使用铁氧体芯增强去往/来自无源id电路的能量传递效率的制作方法

专利名称：使用铁氧体芯增强去往/来自无源id电路的能量传递效率的制作方法
技术领域：
本发明涉及射频识别(RFID)标签，且具体来说，涉及具有一铁氧体芯的RFID标签。本申请案主张2008年1月11日申请且标题为“使用铁氧体芯增强去往/来自无 源 ID 电路的能量传递效率(Enhancing the Efficiency of Energy Transfer to/from Passive IDCircuits Using Ferrite Cores) ” 的第 61/020，543 号美国临时申请案的优先 权，所述申请案以引用的方式并入本文中。
背景技术：
除非本文中另有指示，否则本部分中所描述的方法并非本申请案中权利要求书的 现有技术，且包括于本部分中并不表示其为现有技术。质量因数(也称作“Q因数”或“Q”)为无因次参数，其比较振荡物理系统的振幅 衰变的时间常数与其振荡周期。等效地，质量因数比较系统振荡的频率与其耗散能量的速 率。较高Q指示相对于振荡频率的较低能量耗散速率，所以振荡更缓慢地消失。关于RFID 电路，Q为优良调谐电路或其它谐振器中所要的“质量”的度量。更具体来说，当用正弦驱动来驱动RFID标签时，其谐振行为强烈地依赖于Q。与其 它频率相比较，谐振系统更强烈地对接近于其固有频率的频率作出响应。与具有低Q因数 的RFID标签相比，具有高Q的RFID标签以较大的振幅(以谐振频率)谐振。谐振响应的 振幅影响读取范围。为了增加敏感度和读取范围，许多现有RFID标签具有相对较高的Q。 作为一具体实例，许多现有RFID标签的Q在10与20之间。然而，当多个标签极接近时，其倾向于相互作用。此相互作用改变了其操作的谐振 频率。不是在所要频率下的单一谐振，而是，此相互作用导致在不合需要的频率下的多个谐 振。因此，当标签极接近时，所述标签未得到激发及/或数据未得到成功交换。可使用各种 方法来减轻此相互作用，但这些策略可能会减小读取范围。通过增加读取器的功率输出来 补偿读取范围的此减小是可能的，但并非始终可用。因此，需要读取极接近的RFID标签，但以可接受的读取范围来进行此操作。

发明内容
本发明的实施例改进RFID标签的读取范围。在一个实施例中，本发明包括射频识 别(RFID)标签。RFID标签包括磁导芯、接收电磁能量的天线和标签电子器件，所述标签电 子器件响应于接收到所述电磁能量而识别所述RFID标签。根据各种实施例，所述磁导芯可具有各种属性。所述磁导芯可由铁氧体材料构成。 所述磁导芯可导引RFID标签的磁通量场。所述磁导芯可使电磁能量的磁通量分量变形。已 变形的磁通量分量可使通量线集中穿过磁导芯。与缺乏磁导芯的情况相比，已集中的通量 线可将电磁能量以增加的效率耦合到天线。所述RFID标签可为多个RFID标签中的一者， 当堆叠时，所述多个RFID标签形成一个堆叠，所述堆叠具有磁导材料实心棒，所述实心棒进一步导引磁通量场向上穿过所述堆叠。所述磁导芯可导引RFID标签的磁通量场，且导引 磁通量场可增加对RFID标签的读取高度。所述磁导芯可具有介于100与150之间的磁导 率。所述磁导芯可对应于具有介于100与150之间的磁导率的镍锌铁氧体材料。所述磁导 芯可改进从产生电磁能量的读取器装置到RFID标签的能量传递效率。所述磁导芯可改进 从产生电磁能量的读取器装置到RFID标签的数据传递效率。所述磁导芯可改进从RFID标 签到产生电磁能量的读取器装置的数据传递效率。根据各种实施例，所述标签电子器件可具有各种属性。所述标签电子器件可通过 调制电磁能量的载波频率来识别RFID标签。所述标签电子器件可通过根据修改的Aloha 协议调制电磁能量的载波频率来识别RFID标签。根据各种实施例，所述天线可具有各种属性。所述天线可以是环形天线。所述天 线可以是环绕磁导芯的环形天线。所述天线可具有小于5的Q。所述天线可具有小于1的 Q0所述天线可未调谐。所述磁导芯可以是装置内许多磁导芯中的一者。所述标签电子器件可以是一组标 签电子器件的部分，该组标签电子器件提供对装置的多重识别。所述天线可以是装置内多 个天线中的一者。所述RFID标签可以是许多类似RFID标签中的一者。当堆叠所述标签且在所述 堆叠中的标签的芯之间产生小空隙时，当所述小空隙介于0%与9%之间时，可能产生介于 24dB与IOdB之间的增加的信号强度。当堆叠所述标签时，所述标签可能不重合，然而重叠 的芯仍导引磁通量。所述RFID标签可以是RFID系统的部分。所述RFID系统可包括产生电磁能量的 读取器系统。所述读取器系统可包括若干读取器天线，所述读取器天线产生电磁能量以读 取接近所述读取器天线中的一者的RFID标签。下文的详细描述和附图提供对本发明的性质和优点的更好理解。


图IA到图IE展示根据本发明的实施例的RFID游戏系统100。图2A、图2B和图2C展示本发明的实施例的性能的各个方面。图3为展示根据本发明的实施例的一比较的曲线图，所述比较为现有空气芯RFID 标签与铁氧体芯RFID标签之间的比较。图4为展示供本发明的实施例使用的基本调制方案的波形曲线图。图5为展示根据本发明的实施例的典型命令响应序列的波形曲线图。图6为根据本发明的实施例的游戏台的框图。图7为根据本发明的实施例的母板的框图。图8为根据本发明的实施例的子板的框图。图9为根据本发明的实施例的天线的框图。图IOA为根据本发明的实施例的代币的俯视图(剖视图)，且图IOB为其仰视图 (剖视图)。图11为根据本发明的实施例的代币的框图。
