电磁辐射的增强和去耦的制作方法

专利名称：电磁辐射的增强和去耦的制作方法
技术领域：
本发明涉及处理电磁辐射(EM)的装置，尤其涉及一种将能量耦合到例如RF(射频)标签这样的识别装置中的场。本发明允许将标签从降低标签性能的表面(例如金属表面)去耦(即隔离)。本发明涉及所有EM标签，尤其涉及那些依靠扩散波(propagating wave)相互作用(与磁性标签表现出来的感应耦合相反)的EM标签。因此本发明的优选实施例涉及大范围系统标签(例如UHF范围的标签和微波范围的标签)的应用。
背景技术：
能传输可以被适当的阅读器检测到的调制电磁信号的电子装置广泛用于对象的 识别和跟踪，尤其是用于商店或仓库环境中的物品的识别和跟踪。这样的装置在说明书中通称EM标签或简称标签,其一般包括连接至一体化天线(integral antenna)的芯片，该一体化天线被调谐到特定的工作频率。目前EM标签的工作频率一般为射频(RF)，包括超高频(UHF)范围和微波范围，但是本发明适用于在任何频率工作的标签。标签可以是无源的，因为标签与适当频率的入射辐射相互作用，再将调制信号转发回阅读器；或者标签也可以是有源的，其中标签包含有自己的电源。这些标签、特别是无源标签的一个公认缺点就是，如果将标签直接放在金属表面上(或者与金属表面相距几个毫米之内)，那么标签的阅读范围会下降到不能接受的程度，更典型地是标签不能被阅读或查询。这是因为扩散波RF标签使用一体化天线接收入射辐射天线的尺寸和几何形状限定了它的共振(resonate)频率，因此划定(tailor) 了标签的工作频率(通常对UHF (超高频)范围的标签来说为866MHz或915MHz，对微波范围的标签来说为2. 4-2. 5GHz或5. 8GHz)。当标签放置在金属表面附近或者与金属表面直接接触时，标签的传导天线与该表面相互作用，因此它的共振特性会退化，或更典型的是会消失。因此，用UHF RF标签很难对例如笼子或容器这样的金属物品进行跟踪，所以不得不采用其它更昂贵的定位系统，例如GPS。当用于与RF谢频)电磁波相互作用的某些其它表面(例如某些类型的玻璃和含有大量水分的表面，实例包括某些类型的含有大量水分或汁液的木材)时，UHF RFID标签也有类似的问题。对含有水/容纳有水的材料(例如水瓶、饮料罐或人体等等)加标签时，同样会遇到问题。解决这个问题的一种方式是在RF标签与该表面之间放置泡沫隔离物，防止天线与表面的相互作用。用目前可用的系统，泡沫隔离物典型地需要至少厚达10mm-15mm，以将RF标签与该表面在实体上充分地隔离。显然，对于很多应用来说，这么厚的隔离物不实用，并且易于被不慎撞击、损坏。其它方法涉及设置特别构图的天线，这种天线已经被设计为使特定RF标签与特定环境阻抗匹配。例如，授予Avery Dennison的国际专利申请W02004/093249试图通过使用具有带有补偿元件的天线的标签来解决这个问题。这种天线设计为预计有表面效应，并且被调谐到特定环境或可能环境的范围。这样不需要大的隔离物，但是需要比较复杂的天线设计，这种天线设计对于每个标签都必须不同，因此增加了成本和制造复杂度。US 5，995，048描述了一种能够将表面效应最小化的天线设计，其中将四分之一波长的片状天线(patch antenna)与更大的地平面相隔离。这种设计不能将表面反射效应最小化，但是片状天线优选为与地平面相距等于四分之一波长的距离，这个距离是一个大间隔，与上述泡沫隔离物有同样的问题。此外还要求大的地平面，这不是所有环境下都能实现的。此外，为了有效地工作，片状天线(其是共振电路)必须与标签共振电路小心地阻抗匹配。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种EM标签的支架，EM标签充当电磁辐射去耦器材料，去耦器材料至少减轻与现有技术系统相关的一些问题，也就是厚度、尺寸以及灵活性的问题。本发明的另一目的是提供一种设备，用于将入射能量耦合到电子装置或标签，同 时将这种耦合效应从安装有所述装置或标签的衬底的可能相反的效应中隔离出来。因此，根据本发明，提供一种电磁辐射去耦器，包括腔结构，所述腔结构包括传导基底部分，所述传导基底部分连接到第一传导侧壁和第二传导侧壁，所述第一传导侧壁和所述第二传导侧壁分开且基本上平行。优选地，所述腔结构中设置有电介质材料。因此，本发明实施例可以是包括腔结构的很简单的结构，所述腔结构由两个分开的、平行的传导表面和传导基底部分形成，每个传导表面都连接到传导基底部分。腔本身由两个传导侧壁的重叠区域与传导端部限定。当电介质材料是像气体(例如空气)那样的流体时，腔的固体结构可以仅由传导侧壁和传导基底部分限定，尽管可以有一些固体隔离物用于保持侧壁的间隔。当电介质材料是固体时，电介质材料的侧边可以限定腔结构的非传导侧壁。根据本发明该方案的实施例可以被认为是提供一种非常的薄的副波长共振腔，腔的一端封闭。具有所关注波长的入射辐射耦合在电介质材料中，并且在共振频率时形成驻波。当腔的长度(由第一传导侧壁与第二传导侧壁的重叠区域限定)是入射辐射的波长的四分之一时(在使用的特定电介质材料中)，产生驻波情况。传导基底部分和两个壁部分一起形成连续金属边界，包围电介质核心的三个侧边，促使与基底部分的表面平行的电场在基底部分为最小值(或者节点)，因此(因为它长为四分之一波长)，在腔结构与传导基底部分的相对端，电场为最大值(反节点)。这种结构导致核心中的电磁场强度被共振增强被基底部分从内部反射的波与那些通过腔的开口端耦合的来自查询天线的波之间的结构性干涉被叠加，导致场强比入射辐射场强大50或100倍。优选地，可产生200倍甚至300倍以上的增强系数。在典型地涉及极小装置的更特殊的应用中，20倍、30倍或40倍的较低增强系数仍然可以产生可读系统，而在没有这种增强的情况下就不可能。场模式为使得在腔的开口端最强(具有反节点)。由于腔的厚度小，随着腔外到开口端距离的增加，场强急剧下降。这在超出开口端一个短距离(典型地是5mm)的地方产生近零电场的区域，与高度增强场区域并列。因此放在这个区域的电子装置或EM标签暴被露在强场梯度和强电势梯度下，与安装标签以及去耦器的表面无关。放在强电势梯度区域中的EM标签将经历不同的容性耦合作为容性耦合的性质，标签从腔开始的暴露在高电势下的部分本身将被充电到高电势。类似地，标签暴露在低电势下的部分将被充电到低电势。如果芯片任一侧EM标签的部分在不同电势区域中，那么就在芯片两端产生电势差，在本发明实施例中这个电势差足以驱动芯片工作。电势差的大小将取决于去稱器的尺度和材料，还取决于EM标签的位置和方向。典型的EPC Gen 2RFID芯片的阈值电压为O. 5V，低于这个电压就不能阅读芯片。如果跨过腔的开口端的全部电压要加在芯片两端，然后基于Imm厚的核心以及跨过开口端的电场的简单合并，电场将需要约250V/m的大小。如果装置上典型的入射波幅度为2. 5V/m(与工作在大约5m距离处的标准RFID阅读器系统一致)，那么需要增强系数约为100。在入射幅度的增强变得不足以激励芯片时，场增强较大的实施例将提供较大的阅读范围。 因此本发明提供一种装置，能用在任何表面上，并将放在上面的EM标签与所有的表面效应去耦，当根据本发明的方案使用时，可以以与在空气中相同的范围、或者有时候以更大的范围阅读RFID标签。这样就不需要重新设计天线，也不需要高指数隔离物材料，同时保持很小的总厚度。