occurs at 910MHz. Based on the measured read range, the gain at 910 MHz is estimated to be 4.0 dBi with the Friis equation. Both IE3D and HFSS predict radiation efficiencies of around 84%. Combining the estimated gain and the simulated radiation efficiency in the above analysis, the directivity at 910 MHz is derived to be 4.8 dBi. In comparison, the directivities at 910 MHz obtained from IE3D and HFSS are 5.1 dBi and 4.7 dBi respectively. In a similar way, the maximum directivity of the tag prototype is found to be 4.9 dBi and it occurs at 916 MHz. It can be seen that the agreement between the measurement and the simulation is good. Table 2 below summates the measurement results of the tag prototype of Figure 7B.

Table 2 Measured results of the tag prototype

Tag resonance frequency (MHz) 909 Frequency where D maximizes (MHz) 916 10-dB impedalice bandwidth (MHz) 27.6 6-dB impedance bandwidth (MHz) 52.2 Half power beam width (deg) 32 Maximum read range (m)  18.4 Maximum directivity (dBi) 4.9

The present invention provides embodiments of UHF RFID tag antennas in the form of a long dipole, and UHF RFID tag with such antennas. As shown above, long dipole provides the maximum directivity out of a single dipole element. At the same time long dipole is able to maintain its main beam at the plane of θ=90 deg (assuming the dipole is oriented along the z axis) . A theoretical analysis of the directivity of dipoles in air provided above reveals that the directivity depends on not only the power pattern factor but also the radiation resistance. As a result, the directivity maximizes at a dipole length where the decrease of the power pattern factor overrides that of the radiation resistance. Dipole lengths required for the maximum directivity are found for both dipoles in air and those on typical thin low-permittivity substrates. It can be seen that as the dielectric loading increases, the optimum length of the long dipole approaches one free-space wavelength and even smaller.

Impedance matching is always critical for a successful implementation of tag antennas. Based on a study of the impedance behaviour of the long dipole across its four characteristic frequencies (i.e. the first and the second series resonance frequencies, the second parallel resonance frequency and the frequency where the directivity maximizes) , the matching techniques for half-wave dipole tags are found to be valid for long-dipole tags. However, the impedance matching of long-dipole tags requires aligning the tag resonance frequency with the frequency where the directivity maximizes. This extra requirement is a big challenge,  especially when there is little dielectric loading. The present invention is advantageous in that it substantially mitigates this problem by providing a T-match network arranged to match the impedance of long-dipole tags.

The antenna, the T-match network, as well as the tag provided by the present invention is particularly advantageous in that they enable RFID tags to be manufactured with a form factor that can fully take advantage of the dimension of the package and hence can provide additional design freedom to achieve better performance compare with traditional half-wave dipole. Other advantages of the present invention in terms of structure, function, manufacture, and costs will become apparent to the person skilled in the art who refers to the above description.

It will be appreciated by persons skilled in the art that numerous variations and/or modifications may be made to the invention as shown in the specific embodiments without departing fiom the spirit or scope of the invention as broadly described. The present embodiments are, therefore, to be considered in all respects as illustrative and not restrictive.

Any reference to prior art contained herein is not to be taken as an admission that the information is common general knowledge, unless otherwise indicated.

Claims (15)

  1. A dipole antenna arranged to couple with an integrated circuit chip of an RFID tag, wherein the dipole antenna has a dipole length of at least one wavelengthλso as to maximize directivity of the RFID tag.
  2. A dipole antenna in accordance with claim 1, comprising:
    an antenna portion arranged to receive and/or radiate RF signals; and
    an impedance matching portion arranged to match an impedance between the antenna portion and the integrated circuit chip.
  3. A dipole antenna in accordance with claim 2, wherein the impedance matching portion is arranged to match a resonance frequency of the RFID tag to a frequency at which the directivity substantially maximizes.
  4. A dipole antenna in accordance with claim 2or 3, wherein both the elongated dipole segment and the loop segment are arranged on a substrate.
  5. A dipole antenna in accordance with any one of claims 2-4, wherein the antenna portion includes an elongated dipole segment; and the impedance matching portion includes a loop segment coupled with the elongated dipole segment.
  6. A dipole antenna in accordance with claim 5, wherein the loop segment is connected with the elongated dipole segment at a first node and at a second node spaced apart from the first node; and a gap is arranged on the elongated dipole segment between the first node and the second node for receiving the integrated circuit chip.
  7. A dipole antenna in accordance with claim 5or 6, wherein the elongated dipole segment is substantially straight.
  8. A dipole antenna in accordance with claim 4, wherein the substrate has a thickness of less than 10mm and a substrate permittivity of less than 4.
  9. A dipole antenna in accordance with claim 4, wherein the substrate comprises paper, plastic, and/or wood materials.
  10. A dipole antenna in accordance with any one of the preceding claims, wherein the dipole antenna is substantially symmetric about its short axis.
  11. A dipole antenna in accordance with any one of the preceding claims, wherein the radio frequency identification (RFID) tag is an ultra-high frequency (UHF) RFID tag.
  12. A dipole antenna in accordance with any one of the preceding claims, wherein the radio frequency identification (RFID) tag is adapted to operate at around 800-1000MHz.
  13. A dipole antenna in accordance with any one of the preceding claims, wherein the dipole length is at or larger than 1.269λ.
  14. A dipole antenna in accordance with any one of the preceding claims, wherein the dipole length is around 1.269λ.
  15. A radio frequency identification (RFID) tag comprising:
    an integrated circuit chip; and
    a dipole antenna as claimed in any one of the preceding claims, being coupled with the integrated circuit chip.
PCT/CN2014/093721 2014-12-12 2014-12-12 Dipole antenna for radio frequency identification (rfid) tag WO2016090638A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2014/093721 WO2016090638A1 (en) 2014-12-12 2014-12-12 Dipole antenna for radio frequency identification (rfid) tag

