专利名称：利用表面不敏感天线结构的rfid标记的制作方法
技术领域：
本发明涉及射频或无线电频率识别(RFID)标记和标签领域，特别是涉及包括表 面不敏感天线结构的标记和标签。
背景技术：
当前的储备和制造方法依赖于追踪和识别所关心物品的能力，例如库存物品、包 装件、单个零件等等，还依赖于以无线方式传递所需物品信息以便于处理和使用的能力。一 种已知的追踪和提供所需物品信息的方法就是在这样的物品上附着无线通信装置，例如有 源或无源应答器，从而加入能够响应于射频询问或命令的识别标记或标签。标记可以储存 或代表关于所附物品的信息，例如唯一的识别数、物品状态(例如打开或未打开)、地点以 及类似的信息等。标记可以附着到单个物品上或包括多个物品的包装件上。本发明所处理的问题是在设计和制造RFID标记的过程中发生的，该标记具有普 适性，并且对于各种附有这种标记的包装件或容器能够有效运行。例如，某些所关心的物品 大批放入单个货箱内被运送，该货箱是由纸板或塑料制成，较重的物品由木箱来运送，而液 体或粘性材料由金属容器来运送。特别地，本发明针对于解决在设计和制造天线结构的过 程中遇到的问题，这些天线结构可以在大范围的这些包装件和容器中有效且合适地运行。通常，连到RFID标记的天线被设计成在特定或窄范围的基底上运行，可以附着到 基底上。与所设计的理想安装基底相比，其它基底会使天线的辐射效率下降。这样，天线以 及受影响的标记不会按所设计的那样合适地辐射。天线效率的损失可能是由于若干不同的 包装因素。一个因素就是每个基底都有其自己的介电特性，而该介电特性通常会影响无线 通信装置和其天线之间的阻抗匹配。阻抗匹配确保天线和无线通信装置之间能够进行最有 效的能量传递。因此在设计天线和随后RFID标记自身的运行效率方面，天线所附的基底是很重 要的。普通基底是从非导电的(例如纸板)变化到导电的(例如薄金属片)。实际上，即使 在一个类型的基底中，介电特性也会变化，例如在纸板包装中，纸板基底的厚度可能在不同 的包装件之间有所不同，甚至因为天气变化引起的纸板湿度也会使其介电特性变化。即使 天线是为附着到纸板基底上而设计的，天线的辐射效率和运行也会收到这些易变因素的影 响。因此，需要提供一种与RFID标记中的无线通信装置联用的天线，该天线对于其所附着 的基底是基本不敏感的。—些现有技术的系统在试图克服附有标记的包装件介电特性变化的问题时所用 的技术方案为，在已知的基底上安装和封装无线通信装置和天线系统，然后将封装系统附 到物体包装件上，因此RFID标记独立于所安装的包装件“漂浮”着，即，它与包装件之间隔 有一定的距离，例如固定在塑料紧固器上的标签/票签。这种封装RFID标记的问题就是累赘、昂贵、难于安装，并从所安装的包装件表面突出，从而使其易受损害并在处理包装件的 过程中易掉落，使得物品没有被标识。为了克服上面所述的问题，已开发的RFID实施例都是直接将标记粘附或印制到 包装表面上，从而产生较低的标记轮廓，在处理包装的过程中不易于损坏或掉落。然而，这 些天线或标记的直接表面安装会使其效率收到所附表面介电特性变化的影响。因此，这些 系统要求不同的标记用在不同的包装件上，从而增加了费用、复杂性，而且不便于制造。因 为优选地是对每个存储物品分别标识，所以需要很多不同标记，从而产生更多的问题。其它现有技术的已知RFID标记尝试克服包装介电特性变化的问题，通过设计对 安装表面不敏感的标记天线系统来提供一种基本上“一种尺寸适合所有(one size fits all)”的标记。2002 年 12 月 31 日授予King等人的、题为“Wireless Communication Device and Method”的美国专利第6，501，435号中描述了一种对其安装表面不敏感的RFID标记结构， 该标记利用一种天线结构来补偿RFID标记所附基底不同的介电特性，在这种天线结构中 辐射片的形状和尺寸是不对称的。