可以将装置设计为将工作频率为V的电磁辐射去耦。当装置或去耦器设计为用于EM标签时，其工作频率将会是标签被设计为的工作频率，和/或阅读器装置的工作频率。第一传导侧壁优选具有大约λ/4的连续长度(从传导基底部分测量)，其中Xd是工作频率为V的EM福射在电介质材料中的波长。换言之,第一传导侧壁从传导基底部分延伸的距离大约是Xd/4。优选地，第一传导侧壁的长度范围在λ/4与I. 15倍的λ/4之间、或Xd/4与I. I倍的λ d/4之间、或λ d/4与I. 05倍的λ d/4之间，和/或在λ d/4与O. 85倍的λ d/4之间、或λ d/4与O. 9倍的λ d/4之间、或λ d/4与O. 95倍的λ d/4之间。应当理解，本说明书中传导层或调谐层的长度可称为被电介质的折射率修正的“有效长度”，本领域技术人员清楚其确切含义。应当注意，尽管装置在设计的工作频率下最有效，但实际上它是在一个频率范围内有效。关于需要的工作频率有一个频率范围，在这个范围内装置将在腔的与传导基底部分相对的端部产生强场区域。当然，本领域技术人员还可以实现产生与不同谐波对应的其它驻波模式。例如，如果腔的长度对应于入射辐射的波长的3/4，就会产生驻波，驻波在腔的开口端具有最大值。因此腔的长度可以是所要工作的波长的四分之一波长的任何奇数倍。但是优选为共振频率，即对应于腔长度(等于四分之一波长)。第二传导侧壁具有与第一传导侧壁至少一样长的连续长度(从传导基底部分测量)。因此第二传导侧壁与第一传导侧壁尺寸相同或更大。当使用固体电介质材料时，电介质材料可以设置为与传导基底部分相邻的连续层，电介质材料延伸为与第一传导侧壁基本上一样长,即第一传导侧壁的端部也就是电介质材料的端部。或者，电介质材料可以延伸超出所述第一传导侧壁的端部。因此，本发明的实施例在长度上可以小到λ/4，在宽度上可以更小。所以这种装置的尺寸或面积可以很小，这对于较小产品的应用或者产品上安装装置的空间有限是有利的。此外，小装置需要的材料少，从批量制造方面来看这代表成本显著降低。传导侧壁和电介质材料的厚度可以小。这个厚度可以远小于工作波长。例如有些实施例的总厚度可以小于λ/10、或λ/300、或λ/1000。厚度可以为Imm以下、或2mm以下、或500 μ m以下、或100 μ m以下。因此本发明的实施例可以比泡沫隔离物或已知的调谐天线配置更薄更轻。此外，对适当材料和厚度的选择可以使装置灵活，能应用于非平面表面或弯曲表面。因此，本发明提供极小外形的装置，不需要大的隔离物层。EM标签可以设计为以任何频率工作，例如在IOOMHz到600GHz的范围内。目前的商用RF标签是可用的，这种标签有芯片和天线，工作在866MHz、915MHz或954MHz下。微波范围的标签也是有效的，这种标签工作在2. 4-2. 5GHz或5. 8GHz下。工作在866MHz下的标签其自由空间波长约为O. 35米(35cm)。因此根据本发明，具有空气核心的装置长度约为8cm。对于工作在2. 5GHz下的标签而言，其自由空间波长约为12cm，具有空气核心的装置长度略小于3cm。 如上所述，第二传导侧壁尺寸可以与第一传导侧壁的相同。如果米用固体电介质材料，就可以采用相同尺寸的层，从而提供极小面积的去耦器。在使用中，EM标签可以设置在腔结构的开口端(即与传导基底部分相对的端)附近。它可以设置在腔结构与传导基底部分相对的端部中或者设置为跨过腔结构与传导基底部分相对的端部(这意味着它至少部分地嵌入固体电介质材料中)，或者可以设置在第一传导侧壁的边缘附近或者设置为跨过第一传导侧壁的边缘。注意，关于传导腔，整个说明书中将使用术语“开口端”，表示腔结构与传导基底部分相对的端部。它由第一传导层的端部限定。术语“开口端”不表示没有材料或者空缺，真正的电介质材料可以很好地从腔内延伸通过开口端，但是在开口端没有传导基底部分。方便地是在第一传导侧壁与第二传导侧壁之间除了传导基底部分外没有其它电连接。本领域技术人员容易理解，传导通路可以合并在所述侧壁之间。但是，形成实质上封闭的侧边的其它传导部分将产生要建立在腔结构中的其它驻波，还可以影响去耦器中目前希望的加强效果。第一传导层跨过其宽度的长度可以不变，也就是从传导基底部分到第一传导层端部的纵向距离在所有横断点都相同，或者也可以变化。改变传导基底部分与第一传导侧壁的相对边缘之间的距离可使去耦器在波长范围内同时工作。第一传导侧壁和第二传导侧壁以及传导基底部分可以包括连续材料层，也可以由材料相同或不同的分离的层形成。传导材料可以是在关注的电磁波长下具有金属性或者电传导响应的任何材料。适当材料的实例包括金属、金属合金、金属化合物或者碳。传导材料的厚度必须使得它关于电磁辐射的利用频率至少部分地不能传导(这由不匹配阻抗和皮肤深度计算来确定，是本领域技术人员所公知)。因此，对于标准金属而言，第一传导侧壁和第二传导侧壁以及传导基底部分的厚度通常大于O. 10微米，这个厚度优选在O. 25微米到5微米的范围内，更优选在I微米到2微米的范围内。如果需要，厚度可以增加到超过5微米，特别是如果为了保证所选择的传导材料提供对目标波长的部分障碍物而要求这样。但是，厚度的任何明显增加都会影响灵活性、增加制造成本。当使用去耦器使得第二传导侧壁在EM标签与希望将EM标签从那里去耦的表面之间时，对第二传导侧壁没有最大厚度要求。方便的是，第二传导侧壁厚度仍然可以从与第一传导侧壁相同的范围中选择。这是保持灵活性所期望的。一种或多种不同的电介质材料可以设置在两个传导侧壁之间以形成电介质核心。电介质材料可以是任何适当的或者常用的电介质材料，但是优选地，地，电介质核心不能有损耗，也就是复介电常数的虚部和复磁导率的虚部最好为零。电介质可以是气体，例如空气或惰性气体，可以被部分地抽空或加压。显然，如果使用空气之外的气体，和/或气体不处于大气压下，则去耦器必须有密封装置来保持核心中正确的电介质材料/压力。方便的是，如果电介质材料不是固体材料，那么就能用传导侧壁之间的非电传导材料(例如皱纸板、蜂窝结构或者有大量空心的泡沫)来部分地加强第一传导侧壁与第二传导侧壁之间的分离。电介质核心材料可以由包装材料的组成部分(integral part)或部分容器形成。当电介质是包装或容器的组成部分(例如形成硬纸盒的皱纸板)时，希望能够在制造过程中将去耦器整合在它的结构中，以降低成本、减少额外制造步骤。腔周围电连接的坚固和连续是重要的，因此像金属印刷这样的处理技术不合适。在制造过程中，建 议将金属层沉积在电介质层(例如纸板)边缘并延伸到边缘外。然后在制造过程中将金属层绕电介质边缘折叠，以形成所需要的具有封闭端的金属/电介质/金属结构。电介质核心材料也可以(但是不仅仅)从聚合体中选择，例如PET、聚苯乙烯、Β0ΡΡ、聚碳酸酯以及任何类似的低损耗RF薄片。常用的容器材料(可以形成部分电介质材料或基本上全部的电介质材料)可以是纤维素材料，例如纸张、卡片、皱纸板、或木材。也可以使用某些陶瓷、铁素体或玻璃。在一个实施例中，电介质核心中选择使用的材料的折射率能可控地改变，以控制要去耦的辐射的波长。例如，可使用聚合物分散液晶(PDLC)材料作为核心。如果去耦器结构配置为使得能将电压加在核心材料上，就能改变它的折射率，并以修正的方式改变去耦的波长。当一个去耦器用于EM标签波长或者受控为使得去耦动作可以启动或停止时，这样特别有利。此外，如果去耦器的连接对象需要不同的EM标签用于不同位置(例如不同国家)时，具有可调谐折射率的电介质核心层材料就能允许同样的去耦器用于以不同波长工作的EM标签。