具体实施例方式本文中所描述的内容为用于改进的射频识别(RFID)读取的技术。在以下描述中， 出于解释目的，阐述众多实例和特定细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，所属领域的 技术人员将显而易见，如通过权利要求书定义的本发明可包括单独的这些实例中的一些特 征或所有特征或结合下文所描述的其它特征，且可进一步包括本文中所描述的特征和概念 的修改和等效物。本发明的实施例是针对游戏环境中的RFID标签。为便于描述，所述游戏环境提供 用于描述一实施例的上下文。应理解，可调整RFID标签的形状因数，且可在不同于游戏环 境的环境中使用体现本发明的原理的RFID标签。虽然所述描述使用术语“铁氧体”，但此术语应广泛地解释为指代任何类型的磁导 材料。一般而言，如果材料的磁导率大于空气的磁导率，则所述材料为磁导材料。实施例的一个特征为与许多现有RFID系统相比，来自激励(读取器)天线的可 由每一 RFID标签提取的能量得以增加。实施例的另一特征为与许多现有RFID系统相比， 从激励(读取器)天线到RFID标签的能量传递效率得以增加。实施例的另一特征为与许 多现有RFID系统相比，从激励(读取器)天线到RFID标签的数据传递效率得以增加。实 施例的另一特征为与许多现有RFID系统相比，从RFID标签返回到读取器天线的数据传递 的效率得以增加。根据一实施例，能量和数据传递的这些增加可包括以下特征中的一者或 一者以上可读取的游戏代币的增加的堆叠高度(源自增加的读取范围)；在游戏代币堆叠 内的减少的读取错误；“押注点”内部的代币与押注点外部的代币之间的改进的区分；和改 进的读取时间。如下文进一步详述，游戏代币实施例包括具有铁氧体芯的RFID标签，所述铁氧体 芯导引从激励源发出的磁通量。在游戏代币可堆叠成列的游戏环境中，代币中心的铁氧体 材料有效地将磁通量向堆叠的上方导引以激发堆叠中的所有筹码。激励源(读取器天线) 可嵌入于游戏台的台面中。与此对比，典型RFID读取器(使用无铁氧体芯的标签；有时称作“空气芯”标签) 广泛地辐射其能量。读取器与标签之间的此低效耦合为读取范围中的显著因素。根据一实施例，与空气芯代币相比较，铁氧体芯的存在可实现以下特征中的一者 或一者以上1.激励(读取器)源与无源游戏代币之间的增加的耦合效率扩展了“标签_读取 器”系统的读取范围。2.激励源与无源游戏代币之间的增加的耦合效率允许系统设计者牺牲读取范围 来换取具有较低“Q”的游戏代币，而对读取范围存在极少净负面影响。假定足够能量可用于 激励RFID标签，则此较低Q可使对在多个标签极接近时产生的相互作用的敏感度最小化。3.可将足够能量传递到代币中的无源电路，以使得可使用更强大的处理器来实现 改进的数据速率、安全性和错误检测/校正。4.可使用游戏代币与激励源之间的增加的耦合效率来实现改进的数据速率、安全 性和错误检测/校正。5.控制h场的形状使得更容易区分应读取的代币(即，在选定押注区中的代币) 与不应读取的代币(即，不在选定押注区中的代币)。此将使归因于邻近押注区之间的串扰
6而产生的读取错误最小化。概述图1A、图1B、图1C、图ID和图IE展示根据本发明的实施例的RFID游戏系统100。图IA展示堆叠于屏蔽环104内的许多游戏代币102，屏蔽环104环绕押注点106。 押注点106可位于游戏台(未展示)上，可将游戏代币102放置于所述游戏台上以进行押 注。游戏台可包括用于读取位于每一游戏代币102内的RFID标签的读取器107，所述读取 器107具有RFID天线105和其它RFID读取器电子器件(未展示)。屏蔽环104响应于RFID读取器所发出的电磁能量而约束游戏代币102所产生的 通量线108。(屏蔽环104的细节可如于2008年4月21日申请的第61/046，658号美国临 时申请案“使用短路回路的H场成形(Η-Field Shaping Using a Shorting Loop) ”中所描 述。)通量线108(也称作h场)由RFID读取器产生。通过此场来激发游戏代币102。可 通过读取器(对于到代币的数据上行链路)或游戏代币102 (对于到读取器的数据下行链 路)来调制此场。根据图IE中所展示的替代实施例，可省略屏蔽环104。(注意，图IE与 图IA之间的通量线108的差异。)图IB为展示游戏代币102的更多细节的剖视侧视图。每一游戏代币102包括铁 氧体芯120和环形RFID标签122。图IC展示游戏代币102的剖视俯视图。可看见铁氧体芯120，以及作为RFID标签 122的组件的环形天线124。图ID展示游戏代币102的横断面图。可看见铁氧体芯120，以及环形天线124和 RFID标签122的其它电子器件126。可以磁性方式耦合RFID标签122。即，虽然在RFID应用中所涉及的电磁辐射包括 电场(e场)与磁场(h场)，但本发明的实施例使用磁场。实质上，形成变压器，激励天线 中的一个绕组在读取器中且另一绕组在天线124中。在许多现有RFID系统中，变压器具有 “空气芯”。此空气芯可能为低效的，但当不知晓RFID标签的位置时，此低效率可能为必要 的折衷。与此对比，本发明的实施例使用“铁氧体芯”来改进由激励天线和天线124产生的 变压器的性能。当堆叠游戏代币102且铁氧体芯120使从读取器所接收的电磁能量的磁通 量分量变形时，使用铁氧体芯特别有效。磁通量的此变形使通量线集中穿过铁氧体芯120。 与缺乏铁氧体芯120的代币102中的情形相比较，集中穿过芯120的通量线以更有效的方 式耦合电磁能量。