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2014/093721 WO2016090638A1 (en) 2014-12-12 2014-12-12 Dipole antenna for radio frequency identification (rfid) tag

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016090638A1 true WO2016090638A1 (en) 2016-06-16

Family

ID=56106506

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/CN2014/093721 WO2016090638A1 (en) 2014-12-12 2014-12-12 Dipole antenna for radio frequency identification (rfid) tag

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2016090638A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106099336A (en) * 2016-08-23 2016-11-09 成都中亚通茂科技股份有限公司 A kind of ultrashort wave antenna combined at 30MHz 1350MHz frequency range active passive
WO2018036225A1 (en) * 2016-08-23 2018-03-01 成都中亚通茂科技股份有限公司 Sectional-load shortwave antenna capable of automatically adjusting antenna oscillator
CN108321512A (en) * 2017-01-18 2018-07-24 重庆邮电大学 A kind of ultra wide band anti-metal UHF RFID label antennas with symmetrical structure

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101013771A (en) * 2006-01-31 2007-08-08 富士通株式会社 Folding dipole antenna and tag using the same
CN101192704A (en) * 2006-11-30 2008-06-04 株式会社半导体能源研究所 Antenna and semiconductor device having the same
WO2009032263A1 (en) * 2007-08-31 2009-03-12 Vue Technology, Inc. A large scale folded dipole antenna for near-field rfid applications
CN101855781A (en) * 2007-10-11 2010-10-06 3M创新有限公司 RFID label with modified model dipole antenna
CN103548037A (en) * 2011-03-24 2014-01-29 泰格西斯赛斯公司 RFID tag assembly and label process

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101013771A (en) * 2006-01-31 2007-08-08 富士通株式会社 Folding dipole antenna and tag using the same
CN101192704A (en) * 2006-11-30 2008-06-04 株式会社半导体能源研究所 Antenna and semiconductor device having the same
WO2009032263A1 (en) * 2007-08-31 2009-03-12 Vue Technology, Inc. A large scale folded dipole antenna for near-field rfid applications
CN101855781A (en) * 2007-10-11 2010-10-06 3M创新有限公司 RFID label with modified model dipole antenna
CN103548037A (en) * 2011-03-24 2014-01-29 泰格西斯赛斯公司 RFID tag assembly and label process

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106099336A (en) * 2016-08-23 2016-11-09 成都中亚通茂科技股份有限公司 A kind of ultrashort wave antenna combined at 30MHz 1350MHz frequency range active passive
WO2018036225A1 (en) * 2016-08-23 2018-03-01 成都中亚通茂科技股份有限公司 Sectional-load shortwave antenna capable of automatically adjusting antenna oscillator
CN106099336B (en) * 2016-08-23 2018-12-28 成都中亚通茂科技股份有限公司 A kind of ultrashort wave antenna combined in 30MHz-1350MHz frequency range active passive
CN108321512A (en) * 2017-01-18 2018-07-24 重庆邮电大学 A kind of ultra wide band anti-metal UHF RFID label antennas with symmetrical structure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Björninen et al. Advances in antenna designs for UHF RFID tags mountable on conductive items
Jalaly et al. Capacitively-tuned split microstrip resonators for RFID barcodes
US7505001B2 (en) Virtual short circuit for providing reference signal in RFID tag
Zhang et al. A novel metal-mountable electrically small antenna for RFID tag applications with practical guidelines for the antenna design
EP1887653B1 (en) RFID tag and manufacturing method thereof
Preradovic et al. Design of chipless RFID tag for operation on flexible laminates
Lau et al. A low-cost printed CP patch antenna for RFID smart bookshelf in library
JP5018884B2 (en) Wireless tag and wireless tag manufacturing method
Koo et al. Design of a label-typed UHF RFID tag antenna for metallic objects
Kwon et al. Compact slotted planar inverted-F RFID tag mountable on metallic objects
JP5076519B2 (en) Tag
US7843347B2 (en) Near-field and far-field antenna-assembly and devices having same
Nikitin et al. Low cost silver ink RFID tag antennas
Chen et al. Low-profile PIFA array antennas for UHF band RFID tags mountable on metallic objects
Casula et al. A wideband PET inkjet-printed antenna for UHF RFID
US8653975B2 (en) Radio-frequency identification device with foam substrate
Choi et al. An RFID tag using a planar inverted‐F antenna capable of being stuck to metallic objects
US8564439B2 (en) Microstrip antenna for RFID device
JP4618459B2 (en) RFID tag, RFID tag set and RFID system
JP2008182438A (en) Radio tag
US7570225B2 (en) Antenna and non-contact tag
US7629929B2 (en) Antenna using proximity-coupled feed method, RFID tag having the same, and antenna impedance matching method thereof
US8678295B2 (en) Miniaturized radio-frequency identification tag and microstrip patch antenna thereof
Kim et al. Dual-band long-range passive RFID tag antenna using an AMC ground plane
Malek et al. Dual-band CPW-fed transparent antenna for active RFID tags

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14907666

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase in:

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14907666

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1