本发明的实施例可包括超过一个腔结构。可配置两个或更多个腔，每个腔都可以配置为以不同频率最大地去耦。这样就可以允许使用以不同频率工作的多个标签。去耦器可包括两个腔结构，它们共用一个公共传导端部，即去耦器配置为背靠背式。在这种配置中，去耦器还包括第二腔结构，第二腔结构包括传导基底部分、第三传导侧壁以及第四传导侧壁，传导基底部分连接到第三传导侧壁和第四传导侧壁，第三传导侧壁和第四传导侧壁分隔开且基本上平行，在第二腔结构中设置有第二电介质材料，其中第一腔结构的传导基底部分也就是第二腔结构的传导基底部分。两个腔结构的侧壁通常可沿着相反的方向延伸。第一传导侧壁可与第三传导侧壁连续，和/或第二传导侧壁可与第四传导侧壁连续，也就是说，可以有两个连续的材料层形成两个腔的侧壁。第一传导侧壁从传导基底部分到它的边缘测得的长度与第三传导侧壁的长度可以相同，也可以不同。换言之，两个腔的长度可以相同，或者，第一腔结构的长度与第二腔结构的长度可以不同。通过这种方式，两个腔可配置为将不同的频率最好地去耦——第一腔的长度可对应于第一波长λ 四分之一波长，第二腔的长度可对应于第二波长λ2的四分之一波长。在使用中，被调谐为以对应于A1的频率工作的EM标签可设置在第一腔结构的开口端附近，被调谐为以对应于λ 2的频率工作的标签可设置在第二腔结构处。设置在第一腔结构中的电介质材料与第二电介质材料可以相同，也可以不同。在替代性配置中，两个腔结构可配置为它们的开口端相邻。可以有两个明显的腔结构，在这两个腔结构之间可以有一些分隔物，也可以没有。如果有分隔物，那么分隔物可以是到每个腔的开口端有一个小距离的传导分隔物。每个腔的第二侧壁可以通过传导分隔物(如果有的话)传导性地连接，只要在每个腔的第一侧壁之间实际上有间隙。实际上，一个腔的第二侧壁可以形成第二腔结构的侧壁，也就是说，有一个连续的材料层。本实例中去耦器还包括第二腔结构，第二腔结构包括传导基底部分、第三传导侧壁以及第四传导侧壁，传导基底部分连接到第三传导侧壁和第四传导侧壁，第三传导侧壁和第四传导侧壁分隔开且基本上平行，其中第二传导侧壁和第四传导侧壁包括传导材料连续层，第一传导侧壁和第三传导侧壁的边缘限定它们之间的缝隙，在第二腔结构中也设置有电介质材料。
第一传导侧壁与第三传导侧壁之间的缝隙可以是两个壁的边缘之间的完整间隙。但是在第一传导侧壁与第三传导侧壁之间可以有小的接触区域或连连接。实际上，第一传导侧壁和第三传导侧壁可以包括传导材料连续层，传导材料连续层有一个缝隙延伸为基本上横穿两个腔结构，以限定腔的边缘。本配置中优选地，两个腔的组合长度为λ d/2，第一传导侧壁与第三传导侧壁之间的缝隙设置在与任一个传导基底部分相距λ/4处。两个或更多个去耦器可以堆叠在彼此的顶部，或者并排设置。第一腔结构的第二侧壁可形成设置在第一腔结构侧边的第二腔结构的第二侧壁。另外，两个腔结构长度可以不同。本发明的上述方案提供两个传导层来形成去耦器的侧壁或传导基底部分。但是，在将材料直接涂覆到金属表面或其它传导性表面(例如车厢、容器、器皿或滚笼)上、或者将材料形成金属表面或其它传导性表面的组成部分时，金属表面可形成第二传导侧壁和/或传导基底部分。如果正确确定了尺寸的第一传导侧壁设置为到金属表面有一个小距离的话，通过设置在它们之间的电介质和传导基底部分，整个结构就能实现前述功能，将放在上面的任何EM标签从金属表面效应去耦。因此在本发明的另一方案中，提供一种电磁辐射去耦器，用于将电子装置从传导表面去耦，去耦器包括第一传导侧壁以及将第一传导侧壁从传导表面分开的部件，第一传导侧壁连接到传导端部该部件使得传导端部与传导表面形成接触。将第一传导侧壁从传导表面分开的部件可以是至少一层电介质材料，在使用中，这至少一层电介质材料将设置在第一传导侧壁与传导表面之间。或者，如果电介质材料是空气，那么将第一传导侧壁从传导表面分开的部件可以包括一个或多个隔离物。优选地，第一传导侧壁的长度大约是所要工作的辐射的四分之一波长。该长度范围在Xd/4与I. 15倍的Xd/4之间、或λ/4与I. I倍的Xd/4之间、或λ d/4与I. 05倍的入d/4之间，和/或在λ d/4与O. 85倍的λ d/4之间、或λ d/4与O. 9倍的λ d/4之间、或入(1/4与0.95倍的λ/4之间。本发明前述所有优点和实施例同样适用于本发明的该方案。
本发明允许将EM标签(特别是RF标签)设置在任何表面上而没有不利效应。因此本发明也涉及基本上独立于表面的EM标签，包括安装在如上所述的去耦器上的EM标签。如上所述，当讨论所产生的电场增强特性时，将EM标签安装在第一传导侧壁的边缘附近。它可以至少部分地设置在第一传导侧壁上，并且可以设置为使得标签天线位于第一传导侧壁与传导基底部分相对的边缘处，即传导腔的开口端。EM标签应当与第一、第二传导侧壁电隔离，也就是没有直接电接触。通常将RF标签印制在电介质基板上，并将该基板放置为与第一传导侧壁的表面直接接触。但是优选地，还可以有另外的电介质材料(限定为隔离物)放置在EM标签与去耦器材料之间。当有隔离物时，隔离物的长度和宽度尺寸必须至少与EM标签的金属区域(例如天线)的相同。所提供的大多数EM标签已经安装在它们本身的基板上，基板的厚度随制造商的不同而变化，在本发明的实施例中标签基板可充当隔离物。EM标签不必与第一或第二传导侧壁的任一个直接电接触。优选地，EM标签的金属部分与去耦器之间的(总)间隙(即隔离物厚度+RF标签基板厚度)在100微米到1000微米的范围内，或者在175微米到800微米、或者300微米到800微米、或者300微米到600微米的范围内。如果隔离物或标签基板表现出有损耗或者采 用很高或很低的折射率(也就是如果使用除了像PET这样的标准聚合体基板之外的基板)，那么这些值可以不同。类似地，向更高或更低工作频率的移动也会影响隔离物厚度。本领域技术人员应当理解，EM标签可以看作共振电路，并且腔结构也可以看作不同的共振电路。在腔的开口端附近/没有表面的区域，腔充当独立于表面的场增强器一能量耦合到去耦器中并形成驻波。假设标签或装置设置在强场增强区域中，那么能量将从腔耦合到标签。在这种情况下，两个电路不是通过直接的电连接或欧姆连接，而是经由容性耦合相链接。与现有技术的方式不同，这样减少了阻抗匹配的需要，因此不必为不同的标签重新设计去耦器。作为将标签设置在去耦器表面上的替代方式，可以将EM标签设置为跨过传导腔的开口端或者设置在传导腔的开口端内，也就是设置在第一传导侧壁与第二传导侧壁之间。因此，EM标签可以至少部分地嵌入电介质材料或者设置在电介质材料内。但是保证标签与第一或第二传导侧壁没有电接触仍然重要。普通的处理容易使EM标签的金属天线变形或擦伤。优选地，可以用保护外壳将EM标签和去耦器部分地覆盖或包住。外壳可以是沉积在EM标签和去耦器表面上的非传导性材料。非传导性材料可以仅仅是经由旋涂技术，沉积像PET、PETG UPVC、ABS这样的材料或任何适当的灌注混合物(例如环氧树脂等)而涂覆的其它电介质材料。已经发现，在250微米到2000微米范围内甚至厚达5000微米的这种外壳涂覆不会明显影响RF标签的阅读范围。显然，可以根据标签所要求的环境和灵活性来选择外壳的厚度。通常RF标签包括芯片和一体化天线，芯片与一体化天线电连接，一体化天线的长度通常可与它们的工作波长(例如其l/3ri)相比。本发明人出乎意料地发现，具有小得多的未调谐天线(也就是在UHF波长下一般无望有效工作)的标签可以结合根据本发明的去耦器使用。