实际上，铁氧体芯120导引通量场以改进性能，如下文更完全描述。天线124提取来自读取器的电磁能量(例如，来自h场)。其它电子器件126调整 所述能量且使用所述能量来驱动处理器。可使用调制来在载波上叠加数据传递。处理器对 载波进行调制以执行数据传递，从而识别RFID标签122。根据一实施例，使用13. 56MHz载 波。已发现13. 56MHz载波频率与铁氧体耦合良好。图2A、图2B和图2C展示本发明的实施例的性能的各个方面。图2A为展示两堆游戏代币102的剖视侧视图。每一游戏代币102具有铁氧体芯 120。游戏代币102的厚度为T，且铁氧体芯的厚度为t。比率t/T称作“％铁氧体”。图2B为展示堆叠成3英寸的堆叠高度的许多游戏代币102的透视图。此堆叠高 度用以比较本发明的实施例与其它技术。图2C为展示各种材料的性能的曲线图。χ轴展示“ ％铁氧体”(参见图2A及相关讨论)且y轴展示信号强度。(100%的“％铁氧体”指示铁氧体芯120的厚度与游戏代币 102的厚度相同。)对于材料“材料2”，线202展示单位为“dB”的100%的接收信号强度。 假定线202为所要信号强度的基线，则可使用其它材料来给出不同性能特性。举例来说，由 线204展示的材料“材料1”指示较薄的铁氧体芯120可用以给出与“材料2”相同的性能。 由线206展示的材料“材料3”指示需要较厚的铁氧体芯120来给出与“材料2”相同的性 能。如可见，占游戏代币102的厚度的更多百分比的铁氧体给出较强信号。另外，不同铁氧 体材料具有不同性能特性。图3为展示根据本发明的实施例的一比较的曲线图，所述比较为现有空气芯RFID 标签与铁氧体芯RFID标签之间的比较。χ轴展示一堆游戏代币102(参见图1A)的堆叠 高度，且y轴展示所述堆叠中的最顶部的游戏代币所接收的信号的信号强度。对于空气芯 RFID标签，线300在堆叠高度HO处具有信号强度dBO。此堆叠高度HO可对应于现有系统 中的大约2. 5英寸。对于铁氧体芯RFID标签，线302在堆叠高度H*处具有信号强度dBO。 堆叠高度H*大于堆叠高度H0。因此，与现有系统相比较，本发明的实施例允许在较大的堆 叠高度处读取。相应地，对于既定堆叠高度H0，线302的接收信号强度大于线300的接收信 号强度。因此，与现有系统相比较，本发明的实施例提供读取高度的改进。实际上，多个堆 叠的标签产生铁氧体材料棒，其导引磁通量场向上穿过所述堆叠。如上文所讨论，许多现有RFID标签具有相对较高的Q。所述Q相对较高以增加敏 感度和读取范围。然而，当多个标签极接近时，其倾向于相互作用。此相互作用改变了其操 作谐振频率。因此，标签未得到激发及/或数据未得到成功交换。根据本发明的实施例，游戏代币102中的天线具有比现有RFID标签中的Q相对较 低的Q。具有相对较低的Q也可称作解谐。解谐有助于解决标签之间的不希望有的相互作 用问题，而且严格地限制敏感度和因此的读取范围。与许多现有空气芯RFID标签对比，提 议的本发明的实施例使用铁氧体芯120来补偿读取范围的此损失。当这些游戏代币102堆 叠时，铁氧体芯120使h场集中且导引通量。此允许使用经解谐的标签，所述经解谐的标签 不受邻近标签的存在损害。由于解谐而引起的敏感度的降低通过聚焦的h场来弥补。结果 为具有读取极接近的多个标签的能力，同时维持极好的读取范围。与此对比，许多现有空 气芯RFID标签或者无法极近地读取或者读取范围受损失。作为一特殊实例，许多现有RFID标签的Q在10与20之间，而游戏代币102中的天 线的Q接近于0(事实上，设计者可能希望使Q尽可能地接近于0)。理想地，游戏代币102 中的天线本身可作为纯电阻性负载存在。然而，在实践中，存在有助于产生适度Q(小于1) 的寄生电容。对于系统设计者而言，确定何种Q是可能(以使读取范围最大化)的一个值 得注意的因素为所述标签紧密耦合的程度-此依赖于所述标签紧密间隔的程度。根据一实 施例，具有小于5. 0的Q的标签提供可接受的读取范围。根据一实施例，具有小于1. 0的Q 的标签提供改进的读取范围。根据一实施例，游戏代币102中的天线未调谐且具有高于13. 56MHz的谐振频率。 缺乏经调谐的天线限制了敏感度和因此限制了读取范围。如同上文所讨论的低Q天线实施 例，铁氧体芯120使h场集中且导引通量，从而允许使用未调谐标签，所述未调谐标签不受 邻近标签的存在损害。调制细节
图4为展示供本发明的实施例使用的基本调制方案的波形500的曲线图。χ轴对 应于时间且1轴对应于功率电平。在大约4KHz下对功率输出进行调制，其中振幅在100% (等效于数字1)与80% (等效于数字0)之间移位。振幅的此选择是使可用于标签的能量 最大化与确保数字数据的信号强度足够检测到之间的平衡。256微秒帧是从标签到读取器 的通信的基本帧。已将此帧选择为对于所需命令和数据串足够长(见下文命令结构的详细 描述)。256微秒帧的边缘(例如，504和506)用以使标签与读取器同步。可根据其它实施例使用其它调制方案，如根据设计要求需要。举例来说，可调整调 制频率。作为另一实例，可对用于“1”与“0”的功率电平进行移位。作为另一实例，可调整 数据帧的大小。标签位一般RFID使用高达96位用于唯一序号。不同于一般RFID，密闭环境的序号不需 要这么长。较短序号可改进读取循环时间且减小错误率。对于一实施例，在使用1百万个代 币用于1，000个密闭环境中的每一密闭环境中的估计的情况下，认为1百万个(大约2E30) 唯一序号的全域是足够的。