发明内容
本发明涉及一种天线系统和一种RFID标记或标签，该标记或标签对所安装的基 底不敏感或可以补偿所安装的基底。所述RFID标记包括无线通信装置，例如有源或无源应答器，从而可以响应于射频 信号以传递有关包装件的储存信息或有关包装件内容的储存信息。所述天线系统包括两个或多个由导电材料构成的翼片。所述翼片作为单极或多重 阵列天线，并可以进一步将所述标记的无线通信装置附着到包装件或容器。同样地，翼片可 以在一个或多个所需频率下响应。包装件中的缝隙可以与翼片一起使用从而形成隙缝天线 或具有多个响应频率的天线。翼片可以附着到、打印到、或形成在包装件表面。在一个实施例中，翼片附着到包 装件表面，该包装件表面自身包括电介质材料。该实施例的一个实例是将翼片附着到具有 褶皱的硬纸箱。这个实施例的优点是效率高，即，除了包装件自身的电介质外不需要额外的 电介质材料。这个实施例的缺点是包装件材料的可变性，例如其结构和其介电常数(介电 常数是表示某种材料的可通过性的数值)。而该可变性会引起RFID装置阻抗的变化，这个 阻抗变化是不能接受的。因此优选地，翼片可以通过电介质材料电抗耦合到包装件表面。电介质材料可以 是涂敷了粘合剂的柔性标签料，翼片安装在该标签料上从而将RFID装置附着到包装件。在 本发明的优选实施例中，标签料可以是柔性材料，例如聚合薄膜，可以利用辊对辊的制造技 术制造出长卷柔性织物(web)材料。优选实施例中的均勻翼片设计，在这里将会进一步解 释，用辊对辊制造标签料从而具有各种制造优势，例如简化了对翼片的打印或其它成形；简 化了翼片到微电子装置的连接；便于冲切或其它方式分离出单个标签或标签嵌体(label inlay)；和其它对于本领域普通技术人员显而易见的优势；用于制造RFID标签的方法在Moore North America, Inc.的PCT公开号为WO 01/61646的申请中被公开，该申请在这里参考引入。在PCT公开号WO 01/61646的申请中所公开的方法利用若干不同的RFID入口源，每个入口包括天线和薄片。多个织物配合在一 起，而RFID标签从织物中被冲压出来，从而产生具有衬里的RFID标签。可以替换地，可以 从复合织物制造无衬里的RFID标签，其在一个面上具有释放材料，在另一个面上具有压力 敏感的粘合剂，标签通过织物中的孔口来成形。各种替换方案都是可以的。可以用各种材料和工艺在所述织物上形成翼片。例如，一个工艺包括在织物上打 印导电材料，例如银导电墨，从而形成确定多个翼片的图案。所述导电墨可以这样印制，例 如，利用丝绢织物技术，例如在板料馈送或辊压操作中。翼片通常在成卷的织物上干燥和储 存。然而，作为可以替换的方案，翼片可以在标签制作的过程中被湿法印制出，与其它工步 在排列在工艺线上。形成翼片的额外的合适方法包括打印导电墨、溅射金属、层压薄膜或热印，或任何 本领域已知的用于在薄膜上形成导电图案的方法。由线和间隔所确定的印制元件，其精确度或清晰度对于翼片和整个RFID装置的 性能而言非常重要。对于某些翼片设计而言，传统的印制并不能提供足够的分辨率、线/间 距或其它质量特性，这些质量特性对于传递工程性能是必须的。同样地，控制翼片印制区域的厚度和光滑度对其性能也有重要的影响。由于墨水 组成、环境条件、基底具体情况、工艺条件和其它因素所引起的可变性，会影响印制天线的 光滑度和最终厚度。表面张力效应隐含于这些可变因素中的许多因素之中，并可以限制墨 水的沉积量、以及图形元件相对于彼此的位置。除了携带翼片的柔性电介质基底材料外，可以提供额外的所选材料的连续织物或 板来支撑和保护翼片和微电子装置，而且/或者为特定的应用提供有用的成形因素和表面 性质(例如，可打印性、粘合固定、耐气候性，等)。