通常，具有这种“短小”天线(如同本领域技术人员所理解的，有时候称为低Q天线)的标签在开放空间中只具有几个厘米甚至几个毫米的阅读范围。但是已经出乎意料地发现，使用本发明的这种将低Q天线安装在去耦器上的标签具备可操作性，并且表现出有用的阅读范围，达到(甚至超过)没有去耦器、在自由空间中工作的最好的商用EM标签的阅读范围。与传统的调谐天线相比，低Q天线对制造商来说更便宜，占据的表面面积更小(也就是说这种标签的天线长度可以比常用的更短)。因此EM标签可以是低Q标签，也就是具有小的、未调谐天线的EM标签。通过这种方式，本发明的去耦器可认为放弃了准确调谐标签天线的多余物标签天线很多设计中的外围调谐元件完全不必要所需要的是中心回路和芯片。这样就允许将标签的尺寸(因此去耦器的尺寸)减少到小于典型标签尺寸(c. 10cm)。在本发明的实施例中并入了这种回路或低Q天线，但是术语“去耦器”仍然适用，因为提供的标签系统基本上不受衬底效应的影响或者与衬底效应的影响隔离，但是考虑从衬底本身去耦的标签可能意义不大。当然，这有助于理解它是将入射能量收集在腔中，因此标签被局部的场增强激发，局部的场增强从衬底(装置安装在衬底上)的可能不利效应去耦，或者基本上不受衬底的可能不利效应影响。本发明被确定尺寸为在特定EM标签的频率下工作的实施例可结合任何表面上的标签使用，不需要对标签调谐。得到的结构小且薄，因此适用于很多表面，不需要突出隔离物等部件。它也可以用于小产品。此外，材料成本和制造费用很低。当用于金属表面时，该表面甚至可形成结构的一部分，从而进一步减少材料成本、缩小外形。
在使用中，去耦器可以设置在任何表面上，与不使用去耦器相比，在与EM标签/RF标签工作这方面可以提供多种优点，如下所述。去耦器显然可以在表面上使用，由于材料中或者实际上在材料表面上的电磁相互作用，表面对EM标签自身天线的工作另外还有不利效应。去耦器允许正确设置的RF标签在对入射RF辐射或者是非反射性的、或者是反射性的表面上工作，或者在该表面附近工作，因为去耦器有效地充当了电磁辐射进一步传播的障碍物。本发明的优点在反射性的表面上是显然的，在对入射辐射有不利于电子装置接收的效果的表面上也是显然的。通常，这种RF反射表面可以是传导材料(这些材料包括很多液体成分)，也可以是形成这种流体的容纳器件一部分的表面。已经发现某些类型的玻璃与RF标签相互作用，因此去耦器也可以在玻璃、硅土或陶瓷材料上找到用途。通常RF反射性传导材料可以是碳、金属、金属合金、铟锡氧化物(ITO)或者金属化合物。有很多液体成分的材料可以是纤维素材料，例如某些木材、卡片、纸张或者任何其它含有很多液体成分的原生材料。去耦器也可以有用地应用于处于湿度大的外界环境中区域的表面，甚至可应用于部分或完全浸没在流体(例如像水这样的液体)表面下的表面。因此通过适当的包装，去耦器以及使用中的EM标签既可以设置在饮料或食物容器的外侧，也可以设置在内侧。水下环境中去耦器的其它应用包括用RFID技术识别水下管线。去耦器可应用于形成流体的容纳器件(例如食物、饮料或化学品的容器)的组成部分的表面。已知流体(例如水)与RF辐射干涉，因此对它们附近的RF标签的性能产生不利影响。如上所述，本发明对于将RF标签从安装RF标签的表面的效应去耦或者隔离特别重要。因此本发明的另一方案是将所述装置用作RF标签的底座，特别是在将与入射的RF辐射相干涉的表面上。本发明还涉及将所述装置与低Q标签使用，以获得有用的阅读范围。因此根据本发明的其它方案，提供这样一种设备的用途，该设备包括共振电介质腔，共振电介质腔限定在基本上平行的第一、第二传导侧壁之间，它的一个边缘被传导基底部分封闭，传导基底部分电连接在第一、第二传导侧壁之间，以在所述腔的打开边缘增强入射电场。在一些实施例中，入射电场的增强系数大于或等于50、或者大于或等于100、或者大于或等于200。如果装置上典型的入射波辐射幅度取为2或3V/m(与典型距离约5m的当前商用阅读器系统一致)，那么这种增强可有利地用于驱动装置(例如RF装置的识别芯片)工作，容易达到例如超过100、200、300V/m或更大的增强值。但是应当理解，对特定的应用可以修正入射波幅度、增强系数、增强的场强以及装置两端的驱动电压。通过这种方式使用设备允许使用商用阅读器技术来阅读这样动的装置例如本发明所述具有小的、未调谐天线或回路的低Q标签，其在其它情况下实际上是不可读的。本发明另一方案提供的设备包括共振电介质腔，共振电介质腔限定在基本上平行的第一、第二传导侧壁之间，所述共振腔的一个边缘被传导基底部分封闭，传导基底部分电连接在第一、第二侧壁之间，所述设备还包括电子装置，设置为与所述腔的打开边缘相邻。 所述电子装置优选地响应电场，即对足够大小的入射电场有期望的响应，例如本发明讨论的RFID标签和低Q标签。典型地，共振腔适于在所述腔的打开边缘增强入射电场，电子装置至少部分地设置在所述打开边缘处增强电场的区域内。例如当装置是包括芯片和耦合回路的低Q标签时，所述装置的至少一部分，例如一部分回路(如果不是芯片自身的话)优选设置在增强区域内。虽然可以构思将装置设置在与传导基底部分相邻的边缘的实施例，但是优选地，打开边缘实际上与传导基底部分相对。电子装置优选与所述第一或第二侧壁没有电接触、或者换一个方式来说没有欧姆接触。本发明扩展到基本上参照附图所述的方法、设备和/或用途。本发明中一个方案的任何特点都可以以任何适当的组合方式应用于本发明的其它方案。具体而言，方法方案可以应用于设备方案，反之亦然。


下面参照附图，完全通过实例来描述本发明的优选特征，附图中图I示出根据本发明的装置的侧视图；图2示出根据本发明的装置的透视图；图3示出将RF标签安装在去耦器上的可能位置；图4示出商用RF识别标签；图5示出本发明具有多个腔的实施例；图6示出本发明的替代性实施例；图7示出背靠背双腔结构；图8示出背靠背腔结构的透视图；图9示出宽带去耦器的实施例；图10示出本发明具有并排的腔的另一实施例；图11示出开口端协同定位的双腔结构；
图12示出另一种端对端(end to end)的腔结构；图13示出替代性并排腔结构；图14示出本发明具有可变的腔长度的实施例；图15示出低Q的RF标签；图16至图28示出本发明各种实施例的性能；
图29示出本发明实施例的传导基底部分和壁部分的可能构造；以及图30至图32示出本发明基底部分为曲线形的实施例。