在允许废弃具有不良DC平衡或过多连续1或0的不合需要的 数目的情况下，在一实施例中选择31位的基本序号。可使用CRC检查来确保数据在传输期间不被破坏。一般而言，CRC位越多，错误检 测越稳健——但返回减少。根据一实施例，选择13位CRC作为稳健性与开销之间的合理的 折衷。根据一实施例，可使用多项式(例如，0X1909)来计算CRC。在其它实施例中，可使用 其它错误检测或错误校正方案。下行链路细节图5为展示根据本发明的实施例的典型命令响应顺序的波形600的曲线图。基本 命令结构为一个“主从结构”，所有命令由读取器起始。完整的读取循环在13. 56MHz载波信 号通电时开始且在已读取所有代币且载波断电时结束。波形600展示具有“下行链路”(读 取器到标签)命令602和“上行链路”(标签到读取器)响应604的典型命令响应顺序。读 取器可使用读取命令来读取标签。由于统计的冲突可能性，完整读取循环可能需要多个读 取命令来读取所有代币。根据一实施例，也可实施“休眠”命令。“休眠”命令可能如2008年2月25日申 请的第61/031，270号美国临时申请案“用于无源RFID标签的环形天线的动态功率吸收 (Dynamic Power Absorption of a Loop Antenna for Passive RFID Tags)，，中所揭不。读取命令细节根据一实施例，“读取”命令包括两个分量。一个分量为迭代数目。另一分量为窗 口数目。迭代数目的目的是消除后续“读取，，命令期间的来自相同代币的重复冲突。代币 固件中的处理确定唯一代币ID的哪些位用于“随机地”选择响应窗口。因为既定循环中的 每一读取命令的迭代数目不同，所以两个代币重复冲突的可能性得以最小化。迭代数目从 0到9递增。特殊迭代数目11可用于诊断目的。如上文所注释，当可估计、约束(例如，通过限制可被标签占据的物理区域)或以 其它方式知晓域中的标签的数目时，修改的Aloha协议的功能得到改进。(根据一实施例， 可如2008年4月21日申请的第61/046，690号美国临时申请案“估计域中的RFID标签的数目(Estimating the Number ofRFID Tags in the Field) ”中所揭示来估计标签的数目。 铁氧体芯的一个特征为代币到天线的紧密耦合产生与代币的数目成比例的天线阻抗。此 允许读取器测量天线阻抗，估计激励场中的代币的数目，且通过在命令结构中包括此变量 来动态地调整响应窗口的数目。)此信息可用以设定用于响应的数据帧的数目。过多的数 据帧导致较长的读取循环时间。过少的数据帧导致来自在相同数据帧内响应的多个代币的 过量冲突。已确定，当数据帧的数目大约为代币的数目的10倍时，发生好的结果。或者，可 通过使用适度数目的窗口且察看存在多少冲突且接着相应地向上或向下调整窗口的数目 来估计标签的数目。表IA展示16位“读取”命令的结构，其从最高有效位(MSB)开始。 表IA表IB展示对应于每一窗口数目的帧的数目。 表 IB上行链路细节根据一实施例，上行链路数据速率为4微秒/位，藉此允许46位的整个代码ID适 合单一 256微秒帧。4微秒速率对应于标签中的微处理器的时钟。根据一实施例，标签中的 微处理器为PIC微控制器(PIC10F206T-I/0T，购自亚利桑那州钱德勒市的微芯片技术公司 (Microchip Technology Inc.)。读取器(数字信号处理器)对此数据进行多度取样，对其 高得多的处理功率进行杠杆调节。如表2中所展示，所述46位结构由以下各项组成一开 始位、一 31位代币ID、一 13位CRC，和一个停止位。 表 2
读取循环实例假定在押注区有一堆30个代币。读取器将检测此负载且指定窗数目为3或4。假 定最差状况(4)，则相应帧数目为512 (或者128毫秒)以处理此最初“读取”命令。假定冲 突率为10%，从而导致3个代币未被读取。使27个代币休眠还需要35毫秒。使用窗数目 0的第二“读取”命令对应于32个帧或8毫秒。如果在此第二“读取”命令上没有检测到冲 突，那么所述读取循环经过的总时间是171毫秒。根据替代实施例，使用44毫秒来使27个代币休眠，从而导致所述读取循环经过的 总时间为180毫秒。上行链路信号的振幅本质上经过调制，然而，所返回信号的相位由于从读取器到 标签及从标签到读取器的相移而为未知的。为解决此未知的相移，接收器将信号混缩到基 带，从而产生I信道和Q信道。处理这些I信道和Q信道以恢复来自标签的数据。图6是根据本发明的实施例的游戏台700的框图。一般而言，图6的实施例可称 作读取器系统。游戏台700包括八个押注点702a到702h (统称702)、八个天线704a到 704h (统称704)、八个屏蔽环(任选)706a到706h (统称706)、八个子板708a到708h (统 称708)、一个母板710和一个控制系统712。(这些组件(例如押注点、天线和屏蔽环)的 一些描述可能会与先前部分中讨论的具有类似名称的组件的描述重复。)游戏台700可结 合铁氧体芯游戏代币102来使用。根据一实施例，游戏台700可包括以下属性中的一者或一者以上1. 13. 56MHz 载波。2. “经修改的Aloha”协议。3.调制载波的256微秒“数据帧”。4.用于对代币的命令的16位数据字(140KHZ数据速率或7微秒/位)。根据另 一实施例，数据速率为125KHz或8微秒/位。5. 46位代币ID数据(500KHz数据速率或2微秒/位；用于ID的31位加用于错 误检测的13位)。根据另一实施例，数据速率为250KHZ或4微秒/位。根据又一实施例， 也可发射一个起始位和一个停止位。