基底材料和额外的保护材料可以由薄膜、 纸材、薄膜和纸的层压制品、或其它适于特定终端应用的柔性板材制成。得到的RFID标签 料或RFID标记料的连续织物可以被印制上文字和/或图形，冲切成特定的形状和尺寸从而 形成连续标签卷、或具有单个或多个标签的板、或标记卷或标记板。在典型的标签结构中，标签是冲切出来的，用楔形冲模或其它本领域已知的切割 方法。如果压力敏感的粘合标签被携带在衬里层上，冲切可以一路延伸穿过标签的横截面 或者切割只向下延伸到衬里层。在这种情况下，衬底可以保持为具有标准板面尺寸的整体 板，而在该板的顶上具有一个或多个可取走的标签，这在标签制作领域是很典型。应该注意 到的是，如果需要的是标记而不是标签，就可以省去粘合层以及对应的释放衬里。在一个优选实施例中，标签料是泡沫材料，因为泡沫材料具有电优点并具有制造 优点，从而与一些其它材料例如纸板相比，可以在相对短且紧凑的尺寸内提供更有效的性 能，而在这些相对短且紧凑的尺寸内仍然要求提供相同的结果。泡沫材料也可以作为电介 质媒质，下面将进一步讨论，比起实体材料，例如相当没有柔韧性且制造和使用都很昂贵的 聚丙烯，泡沫材料更易于制造并具有层压柔韧性。而且，均勻翼片的制造优点在以下这个时候最能展现出来，S卩，如果标签或翼片是 在媒质织物上被制造的，在这样的媒质织物上排列标签或翼片使之成规则阵列，例如正交 的行列阵列。如同优选的几何形状包括一个或多个沿着柔韧电介质织物材料的加工方向排 列的翼片，优选地是每个均勻翼片组都被限定在织物材料的一个界限分明的区域内；最优 选地，这个限定区域基本上是矩形。
同样地，优选地是天线结构或标记的接地面或射频反射件可以和标记本身一起形 成，从而可以使用织物材料制造工艺获取更好的空间和制造效率。在一种方法中，接地面是 独立于长柔韧织物材料上翼片的形成，被形成或提供的。在这种情况下，当标记被放置到所 需的包装件上时，独立生产出的接地面必须以后与标记联用并合适地放置。在另一种方法中，接地面与翼片在同一个织物材料上形成，优选地沿着织物材料 的加工方向。天线翼片和接地面可以通过折线分开，从而易于将标签施加到包装件上，其 中折线可以是织物材料上的刻痕线。在这种方法中，标记的天线结构和其相关的接地面元 件以一种已知的固定空间关系形成在一起，并作为一个单元来处理用于施加到所需的包装 件。在应用中，标记沿着边缘被置于包装件的一个侧面上。在这个位置下，可以沿着刻痕线 折叠标记，使得标记的天线结构部分保持在包装件的外面板上，而接地面置于包装板的内 表面上与天线翼片相对从而提供了射频反射接地面。在标记的天线翼片和接地面元件中间 夹着包装件的侧面，该侧面通过标签被用作这两个标签元件之间的电介质从而可以获得更 好的标签运行。在另一个实施例中，优选地翼片可以被印制在具有自粘合背衬的连续织物材料 上。使用时，翼片从织物材料分离出来并以自动程序附着到包装件。在一个不同的实施例 中，翼片通过电介质材料电抗耦合到包装件表面。优选的电介质材料可以包括将被放置到 翼片上的粘合材料，从而双重地将标记附着到包装件，或者或者，包括构造包装件的材料， 例如翼片和接地或射频反射结构(通常指的是接地面)之间的纸板层。天线结构可以被设置成天线系统的阻抗基本不会被无线通信装置所附的基底影 响，因而该阻抗保持在为标记所设计的已知阻抗范围内。在一个实施例中，天线装置是由形 状相同的翼片形成的偶极子天线。翼片在一个侧面上制有粘合剂从而可以附着到形成包装 件的基底表面。翼片在馈电点(feedpoint)连到无线通信装置，该通信装置具有传输线，该 传输线可以是导电通路或电线。