具体实施例方式图I示出根据本发明的装置或去耦器的侧视图。该去耦器具有一个金属层，用于形成第一传导侧壁2 ;另一个金属层，用于形成第二传导侧壁4，其中两个金属层间隔开且平行。这两个侧壁包围电介质材料6，电介质材料6可以是空气，也可以是一个或多个材料层，例如PET层。两个传导侧壁限定副波长腔(sub wavelength cavity),副波长腔一端被传导端或基底部分8封闭。第一传导侧壁2和第二传导侧壁4中的一个可与传导基底部分8相连,或者第一传导侧壁2和第二传导侧壁4两者都与传导基底部分8相连。腔的与传导基底部分8相对的一端是开口端，也就是其没有传导壁。传导基底部分8是第一传导侧壁2与第二传导侧壁4之间唯一的传导连接。图2用透视图示出去耦器。为清楚起见没有示出固体电介质层。该装置设计为将特定频率的辐射去耦。考虑去耦器功能性的简单化模型是方便的，其中，RF波被耦合至腔内，沿着腔内部传播，直到到达封闭端(例如金属壁)或者开口端。一部分波在端部反射(不管端部是打开还是封闭)并在腔内沿着腔返回。如果腔的长度刚好合适，则来回往复的波建立起驻波。驻波导致产生电场极强的区域一电场被共振增强了。以靠近强场区域的频率或者以强场区域中的频率工作的RF标签被强制工作。电场在靠近金属壁或基底部分(封闭端)处为最小值，在开口端为最大值。因此形成的驻波图案是四分之一波图案，如图I所示。因此当L=X d/4时，将在腔的电介质材料中产生四分之一波的驻波图案，其中λ d等于电介质材料中入射辐射的波长(等于自由空间波长除以电介质材料的折射率，λ/η)。不管将去耦器安装在什么材料上，在开口端附近范围内，这导致在所关注频率具有很强的场。因此可以将标签放在开口端上或开口端附近，以与这个区域中的增强场耦合。图3示出将标签置于去耦器上的一些可能位置。RF标签10可跨过侧壁端部放置在第一传导侧壁2上。该标签放置在隔离物(未示出)上，与传导材料表面稍微隔开。该区域中的电场强，能与标签天线很好地耦合。或者，可以将标签12放在腔内，靠近开口端。附图只是示意性地示出标签12，应当理解，腔内标签的准确方位将取决于标签和腔的准确几何形状。当给定很多实施例中的小厚度时，平面标签很可能被放置在腔内，基本上与上、下层平行。图4示出商用标准UHF标签(例如866MHz的Alien Technologies公司的UHF “Squiggle”标签)的平面图，该标签包括芯片20，芯片20具有一体化天线22。标签的宽度w是8mm,标签的长度I是95mm。可以清楚地看到,标签尺寸的大部分是由于天线(商用UHF RFID标签的典型情形)。芯片本身小得多，量级为l_2mm。天线被调谐用于自由空间工作，尽管可使用不同的天线，这些天线被调谐用于特定环境中使用的标签。不同环境中的工作需要不同调谐的天线。本发明允许将调谐用于自由空间的这种标签安装在去耦器上，从而令人满意地用于通常来说性能会退化的多种环境中。—些RF标签具有定向天线(也就是优先与特定方向的线性极化(polarisation)相互作用的天线)，因此当将标签相对于阅读器正确定向，以保保证入射到标签上和/或从标签发射出来的辐射与阅读器发出或接收的辐射的极化相匹配时，标签才能正确工作。因此，当将标签安装在去耦器的表面时，通常应当将它配置为与腔的轴线相一致(in linewith)。对某些应用而言，例如在标准封装(其中在物品上将标签和去耦器设置于已知的位置和方向)上，正确方向的需求不一定是个问题。用发射器/接收器系统(其利用圆形极化或椭圆极化)或者多个不同排列的天线也可以解决定向问题。例如，图5示出本发明的 两个四分之一波去耦器，一个在另一个上方并旋转90度。具有第一极化的适当波长的辐射在其中一个去耦器中可形成驻波。而正交极化的辐射在另一个去耦器中可形成驻波。如果每个去耦器承载一个适当放置的RF标签，那么不管入射辐射的极化方向如何，都会有一个标签被激发。显然，除了将一个去耦器设置在另一个的上方，两个去耦器也可以在同一平面上，并且在不同方向上可使用两个或更多个单独的去耦器。图6示出替代性配置，其中去耦器在同一平面上，但是侧壁不在同一平面。例如在对象的角部，这样的配置可以得到应用。两个去耦器可以背靠背设置。图7示出两个去耦器以背靠背设置的侧视图。这两个去耦器共用公共传导端部8。左手侧去耦器的上侧壁2与右手侧去耦器的上侧壁14可以是连续层，也可以分离。类似地，左手侧去耦器的下侧壁4也可以是形成右手侧去耦器下侧壁16的连续层。左侧腔的长度是L1，右侧腔的长度是L2。尽管这些腔的长度可以相同，但是有利地是要确保它们长度不同，每个腔都配置为以不同的波长来耦合辐射。因此，标签10或12可以设置在左手侧去耦器上，另一个标签18可以设置在右手侧去耦器上，其中标签10或12的工作频率对应于波长4U，标签18的工作频率对应于波长4L2。这样就允许要安装在装置上的两个不同标签都能工作。这对于为环行世界(各地使用不同的频率)的对象加标签是有用的。即使要用的标签只有一个，去耦器的这种设计也允许用户选择标签频率。图8示出从立体的视角观察，类似的背靠背去耦器设计。图9示出去耦器的另一种设计，其允许对不同的波长去耦。这里，两个去耦器有效地叠置在彼此的顶部，共用公共第二传导侧壁。长度为λ B/4的第一腔由传导层30、电介质32以及第二传导层33构成。该第一传导腔的一个端部被传导基底部分37封闭。注意，电介质材料32和第二传导层33都延伸超出第一传导层30。腔的长度由重叠区域的长度(也就是第一传导层30的长度)确定。第二传导腔由第三传导层35、电介质34以及第二传导层33构成,该第二传导腔的一个端部被传导基底部分37封闭。同样地，电介质材料34和第二传导层33都延伸超出第三传导层35，并且由第三传导层的长度所限定的腔的长度为λΑ/4。因此显然，每个腔将以不同波长最有效地工作，并且因此，适当的标签36可以设置在与强场区域对应的区域中，该区域在适当的频率下使用。这种配置有利于相同长度的去耦器腔。在图10所示的配置中，标签被放置为将它的天线跨过两个腔的开口端，该标签将受益于双腔的增强效应。大体上，两个振荡、同相的偶极被表示为跨过AB和⑶。第三偶极形成为跨过金属区域BC，但是它与另外两个不同相。可认为，因为BC在长度上远小于AB或CD，所以跨过BC的场占优势，与经由单腔得到的相t匕，能产生更大的场强。或者，也可以形成这样的几何形状，其中AB和CD的场占优势，与单腔情况相比，能更有效地驱动通过天线的电流。虽然示出的是两个腔，但是这个概念可以扩展到以类似方式接合的三个或更多个腔。图11示出替代性实施例，其中，两个腔的开口端相邻。第一腔由传导层40、42形成。这两个层包围电介质材料50。腔的一端被传导基底部分46封闭。传导层42延伸后还形成第二腔的侧壁，第二腔还包括传导层44。传导层44和42也包围电介质材料50，另外，传导基底部分48将第二腔的一个端封闭。在传导层40与44之间的小间隙或缝隙52设置在两个传导基底部分46与48的中间。该缝隙为两个腔(虽然可以认为它是两端封闭且其中有四分之一波长的狭缝的半波长腔)提供了一个有效的开口端。使用时，位于缝隙52上或者位于缝隙附近的电介质材料中的RF标签将设置在电场强的区域中，并且将与任何表面效应去耦。
图12示出相似的实施例，但是在两个腔之间有隔离物54。图13示出多腔去耦器的不同实施例，其中多个腔并排，并且被隔离物56间隔开，隔离物56既可以是传导性的，也可以是非传导性的。这可以由单个四分之一波去耦器有效地形成，该四分之一波去耦器在顶层中有缝隙。如上所述，去耦器腔的长度并且因此它能最佳去耦的波长由两个传导侧壁的重叠区域的长度确定。通常，去耦器设计为预计有特定频率，因此去耦器腔跨过(across)其宽度的长度将不变。这可以容易地通过保证第一传导侧壁与传导基底部分接触的边缘与另一个边缘基本上平行来实现。但是，故意改变腔跨过宽度的长度是有利的。图14示出根据本发明另一方案的去耦器的第一传导侧壁的平面图。—般表不为60的去稱器具有第一传导侧壁62。在去稱器的一端66连接传导基底部分，形成封闭端。去耦器的另一端与封闭端66不平行，而是，第一传导层的长度随着层而变化。因此，该去耦器将在不同频率的范围内形成驻波，并且因此，该去耦器可用于很多种不同标签。去耦器层的边缘不一定是直线，也可以采用曲线型边缘。已经观察到，本来设计用于866MHz的去耦器也可以将自由空间中在915MHz下工作的标签去率禹。