RF通信使用由母板710产生且发送到每一子板708的13. 56MHz载波。出于三个 原因而选择13. 56MHz (1)铁氧体芯在此频率下具磁导性，(2)数据速率合理，(3)FCC频率 分配用于此类型的应用。即使“铁氧体芯”概念严格讲可能并非RFID技术，但能量和数据交换利用许多 RFID系统共用的“经修改的Aloha”协议。选择此协议是因为，当存在良好信噪比且已知场 内的标签数目的合理估计时，其提供快速读取循环。此经修改的Aloha协议的特征包括1. “主从式，，命令结构，所有命令由读取器起始。2.定义数目个响应“窗”。理想情况下，窗的数目使管理冲突的需要(窗越多越好) 与快速读取循环时间的需要(窗越少越好)相平衡。完整的读取循环始于接通13. 56MHz载波信号以对激励场中的代币通电，且在已 读取激励场中的所有代币时结束。一旦通电，所述代币等待一命令。每一子板708上的DSP 调制所述载波而以可俘获代币(仅具有适度处理能力)的数据速率将命令和数据发送到所 述代币。每一代币中的数字产生器过程“随机”指定一个响应窗。根据一实施例，代币处理器使用迭代和窗大小来确定使用ID数字中的哪个位来定义响应窗。子板708试图读取在 其天线范围内的所有筹码的ID。错误检测方案识别任何冲突。将被成功读取的代币休眠， 且重复所述过程。一旦已读取所有代币ID，则将数据发送到PC。代币数据速率是其内部振荡器可以驱动达到的最快数据速率(根据一实施例为 250KHz)；所述DSP具有用以管理来自代币的下行链路的较高数据速率的处理功率。数据速 率的此不对称性(上行链路对下行链路)与数据量一致以获得良好读取循环时间(命令比 代币ID需要少得多的带宽)。16位命令和46位ID均适合256微秒数据帧。押注点702的数目和排列可依据待玩的游戏的特性而改变。一般而言，押注点702 可放置于游戏台700上的任意位置，希望靠近该位置而进行对RFID标签的测量。(“靠近” 是一个相对术语，其可能依据建构于系统中的特定部件而改变。对于此处描述的特定实例 配置，“靠近”以在天线704上方达约6英寸的距离产生可接受的读取性能。)更具体来说， 游戏台700上的押注点702的排列对应于21点游戏，在21点游戏中，唯一需要的信息是当 前下注的游戏代币的ID。天线704的数目和排列通常对应于押注点702的数目和排列。举例来说，对于既 定游戏区，天线704的大小和其间的间隔可以根据所要性能阈值加以调整，且押注点702 与天线704的位置一致。根据一实施例，天线704可为矩形形状且可为2英寸X4英寸大 小。根据一实施例，天线704可为圆形形状且直径可为4英寸。根据一实施例，天线704可 以与(任选)屏蔽环706隔开四分之一英寸的空隙。根据一实施例，天线704可以构造在 FR_4(阻燃剂)印制电路板上。根据一实施例，天线704可以具有为0.031英寸的厚度。母板710可以介接到控制系统712，所述控制系统712可经配置而以本地方式或远 端方式操作。当控制系统712在本地时，母板710可通过例如USB(通用串行总线)的连接 件加以连接。当控制系统712在远端时，母板710可通过例如以太网的LAN(局域网)加以 连接。以太网连接允许控制系统712定位在远端以控制作为较大系统的部分的一个或一个 以上游戏台700以监控欺诈或酬金合法性。或者，USB连接允许母板710介接到本地控制 系统712以帮助运行试玩版，排除原型中的错误，及/或将不同的系统集成为共同的数据格 式。本地控制系统712也可以维护“有效”ID的数据库的副本，以确保即使在LAN崩溃的情 况下也能够连续地玩。图7是根据本发明的实施例的母板710的框图。母板710包括电源802、两个控制 系统接口 804a和804b、控制器806和八个子板接口 808a到808h (统称808)。 电源802为控制器806和控制系统接口 804a和804b供电。控制器806实施母板710的功能性。这些功能可包括为子板708供电、产生载波 频率(例如，13. 56MHz)以驱动读取器天线、产生供子板708用以定义命令和数据窗的时脉 (例如，4KHz)、格式化从代币接收的已解码串行数据，等等。控制器806可以复杂可编程逻 辑装置(CPLD)或其它类型的电路结构加以建构。根据一实施例，控制器806可以购自加利 福尼亚州圣何塞的Xilinx公司的XC95144XL-10TQG100C CPLD来建构。控制系统接口 804a介接母板710与控制系统712。根据一实施例，控制系统712 以USB格式连接到母板710，且控制器806以串行格式通信，因此控制系统接口 804a建 构USB转串行接口。控制系统接口 804a可由购自英国格拉斯哥的Future Technology DevicesInternational有限公司的FT232RL装置来建构。根据一实施例，控制系统712以以太网格式连接到母板710，因此控制系统接口 804b建构以太网连接。控制系统接口 804b 可由购自荷兰艾恩德霍芬的NXP半导体公司(NXP Semiconductors)的LPC2368FBD100-S 微控制器来建构。子板接口 808提供母板710与子板708之间的连接。系统设计者可以依据押注点 的数目和其必需的读取速度而选择增加或减少子板708的数目。根据一实施例，一个子板 708驱动一个天线704。根据一实施例，一个子板708驱动多个天线704，且多路复用读取信 号。同时进行的读取的数目将影响所需的功率。图8是根据本发明的实施例的子板708a的框图。