可以设想的是，RFID翼片的无线通信装置可以内置于包装件衬底中形成的一个凹 槽内，因而无线通信装置不会从基底表面突出，使得RFID标记不易于在包装件处理的过程 中被损坏。在另一个实施例中，本发明包括一种标记，该标记只可以被安装在包装件的一个 侧面上。在这个实施例中，设置至少两个导电翼片以形成偶极子天线。薄电介质耦合到导 电翼片，而接地面或射频反射结构耦合到该薄电介质，因而薄电介质在导电翼片和接地面 之间。接地反射结构可以是整体式的，即，由单个连接元件例如平板形成，或由分离的一组 元件结合而成，例如一组非连接的平板。
图1是一种RFID标记的示意图，该标记具有实施本发明的一种天线装置；图2是一种RFID标记的示意图，该标记具有实施本发明的一种替换的天线装置；图3是一种RFID标记的示意图，该标记具有实施本发明的第二种替换的天线装 置；图4是一种RFID标记的横截面图，该标记具有实施本发明的一种天线装置，该天 线装置被安装到包装件侧壁上。
具体实施例方式本发明针对射频识别装置(RFID)和其天线系统，从而当该射频识别装置附着到 包装件或容器时，将关于包装件或容器的信息传递到外部读出器。该包装件可以是装有特 定已知物品的单个包装件，或者是外包装件，该外包装件内装有一群另外的内部单个包装 件。术语“包装件”和“容器”在这里可以是可以互换使用的，以描述容纳物品(例如货物 或其它单个包装件)的材料和等同的结构。使用“包装件”或“容器”的时候，本发明不应 该局限于任何特定的意义或方法。图1所示为本发明实施在一种RFID标记10中的一个实施例，该标记包括无线通 信装置16。装置16可以是有源的，即自身产生射频能量(或无线电能量)以响应于接收的 命令，或者可以是无源的，即只是将接收到的射频能量反射回到外部起源，例如现在本领域 中已知的RFID标记读出器。在这个实施例中，优选地具有至少两个导电翼片12和14，连到无线通信装置用于 接收和辐射所接收的射频能量。两个翼片12和14在形状上是基本相同的，并在馈电点连 到无线通信装置16，馈电点相对于每个翼片而言位置是不同的。如果两个翼片的尺寸和形 状相同，翼片12和14的导电区域或区域(area)可以基本相同，但应该可以想到的是，翼片 12和14的尺寸可以不同而其形状基本相同，从而导致不同的导电区域。这些翼片可以是共 线的或非共线的从而提供不同所需的天线结构。例如，在图1中，翼片12和14是偏离和邻 近的，从而以区域18提供了一种隙缝天线系统，可以提供多个辐射频率下的响应从而在多 个辐射频率下运行。可以考虑本发明包括多个连到装置16的导电翼片阵列。这些翼片可以按照特定 的标记应用所需的那样，被设计成彼此一致工作从而形成偶极子或八木天线系统，或者单 独形成单级天线。通过利用这些多个导电翼片阵列，就可以提供多个谐振频率，从而与单个 专用的导电翼片对相比该标记可以响应于更宽范围的标记读出器和环境情形。用于导电翼片的其它可以考虑的形状在图2和图3中示出，不仅包括图1所示的 规则形状，例如圆锥形、三角形，还包括图3中附图标记32和34所指示的截过的三角形。矩形导电翼片也被包括在本发明中，如图2中附图标记22和24所示的那样。实 际上，例如，图2示出了翼片可以包括一组毗邻的矩形部分26、27、28和40、41、42。在本发明的一个优选实施例中，图2中所示的矩形部分所具有的尺寸大致如下 矩形部分26大约3毫米宽大约3毫米长；连着的矩形部分27大约10毫米宽大约107. 6毫 米长；而矩形部分28大约3毫米宽大约15. 4毫米长。如果是这些尺寸的话，进一步优选地 是导电翼片和接地面之间泡沫介电基底的厚度大约为6. 2毫米。同样地，用于这个优选实 施例的接地面可以是大约16毫米宽大约261毫米长。导电翼片也可以具有不规则形状，或者甚至是包括规则和不规则部分的混合形 状。其它实施本发明的可以替换的天线系统可以是这样，即，翼片可以具有三角形部分连着 不规则曲线或例如正弦曲线形的规则曲线。在图1中，可以选择翼片馈电点20和22使得跨越翼片12和14两个馈电点20和 22的阻抗对应地与跨越无线通信装置16的阻抗是共轭匹配的，从而使其间的能量传递最 大。