通过实例，Alien Technologies公司的915MHz “Squiggle”标签与Alien866MHz的标签非常相似，唯一的区别就在于被调谐用于915MHz的天线的主体。用于将阻抗回路和相关阻抗回路合并的两个标签的天线基本上相同。已经显示，去耦器造成天线的主体多余。因此当天线在去耦器上时，它仅仅是起作用的阻抗回路。去耦器仍然在866MHz下最佳地截取功率，在915MHz下实质上不截取功率，因为去耦器的性能曲线在该频率下接近OdB。因此，不管标签是否设计为在915MHz下工作，标签都是在866MHz下被驱动工作。这是可能的，因为芯片在866MHz下工作与它在915MHz下工作差不多一样好。因此，去耦器在一个频率范围内截取功率，但是当去耦器、阅读器、以及标签(重要性较低)都在同一频率下工作时，将获得最佳性能。因此本发明人认识到，可以使用只具有小天线的RF标签。当去耦器将辐射耦合到它的电介质核心并在腔的开口端产生强电场时，设置在该区域的标签将在强场区域中工作，并且不需要大的调谐天线。因此，本发明的去耦器可以与所谓的低Q标签一起使用。图15示出低Q标签的实例，低Q标签有小回路70，小回路70连接到芯片20。例如，该回路的长度约为20_。再参照图4，可以看出，调谐标签具有芯片和有效的电感回路，还有大量的附加调谐天线结构。因此低Q标签可以认为是调谐标签的较小变型。低Q标签在自由空间中不会起作用，除非查询波长与天线周长对应(例如对于5cm回路是6GHz工作)，因此，除非阅读器设置在芯片的Imm或2mm以内，否则低Q标签在标准UHF频率(例如866MHz)下不会工作，因为天线70不足以耦合至入射的UHF辐射。低Q标签可以只比芯片本身稍大，根据本发明，低Q标签可以放在任何去耦器上。注意，可以用向外延伸、或者部分地缠绕隔离物的短“臂”代替小回路部分，因为如果结合正确设计的去耦器，那么即使金属的两个短“梢”也足以将功率耦合到芯片中。缩小天线尺寸使得RF ID系统更加紧凑，而不需要将现有天线缠绕在去耦器的主体上。另一个优点是减少了用于RF ID制造工艺的材料。已经发现去耦器的几何形状、制造去耦器的材料以及标签相对于去耦器的位置和方向都影响系统的性能，反过来系统的性能决定标签能被阅读的范围。下面参照图16到图29描述为了获得最佳去耦器设计而进行的一系列实验。最大阅读范围是最普通的参数，通过该参数可以测量设计变化的效果。 对去耦器核心中波长(λ核心)的第一近似涉及自由空间中的波长(λ自由空间)除以折射率η，即
Λ KyAaiE
η材料的折射率越大，波通过它就越慢。波的频率保持不变，因此它们的波长变小。以PETG (折射率C. I. 8)为例，用于四分之一波长去耦器的必须长度为48mm。这可以通过从明显长于48_的四分之一波长去耦器开始并记录当缩短去耦器长度时得到的阅读范围来经验性地证明。图16示出使用Alien AL870的866MHz阅读器系统和来自Alien WorldTag的回路时的阅读范围作为腔长度的函数。长度的缩短减少了截留入核心的辐射的波长，增加了去耦器的工作频率。当去耦器长度使得其工作频率与阅读器系统的工作频率匹配时，耦合在去耦器中的功率量被最大化，并且系统的阅读范围被最大化。当进一步缩短长度时，去耦器的工作频率变得比阅读器系统的工作频率更大，并且耦合在去耦器中的功率量再次减少，导致阅读范围下降。显然,最佳腔长度在48. 5mm与49mm之间,接近理论值48mm。次要矛盾被认为是由于因标签所致去耦器共振的混乱因为标签的金属成分与去耦器(其总体上移动系统的共振频率)的相互作用，所以出现附加电抗。标签(和回路)与去耦器上表面之间的PET隔离物的厚度在50微米到3000微米之间变化。使用866MHz阅读器系统，并使用915MHz Alien Squiggle的中心回路。图17示出阅读范围作为隔离物厚度的函数。可以看出最佳隔离物厚度在500微米到1000微米之间。变化趋势正是所期望的当隔离物厚度减少时，去耦器的上金属层与重叠在上面的回路部分之间的容性耦合增加。在隔离物厚度趋向零的极限情况下，回路的那一侧将与上金属层接触。在这种情况下，该回路充当回路所连接芯片的一侧与上金属层之间的短接部分。这样就消除了芯片两端的电压，因此没有电流流动，系统停止工作。当隔离物厚度增加到超出1000微米时，电场强度开始急剧下降跨过天线端子的电势更小，因此阅读范围更小。如上所述，去耦器通过形成显著增强的电场区域而起作用，所述电场强迫放在这些区域的任一个区域中的标签工作。去耦器上有一些位置电场强，而其它位置电场弱。通过改变去耦器上标签的位置，从电场强的位置改变到电场弱的位置，就可以证明利用的是电场而不是磁场。考虑图18a所示的四分之一波去耦器。在核心或腔的开口端(向右看)电场最强，电场在与将上导体与下导体连接在一起的基底部分相邻的封闭端变为零。电场增强的区域延伸超出腔边缘，但是当该电场增强的区域到去耦器表面的距离增加时，电场强度按指数规律下降。作为参考，图18b示出磁场，可以看出靠近金属基底部分时磁场最大，并且在腔的开口端磁场趋向于零。
电场大小从OV/m到50V/m。入射波的电场幅度为lV/m，因此电场增强的系数约为50。磁场(自由空间值l/377A/m)大小从OA/m到O. 25A/m,因此磁场增强的系数超过70。图19示出标签在电介质腔上的不同放置位置，其中入射电场在箭头1910所示的方向上，基本上与基底部分1900垂直。在沿着与基底部分1900相对的I侧的任何地方都可以放标签，如1902所示，典型地，对于50mm宽的PETG核心去耦器而言，可以在4m的范围内阅读标签。注意，也可以绕着核心的开口边缘折叠标签，如1904所示。也可以沿着2侧放置标签，例如1906所示。沿着2侧远离金属基底部分移动时，电场强度增加。如同所期望的，这样使得阅读范围增加，如图20的曲线图所示。在这种情况下，去耦器核心厚度为4mm，腔长度为67mm。沿着2侧距离腔边缘约20mm处出现最大阅读范围。从基底部分沿着腔向开口端移动时，电场增加，因此电压增加，而磁场和电流减小——因此阻抗增加。因为轻微的阻抗效应，所以建议阅读范围在离开边缘的短距离处为最大值，虽然应用人不受该建议所限。考虑沿着开口端(图19的I侧)的电场强度，沿着该开口端的整个长度电场强度保持为大电场强度，因此能阅读沿着该开口端放置在任何地方的标签。但是当沿着该边缘移动标签时，已经发现在能够获得的最大阅读范围中一些较小的变化，如图21所示。靠近边缘中心处获得最大阅读范围,在边缘出现最小阅读范围。标签本身不对称，这被认为是结果中轻微不对称的原因。如果电场与从一个天线端子到另一个天线端子直接画出的直线平行，如图22b所示，那么两个端子之间的电压将是最大值，并且阅读范围相应地大。如果电场与该直线垂直，如图22a所示，那么两个端子的电势将会相同在端子之间将没有电流流动，不能阅读标签(这里假定为局部均匀电场)。在垂直与平行之间的角度，去耦器能起作用，但是范围缩小。曾经做过实验来确定阅读范围与角度之间的关系。图23画出相对于旋转角度获得的阅读范围。可以看出，当电场与天线端子之间的直线平行(90度)时，阅读范围是5m，当与场垂直(O度)时，阅读范围为零。