子板708a包括发射器902、接收 器904、定向耦合器906和天线开关908。发射器902包括放大器电源920、振幅调制器922、放大器924和带通滤波器 926。发射器902从母板接收三个信号功率信号PWR_PWM、振幅调制数据信号AM_DATA和 13. 56MHz载波信号。发射器902将数据信号调制到载波信号上，且将经调制的载波信号提 供给定向耦合器906。定向耦合器906将经调制的载波信号提供给天线开关908，所述天线开关908将所 述经调制的载波信号提供给天线704以供发射。(根据一实施例，子板708a包括两个天线 连接器，且可以驱动两个天线。天线开关908确定使用哪个天线。)标签提取所发射的能 量，且作为响应，进一步以定向耦合器906提供给接收器904的其ID信息调制所述信号。接收器904包括混频器930a和930b、低通滤波器932a和932b、放大器936a和 936b、差分放大器938a和938b、模/数转换器940a和940b、可编程逻辑装置942，和DSP (数 字信号处理器)944。可编程逻辑装置942可以是FPGA，例如购自加利福尼亚州圣何塞的 Xilinx公司的XC3S250E-4TQG144C装置。DSP 944可以是购自得克萨斯州达拉斯的德州仪 器(Texas Instruments)的 TMS320F2812PGFA 装置。接收器904接收如由标签(由定向耦合器906提供)进一步调制的信号和 13. 56MHz载波频率的两个版本(一个移位90度)。接收器904接着解调标签ID信息，且 将串行数据提供给母板710。读取器天线细节图9是根据本发明的实施例的天线704a的框图。天线704a包括连接器1002、开 关1004、匹配电路1006、天线环1008，和屏蔽环(任选)1010。这些组件可以建构于两侧式 FR-4印制电路板组合件上。连接器1002将天线704a连接到子板708。根据一实施例，到子板708的连接是一 个屏蔽的同轴电缆，且连接器1002是SMA (微型版本A)连接器。开关1004用以在不使用天线环1008时使天线环1008短路。开关1004由天线电 缆上可由子卡产生的DC偏压加以控制。开关1004充当额外屏蔽环以在邻近押注点正被主 动驱动时减小此天线的押注点中的场强。此举可改进邻近押注点中的代币之间的区分。匹配电路1006可以是500hm阻抗匹配电路。天线环1008可以是环形天线。天线环1008可根据所要押注区域的特性和所要性 能而处于各种形状因数。根据一实施例，天线环1008可为矩形形状，大小为2英寸X4英 寸。根据一实施例，天线环1008可为圆形形状，直径为4英寸。游戏代币细节
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图IOA为根据本发明的实施例的代币1100的俯视图(剖面图)，图IOB为其仰视 图(剖面图)，且图11为其框图。代币1100大体包括铁氧体芯、天线和标签电子器件。更 具体来说，代币1100包括印制电路板1102、天线1104、铁氧体芯120、塑料外壳1110、桥式 整流器1112、电流源1114、并联电压调节器1116、接收滤波器1118、微处理器1120，和发射 晶体管1122。代币1100可以是例如适合用于卡西诺纸牌游戏(casino)的游戏代币。代币1100 可以是圆形，直径为1. 55英寸(39. 4mm)且厚度为0. 125英寸(3. 18mm)。这些参数可以根
据需要改变。印制电路板1102可大体为圆形形状，以便与圆形游戏代币的形状因数一致。印制 电路板1102可以是FR-4材料，且厚度为0. 020英寸。天线1104可以是蚀刻到电路板1102的一侧(例如，底侧)上的8匝天线。这些 天线可以构造成具有8密耳迹线和7密耳间隔。所述8匝天线的电感可以是3 μ H。可根据 设计需要以电感与电阻间的不同平衡来建构具有不同匝数的天线。许多现有RFID标签使用二极管整流器继之以电压钳来限制所述标签的所需操作 电压范围，且借此保护所述标签免受过电压的损害。在此实施例中，电源可以是线性电源， 其中存在桥式整流器1112，继之以电流源1114且接着为电压钳(并联电压调节器)1116。 此结构并不像在RFID标签中所典型进行的那样箝位跨线圈两端的电压。此线性电源允许 标签在广泛范围的磁场强度下操作。此允许在堆叠的顶部(磁场最弱)和靠近堆叠底部处 (磁场最强)读取标签。净效应为增加的读取范围。线性电源可以是如在2008年2月25 日申请的第61/031，270号美国临时申请案“用于无源RFID标签的环形天线的动态功率吸 收(Dynamic Power Absorption of a Loop Antenna for Passive RFID Tags)，，中所描述。微处理器1120可为购自亚利桑那州钱德勒市的微芯片技术公司 (MicrochipTechnology Inc.)的PIC微控制器。微处理器1120存储代币1100的ID，解码 来自读取器的命令，且将代币1100的ID编码到13. 56MHz载波上。微处理器1120包括内 部比较器，其耦合到接收滤波器1118。铁氧体芯120可以如上文所描述(参见，例如图1B)。铁氧体芯120利用H-场且 导引其穿过天线1104。铁氧体的主要物理属性为其磁导率。具磁导性且有效地导引H-场 穿过天线环的任何等效材料均将改进性能。铁氧体装置通常以高达IGHz的频率来使用。根 据一实施例，铁氧体芯120具有磁导率125士20% (例如，介于100与150之间)。