通常，一种选择翼片上的馈电点以达到这种共轭匹配的优选方法，可以是在每个 翼片上不同位置处选择馈电点，在这个位置处每个翼片在横截每个翼片纵向中心轴线的轴 线所取的宽度外形是彼此不同的。即，翼片的宽度在两个翼片之间是不同的，该宽度是沿着 翼片的中心线、远离连接到通信装置的标记中心、相对于长度测得的。通过以计算或逐步逼 近法选择这些馈电点，就可以达到共轭阻抗匹配。具体地，参考附图，翼片的纵向中心轴线可以看成是，与翼片的相对边界或边缘保 持等距离从翼片的一端延伸到另一端的线。在翼片具有规则形状的情况下，这个纵向中心 轴线就是类似于翼片纵轴的直线。在其它情况下，如果翼片具有不规则形状，该纵向中心轴 线就是曲线从而保持与边界等距。也可以看出这个纵向中心轴线对于每个翼片而言都是唯 一的。翼片的宽度是沿着横截纵向中心轴线的轴线方向确定的，可以看出该宽度取决于翼 片的形状。例如，如果翼片具有规则形状，沿着纵向中心轴线翼片的宽度不会变化，但如果 翼片具有三角形和楔形，沿着翼片中心轴线翼片的宽度会连续地变化。这样，如果考虑本发 明包括的翼片具有规则形状部分，就也会具有宽度不同的部分。在导电翼片上选择馈电点的另一种优选方法是，在每个翼片上选择位置不同的馈 电点，其中沿着每个翼片纵向中心轴线方向的每个单位长度上的导电区域，随着沿每个所 述翼片纵向中心轴线方向离其馈电点的距离而变化。实质上，这种方法在每个翼片上将这 样的位置选为馈电点，即在这个位置处，中心线方向上每单位长度的形状积分面积是不同 的，而不必是翼片的宽度不同。图4示出了如何将射频反射结构50连到翼片52和54，用于反射翼片辐射的射频 能量。接地面元件的尺寸与导电翼片的尺寸基本相同，或大于导电翼片的尺寸，因此接地面 元件可以有效地反射射频能量。如果接地面元件基本小于导电翼片，射频能量就会延伸超 过接地面元件的边缘，与包装件的物品相互作用，从而使标签的运行效率下降。在所示的实 施例中，无线通信装置56在馈电点58和60连到翼片52和54。这种结构50可以是由单个 整体板制成的简单接地面、或者是复杂的反射结构，该复杂反射结构包括若干隔离的板，这 些隔离的板一起作用从而发射射频能量。如果天线结构位于包装件壁62的一个侧面上，射 频反射结构50可以在相同壁62的相对侧面上，从而将该壁自身用作介电材料，如以下进一 步描述的那样。如上所述，介电材料优选地置于导电翼片52和54、以及射频反射结构50的中间， 例如，上述的包装件壁62。翼片和射频反射结构中间电介质的厚度或介电特性在翼片纵轴 或横轴方向上可以是不同的。通常，已经得知的是，在UHF频率下，即在860兆赫到950兆 赫范围的频带中，大约3毫米到6毫米的电介质厚度适于实施本发明的标记。类似地，厚大 约0. 5毫米到大约3毫米的电介质适于在2450兆赫中心频率的频带中运行的标记。已经 得知这个范围的厚度适于导电翼片的有效运行，尽管平常要求在辐射元件和接地面之间具 有间距，该间距是运行频率下波长的四分之一。根据本发明，在制造和应用标签中已经发现的优点是，在标签结构中可以使用更 薄、更低的电介质材料，而且可以使用更短的翼片，因而，可以在构造每个标记的过程中使 用更少的墨水和标签材料，并可以在制造的过程中增加媒质织物上的标签密度从而使媒质 织物的浪费减少，因此可以节约地进行制造。另外，与那些从所附包装件表面向外突出的更 厚的标签相比，这些更薄且更小的标签更容易贴到包装件上，并且不易损坏。