下面参照图24到图27描述芯片和回路离上传导平面的边缘有偏移时，装置的性能变化。稱合元件或者回路相对于上传导层边缘的位置从-Imm到+Ilmm变化,如图24所示。保持阅读器天线与标签之间的距离不变，同时阅读器系统的功率输出从最大值(2瓦特)逐渐减少，直到达到阈值，低于这个阈值就不能阅读标签这个阈值越小，标签性能就越好。画出阈值功率相对于耦合元件位置的关系得到的曲线图是，标签性能最好的地方阈值功率的值最小。为了让曲线图更直观，通过从2瓦特(阅读器系统的最大输出功率)减去功率阈值，将图反转。这样形成“剩余功率”曲线图，标签性能最好的地方剩余功率的值最大。当耦合元件相对于上导体边缘移动时，理论建模允许计算芯片两端的电压。形成一系列模型(其中稱合元件从_8mm移动到+14mm),并计算每种构造中芯片两端的峰值电压。在这种情况下，入射到标签上的功率保持不变，因此电压越大，表示标签性能越好。将电 压值进行缩放，使模拟峰值电压值(modelled peak voltage value)与通过实验测量的峰值剩余功率值的大小相同，从而使两个数据组之间的比较更容易。图25中画出这些结果。当芯片从Omm偏移(芯片正好在上传导层的边缘上面)移开时，芯片两端的电压增加，在+IOmm达到最大值,超过+IOmm后急剧减小。可以通过检查去稱器周围的电场强度来说明这种特性。图26示出与去耦器垂直的平面上电场大小的示意图。该示意图清楚地示出，增强电场的区域从上导体的边缘开始只延伸超出去耦器腔的开口端一个短距离c. 15mm(从-5mm到 +10mm)。为清楚起见，将传导层示出为虚线。注意，图26中的大小从20V/m (黑色)扩大到110V/m (白色)，入射电场强度(波幅度)为lV/m。这说明在腔的开口边缘，具有系数为110的电场增强。本实例中使用的回路为22mm长，因此大约延伸10. 5mm到芯片的每一侧(芯片为c. Imm2)0超出+10. 5mm时，回路不再与上金属层的边缘(这里场最强)重叠，因此，回路离开上传导平面边缘的进一步位移将回路暴露在逐渐变弱的场中，因此芯片两端的电压和剩余功率都下降。通过正好在上导体边缘上面(Omm偏移)的芯片，电压具有局部最小值，不能阅读标签。阅读失败也可以归因于电压太低，不能激活芯片。理论模型预测当耦合元件在上传导层上进一步移动时(具有负偏移)，电压应当再次上升。在_2mm与_4mm之间电压急剧下降，这是由于增强电场关于调谐平面边缘的不对称分布，如图3所示。实验测量没有延伸超出-1mm，所以不能证实这个预测。这个特性说明去耦器充当了用于产生高度局部化的电压的装置，该高度局部化的电压随后经由去耦器与回路之间的容性耦合被传输给芯片芯片两端的电压和剩余功率保持为高，同时，与芯片相邻的回路部分在增强场区域内。在这个区域外面，电势梯度(电场强度)低，因此芯片两端的电压低。这种工作机制与参照图22讨论的特性一致，在图22中，在去耦器平面上回路旋转90度。这样将回路部分放置在等电势区域中芯片的任一侧，导致芯片两端的零电压。实验已经证实，在这个方向上不能阅读标签。现在考虑电介质共振腔的厚度，已经进行了实验，其中去耦器核心的厚度(用t表示)在O. 125mm与3_之间变化。每种核心厚度的最佳腔长度通过逐渐减小腔长度并记录阅读范围来确定。在所有情况下，核心材料是聚酯，金属层由铝箔形成。结果在图27中画出。如同对所有去耦器所期望的，当腔长度使得其共振频率与阅读器系统的共振频率匹配时，阅读范围达到峰值。较厚的核心相比较薄的核心而言，峰值阅读范围要大得多。图28更清楚地示出最大阅读范围相对于核心厚度的变化。但是要理解，在较厚核心与部件总厚度之间有一个权衡。对任何给定应用而言都有适当的核心厚度，在保持小外形装置的同时提供充分的阅读范围。因为去耦器的下层是金属，要放置去耦器的对象也常常是金属，所以本发明的实施例用要加标签的对象的金属作为下传导层。在这种情况下，去耦器变成双层装置上传导层和电介质核心。
四分之一波长去耦器需要环绕电介质核心三侧的连续传导路径，因此，使用要安装去耦器的对象作为下层时必须小心，以避免实质上的不连续。已经进行了一系列测试来评估图29所示的不同构造以及得到的阅读范围。在所有情况下，核心材料是聚酯，并且用915MHz系统来进行测试。去耦器宽50mm，在最佳情况下，对于44mm的腔长度而言，发现最大阅读范围是6. 0m。确定阅读范围的过程中，去耦器固定在金属板上，金属板的尺寸比去耦器大。制造这些去耦器时使用的箔实际上覆盖有薄的绝缘聚合物层，因此当两个层配置为平行时，在它们之间几乎没有或者没有直接的电流流动。每种构造都有不同的不连续(discontinuity)的可能来源,如附图中直线所示。已经发现不连续导致阅读范围较小，每种不连续将范围减少具有真正连续传导层的去耦器的最大值的c. 40%。因此有两个不连续的设计与有一个不连续的设计相比，趋向于具有较小的阅读范围，有一个不连续的设计与没有不连续的去耦器相比，相应地性能较差。这个规律的唯一例外是构造2，其中箔与金属背板之间的不良电接触是阅读范围缩小的可能原因。图30示出四分之一波去耦器的实施例，配置为一个象限或四分之一圆。这种配置的优点是减少了方向相关性。当去耦器的共振尺度与入射电场矢量平行时，给定的去耦器和标签构造性能最好。当共振尺度与电场垂直时，随着去耦器旋转，阅读范围下降达到零。在图30的实例中，用铝箔制造去耦器，用4_5mm厚的皱纸板作为电介质腔。去耦器形成90度的扇形，在上表面上、绕着弯曲的边缘、跨过下表面有连续的箔片。两个直边缘不具有在该边缘上延伸的导体。标签配置在直边缘的顶点，如图30所示。逐渐减小四分之一圆的半径，以确定最佳值。从158mm的半径开始,从弓形边缘逐渐消减标签，发现在121_的半径时出现最大阅读范围5. 5m。另一实施例与图30的相似，但是将两个直边相交的角部截去，形成27mm长的第三直边，与另两个直边成45度。发现在120mm的半径时出现最大阅读范围8m。然后研究四分之一圆去耦器与方位角的相关性。在与阅读器天线的平面平行并包含入射电场矢量的平面内，旋转去耦器360度。图31给出了结果，其中用块箭头表示电场，用去耦器上的实线表示标签的长轴。
对于O度与90度之间以及180度与270度之间的所有角度，阅读范围保持不变，为6m。在这些角度范围内，可期望电场矢量总是与从最靠近标签的角部沿着径向画出的直线平行，使得它跨过金属区域，因此对正确的共振尺度连续采样。这使得在去耦器核心内与共振模式有效耦合。90度到180度以及270度到360度的范围返回到阅读范围零，因为这个范围内电场矢量从不与共振尺度平行。因此在O度与90度之间以及180度与270度之间，四分之一圆去耦器表现出方向无关性。图32示出去耦器，其也具有连接上、下传导平面的弓形基底部分，但是这一次形状为半圆。在传导层的上部切出狭缝(如图32b的狭缝I所示)，从直边缘的中心垂直延伸，长度差不多是去耦器半径的一半。通过在去耦器中心将标签缠绕在去耦器的直边缘(如图32a所示，但是狭缝不明显)，在O. 5m的范围内，除了关于去耦器的直边缘与入射波的电场平行的方向上10度范围之外，可以在所有方向阅读标签(在与阅读器天线的平面平行的平面中旋转360度)。当去耦器与阅读器天线之间的距离增加时，能阅读标签的角度范围缩小——方向相关性增加。
通过放置在去耦器上表面、与狭缝垂直、并且端子跨过狭缝(按照图29b所示标签方向)的标签，当去耦器的直边缘与电场平行时，可以在几米处阅读标签，但是如果旋转去耦器超过45度，则阅读范围会降到零。在第一狭缝的端部并且与第一狭缝垂直地切出较短的第二狭缝(大约长10mm)，从而在传导层上部形成T形缝隙(如图32b狭缝2所示)。通过缠绕在去耦器上的标签(按照图32a的标签构造，在较长的狭缝上)，去耦器可以旋转360度，而标签保持可读性，只有很少的可见“死点”。应当理解上面仅仅通过实例描述了本发明，在本发明范围内可以对细节进行修改。说明书以及(在适当时)权利要求书和附图中公开的每个特征都可以单独提供或者以适当的组合方式提供。