根据一实施例，铁氧体芯120由高频坡明伐合金NiZn铁氧体制成，在低损 失的情况下，电感应用范围高达25MHz。合适材料为购自宾夕法尼亚州伯利恒市的 NationalMagnetics Group公司的“Μ”材料。根据一实施例，铁氧体芯120为具有含铁填充 物或含铁添加剂的模制塑料材料。可使用的其它材料为铁粉、碾碎铁氧体、软铁或镍铁钼合 金(例如，钼坡莫合金(molypermalloy))，但其通常可能更适合于低于13. 56MHz的频率。根据一实施例，可使用13. 56MHz的频率。在其它实施例中可使用不同频率。铁氧体芯120具有大体上与代币1100的形状因数一致的厚度。举例而言，铁氧体 芯120可具有厚度3. 175mm。铁氧体芯120具有大体上与代币1100和其它内部组件的形状因数一致的直径。举 例而言，铁氧体芯120可具有直径12. 7mm。此直径允许代币在堆叠中不重合且提供邻近代币之间的足够的重叠，以使得向上穿过堆叠的通量不降级(即，性能对堆叠重合的程度不 敏感)。标准(圆的)游戏代币中的铁氧体的直径的实用范围可为小到2mm且大到35mm， 此取决于其它物理要求。其它形状因数(例如，使用饰板)可允许铁氧体元件的选择和位 置的较大自由度。举例而言，矩形饰板可包括两个圆形铁氧体芯120。铁氧体芯的大小可根据代币1100的形状因数和所要的性能特征而增加或减小。 只要其适合，就不存在可能使得铁氧体芯120的直径更大的原因。只要存在足以使向上穿 过堆叠的通量不降级的重叠，就可使铁氧体的直径更小。对天线绕组与铁氧体外径之间的 间隔似乎并不太敏感。铁氧体芯120可为圆形形状，但适合天线环的任何形状均可接受。为了对称性和 制造便利性，选择圆形形状。必要时，铁氧体芯120可定位于除代币1100的中心之外的位置处。根据一实施例，铁氧体芯120的直径可向上增加到代币的直径。天线可缠绕于代 币的外边缘。可用标识或粘着剂(未展示)覆盖代币1100的顶部和底部，以指示面额或其它所 要信息。标识可具有大约0. 003英寸的厚度。此厚度使堆叠代币时的任何气隙最小化(即， 其有助于代币堆叠中的铁氧体芯如同所述铁氧体芯为单块铁氧体棒一般发挥作用)。必要 时，标识的厚度可以改变，对读取性能产生相应影响。或者，可通过使用环形粘着剂来暴露 铁氧体芯，以进一步使堆叠中的任何气隙最小化。根据一实施例，在表3中给出两个代币 1100之间的空隙性能。 表 3“空隙”指代铁氧体芯120之间的空间，其为每一个铁氧体芯120的厚度的百分比。 (举例而言，关于3mm厚度的20%空隙对应于0. 6mm空隙。)所述空隙可起因于如上文所描 述的标识，起因于对于代币1100的更强健的覆盖，起因于代币1100上的凹入特征等。“增 益”指代与缺乏铁氧体芯120的代币相比较而言具有铁氧体芯120的代币1100的增加的信 号强度。因此，表3展示对于介于0%与1.75%之间的空隙，增益介于24dB与19dB之间。 表3中的信息为无因次信息；即，其并不取决于堆叠中的代币1100的数目。可通过从实心棒切割铁氧体芯或通过在特殊工具中烧结铁氧体芯来制造铁氧体 芯120。烧结允许添加凹入于铁氧体的一个刻面或两个刻面上的审美元件，所述审美元件几 乎不会使铁氧体的性能降级。此外，烧结允许设计者添加特征以允许在模制代币期间插入 铁氧体的模制。根据一个实施例，可将含铁材料或小的铁氧体磁珠添加到塑料基质，可接着使用 所述塑料基质来模制代币1100的部分或全部。在此实施例中，铁氧体芯120和代币1100 指代相同结构，且不需要用于铁氧体芯120的单独元件。根据一个实施例，一个以上铁氧体芯可处于一代币中。根据一实施例，一代币可包括一个以上RFID标签(例如，标签电子器件可提供用于一代币的多个标签ID)。根据一实 施例，一个以上天线可处于一代币中。 上述描述说明本发明的各种实施例，以及可实施本发明的多个方面的方式的实 例。不应将上述实例和实施例视为仅有的实施例，且呈现上述实例和实施例以说明如通过 以下申请专利范围定义的本发明的灵活性和优点。基于上述揭示内容和以下申请专利范 围，所属领域的技术人员将显而易见其它配置、实施例、实施和等效物，且可在不偏离如通 过申请专利范围定义的本发明的精神和范畴的情况下使用其它配置、实施例、实施和等效 物。
权利要求
一种射频识别(RFID)标签，其包含磁导芯；天线，其接收电磁能量；以及耦合到所述天线的标签电子器件，其响应于接收到所述电磁能量而识别所述RFID标签。
2.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述磁导芯是由铁氧体材料构成。
3.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述磁导芯导引所述RFID标签的磁通量场， 其中所述磁通量场是由所述电磁能量引起。
4.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述磁导芯使所述电磁能量的磁通量分量变形。
5.根据权利要求4所述的RFID标签，其中所述已变形的磁通量分量使通量线集中穿过 所述磁导芯。
6.根据权利要求5所述的RFID标签，其中与缺乏所述磁导芯的情况相比，所述已集中 的通量线将所述电磁能量以增加的效率耦合到所述天线。
7.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述RFID标签是多个RFID标签中的一者， 当堆叠时，所述多个RFID标签形成具有磁导材料实心棒的堆叠，所述实心棒进一步导引磁 通量场向上穿过所述堆叠。