本发明的另一个实施例针对上述的天线结构本身，而不涉及无线通信装置。如果本领域普通技术人员理解了以上的描述，就可以进行某些改动或改进。应该 理解的是，本发明并不局限于任何特定类型的无线通信装置、翼片、包装件、或隙缝设置。为 了实现本申请的目的，耦合、被耦合、或耦合操作被定义为直接连接或电抗耦合。电抗耦合 被定义为电容耦合或电感耦合。本领域普通技术人员应该认识到，这些元件可以用不同的 方式来实现本发明。本发明应包括权利要求和任何等同的。此处所用的特定实施例有助于 理解本发明，但不应该用于限制本发明的范围，从而使其窄于权利要求以及它们的等同物。
权利要求
1.一种与无线通信装置一起使用的天线系统，其包括耦合到所述无线通信装置的多个导电翼片，用于接收和辐射射频能量，所述多个翼片 中的至少两个翼片均在馈电点连到所述无线通信装置，所述馈电点在所述两个翼片上的位 置均不相同，其中沿着每个翼片纵向中心轴线方向的每个单位长度上的导电区域，随着沿 每个所述翼片纵向中心轴线方向离其馈电点的距离而变化；耦合到所述多个导电翼片的射频反射装置，用于反射所述翼片辐射的射频能量；和 处于所述导电翼片和所述射频反射装置之间的电介质。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个翼片中所述至少两个翼片均包括多个非 导电区域。
3.根据权利要求1所述的装置，其中处于所述导电翼片和所述射频反射装置之间的所 述电介质的厚度，在所述导电翼片纵轴线方向上是变化的。
4.根据权利要求1所述的装置，其中处于所述导电翼片和所述射频反射装置之间的所 述电介质的介电特性，在所述导电翼片纵轴线方向上是变化的。
5.根据权利要求1所述的装置，其中处于所述导电翼片和所述射频反射装置之间的所 述电介质的厚度，在所述导电翼片横向轴线方向上是变化的。
6.根据权利要求1所述的装置，其中处于所述导电翼片和所述射频反射装置之间的所 述电介质的介电特性，在所述导电翼片横向轴线方向上是变化的。
7.根据权利要求1所述的天线系统，与连到所述翼片的馈电点的所述无线通信装置结合。
8.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述电介质材料是包装件壁的部件。
9.根据权利要求8所述的天线系统，其中所述包装件壁的所述部分包括纸板。
10.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述电介质材料包括泡沫。
11.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述导电翼片的所述至少两个翼片在其间 限定一空间，使得所述翼片用作隙缝天线，从而允许所述天线系统具有多个响应频率。
全文摘要
一种对所处表面不敏感的天线系统，其用于具有无线通信装置的RFID标记中，该天线系统包括耦合到所述无线通信装置、用于接收和辐射射频能量的导电翼片。所述翼片中的至少两个翼片在形状上基本相同，并在馈电点连到所述无线通信装置，所述馈电点在所述两个翼片中每个翼片上位置不同，其中沿着横向于每个翼片纵向中心轴线的方向所取的所述至少两个翼片的宽度，随着沿每个所述翼片纵向中心轴线方向的距离而变化。或者，所述无线通信装置在一个馈电点连到所述翼片，该馈电点在每个所述翼片上的位置不同，其中沿着每个翼片纵向中心轴线方向的每个单位长度上的导电区域，随着沿所述纵向中心轴线方向的距离而变化。
文档编号H01Q9/40GK102117958SQ201110042758
公开日2011年7月6日 申请日期2004年4月12日 优先权日2003年4月10日
发明者I·J·福斯特 申请人:艾利丹尼森公司