权利要求
1.一种基本上表面独立的标签设备，包括 电磁辐射去耦器，包括腔结构，所述腔结构包括传导基底部分，所述传导基底部分连接到由第一传导层形成的第一传导侧壁和由第二传导层形成的第二传导侧壁，所述第一传导侧壁和所述第二传导侧壁分隔开且基本上平行，其中，所述去耦器用于将电子装置从一表面去耦；以及 EM标签，包括安装在所述去耦器上的天线。
2.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述EM标签安装在所述第一传导侧壁的边缘附近。
3.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述EM标签至少部分地设置在所述第一传导侧壁上，使得所述天线设置在所述第一传导侧壁的与所述传导基底部分相对的边缘处。
4.如权利要求I所述的标签设备，包括位于所述EM标签与所述去耦器之间的隔离物。
5.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述EM标签设置为跨过所述腔结构的开口端或者设置在所述腔结构的开口端内。
6.如权利要求5所述的标签设备，其中，所述EM标签至少部分地嵌入或设置在电介质材料中。
7.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述EM标签是具有小的、未调谐的天线的低Q标签。
8.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述EM标签是RFID标签。
9.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述腔结构中设置有电介质材料。
10.如权利要求9所述的标签设备，其中，所述电介质材料为陶瓷材料。
11.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述第一传导侧壁从所述传导基底部分测得的连续长度约为λ d/4，其中λ d是工作频率为V的EM辐射在电介质材料中的波长。
12.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述第二传导侧壁从所述传导基底部分测得的连续长度至少与所述第一传导侧壁的长度相同。
13.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述腔结构中设置有作为与所述传导基底部分相邻的连续层的电介质材料，所述电介质材料延伸为与所述第一传导侧壁基本上一样长。
14.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述腔结构中设置有电介质材料，并且所述电介质材料延伸为超出所述第一传导侧壁的端部。
15.如权利要求I所述的标签，其中，所述去耦器的总厚度小于λ/10、或λ/300、或λ/1000。
16.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述去耦器的总厚度为Imm以下、2mm以下、500 μ m以下、或100 μ m以下。
17.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述第一传导层跨过其宽度的长度变化。
18.如权利要求I所述的标签设备，在两个所述传导侧壁之间设置有一种以上的不同电介质材料，以形成电介质核心。
19.如权利要求I所述的标签设备，还包括第二腔结构，所述第二腔结构包括传导基底部分，所述传导基底部分连接第三传导侧壁和第四传导侧壁，所述第三传导侧壁和所述第四传导侧壁分隔开且基本上平行，在所述第二腔结构中设置有第二电介质材料，其中，所述第一腔结构的所述传导基底部分也是所述第二腔结构的所述传导基底部分。
20.如权利要求19所述的标签设备，其中，所述两个腔结构的每一个在不同的频率下去耦。
21.如权利要求19所述的标签设备，其中，所述第一传导侧壁与所述第三传导侧壁连续，和/或所述第二传导侧壁与所述第四传导侧壁连续。
22.如权利要求19所述的标签设备，其中，所述第一传导侧壁从所述传导基底部分到所述第一传导侧壁的边缘测得的长度与所述第三传导侧壁的长度不同。
23.如权利要求19所述的标签设备，其中，设置在所述第一腔结构中的电介质材料与所述第二电介质材料不同。
24.如权利要求I所述的标签设备，还包括第二腔结构，所述第二腔结构包括传导基底部分，所述传导基底部分连接到第三传导侧壁和第四传导侧壁，所述第三传导侧壁和所述第四传导侧壁分隔开且基本上平行，其中，所述第二传导侧壁和所述第四传导侧壁包括由传导材料形成的连续层，在所述第一传导侧壁和所述第三传导侧壁的边缘之间限定一缝隙，电介质材料被设置在所述第二腔结构中。
25.如权利要求24所述的标签设备，其中，所述第一传导侧壁和所述第三传导侧壁包括由传导材料形成的连续层，所述连续层具有缝隙，所述缝隙基本上横向地延伸过两个所述腔结构，以限定所述腔结构的边缘。
26.如权利要求24所述的标签设备，其中，两个所述腔结构的组合长度是λ/2，所述第一传导侧壁与所述第三传导侧壁之间的缝隙设置为与任一传导基底部分相距λ d/4。
27.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述第一传导侧壁的长度约为要工作的辐射的波长的四分之一。
28.如权利要求I所述的标签设备，其中所述传导基底部分被弯曲。
29.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述第一传导侧壁是半圆形。
30.如权利要求I所述的标签设备，其中，在所述第一传导侧壁中设置有狭缝。
31.如权利要求I所述的标签设备，其中，所述腔结构适用于增强所述腔结构的开口边缘处的入射电场，并且，所述电子装置至少部分地处于所述开口边缘处的电场增强的区域中。
32.如权利要求31所述的标签设备，其中所述EM标签的至少一部分设置在距离所述腔结构的开口边缘5mm、IOmm或20mm以内。
33.如权利要求31所述的标签设备，其中所述开口边缘基本上与所述传导基底部分相对。
34.如权利要求I所述的标签设备，其中所述电子装置与所述第一侧壁或所述第二侧壁没有电接触。
35.如权利要求I所述的标签设备，其中所述第二传导侧壁为设置在所述腔结构中的电介质材料与所述电子装置被去耦的表面之间的唯一的传导侧壁。
全文摘要
一种电磁辐射的增强和去耦。所公开的设备和方法用于提供基本上表面独立的标签系统。共振电介质腔(6)限定在上传导层(2)与下传导层(4)之间，腔的一端被传导基底部分(8)封闭。入射辐射耦合至腔内，被共振增强。由于这种增强作用，放在腔边缘的电子装置或标签承受大电场强度，并被驱动工作。
文档编号G06K19/077GK102890294SQ20121021125
公开日2013年1月23日 申请日期2007年6月8日 优先权日2006年6月16日
发明者J·R·布朗, C·R·劳伦斯 申请人:欧姆尼-Id有限公司