8.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述磁导芯导引所述RFID标签的磁通量场， 其中所述磁通量场是由所述电磁能量引起，且其中导引所述磁通量场增加所述RFID标签 的读取高度。
9.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述磁导芯具有介于100与150之间的磁导率。
10.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述磁导芯对应于具有介于100与150之 间的磁导率的镍锌铁氧体材料。
11.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述磁导芯对应于烧结铁氧体、粉末铁氧 体、碾碎铁氧体、软铁和镍铁钼合金中的一者。
12.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述磁导芯改进从产生所述电磁能量的读 取器装置到所述RFID标签的能量传递效率。
13.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述磁导芯改进从产生所述电磁能量的读 取器装置到所述RFID标签的数据传递效率。
14.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述磁导芯改进从所述RFID标签到产生所 述电磁能量的读取器装置的数据传递效率。
15.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述标签电子器件通过调制所述电磁能量 的载波频率来识别所述RFID标签。
16.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述标签电子器件通过根据修改的Aloha 协议调制所述电磁能量的载波频率来识别所述RFID标签。
17.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述天线是环形天线。
18.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述天线是环绕所述磁导芯的环形天线。
19.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述天线具有小于5的Q。
20.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述天线具有小于1的Q0
21.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述天线未经调谐。
22.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述RFID标签进一步包含 多个磁导芯，其包括所述磁导芯。
23.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述RFID标签进一步包含多个标签电子器件，其包括所述标签电子器件，且提供对所述RFID标签的多个识别。
24.根据权利要求1所述的RFID标签，其中所述RFID标签进一步包含 多个天线，其包括所述天线。
25.多个RFID标签，其中所述多个RFID标签中的每一RFID标签包含 磁导芯；天线，其接收电磁能量；以及耦合到所述天线的标签电子器件，其响应于接收到所述电磁能量而识别每一 RFID标签。
26.根据权利要求25所述的多个RFID标签，其中介于24dB与IOdB之间的增加的信号 强度导致介于0%与9%之间的空隙，其中所述空隙处于第一 RFID标签的第一磁导芯与第 二 RFID标签的第二磁导芯之间。
27.根据权利要求25所述的多个RFID标签，其中所述多个RFID标签包括具有第一磁 导芯的第一 RFID标签和具有第二磁导芯的第二 RFID标签，其中所述第一磁导芯和所述第 二磁导芯在所述第一磁导芯与所述第二磁导芯重叠且不重合时导引磁通量。
28.一种射频识别(RFID)系统，其包含 读取器系统，其产生电磁能量；以及 RFID标签，其中所述RFID标签包括磁导芯；天线，其接收所述电磁能量；以及耦合到所述天线的标签电子器件，其响应于接收到所述电磁能量而识别所述RFID标签。
29.根据权利要求28所述的RFID系统，其中所述读取器系统包含多个读取器天线，其产生所述电磁能量以读取接近于所述读取器天线中的一者的所述 RFID标签。
全文摘要
在一个实施例中，本发明包括一种具有铁氧体芯的RFID游戏代币。当堆叠所述RFID游戏代币时，所述铁氧体芯导引来自激励天线的通量场穿过每一代币中的环形天线的中心。所得通量场增加了从所述激励天线到无源标签的能量传递效率。此增加的效率也改进了去往所述无源标签和来自所述无源标签的数据传递。与现有空气芯游戏代币相比，此增加的效率允许在较高堆叠高度处(或对于既定堆叠高度以较好的错误率)读取RFID游戏代币。
文档编号H01Q1/00GK101919110SQ200980101982
公开日2010年12月15日 申请日期2009年1月9日 优先权日2008年1月11日
发明者乔舒亚·K·霍伊特, 福里斯特·S·塞茨 申请人:木加哈特控股公司