专利名称：射频标识超高频标签天线及嵌入在可弃导电盖中的匹配网络的制作方法
射频标识超高频标签天线及嵌入在可弃导电盖中的匹配网
络
背景技术：
射频标识(RFID)标签和读取器系统工作在较宽范围的无线电频率上，包括低频(LF)应用、高频应用(HF)及超高频应用(UHF)。LF应用典型地在从大约125到大约 148. 5kHz的范围内，HF应用典型地工作在13. 56MHz，而UHF应用典型地在大约300MHz到大约3GHz的范围内。RFID标签的“读取范围”典型地定义为RFID读取器可以与RFID标签通信的距离。无源LF和HF应用典型地仅提供非常短的读取范围，并且典型地需要RFID 读取器距离标签不超过大约2厘米到大约30厘米远以实现成功的通信。无源UHF应用典型地允许较长地读取范围，使RFID标签可以位于距离大约2米到大约12米或者更远的地方以与RFID读取器成功通信。典型地，各种环境因素都可能解谐(detune)RFID标签并修改工作频率以潜在地影响RFID标签接收的功率。这影响了 RFID标签的读取范围。例如， 存在于诸如金属和液体之类的导电介质中的RFID标签可经受由吸收或寄生电容导致的解谐。解谐也可能起源于组装工艺中引起(spread in)的电容。例如，如果RFID标签到天线的直接附着过程有错位或接触不良，会引入寄生电容。
发明内容
提供了一种超高频射频标识UHF RFID天线系统，包括可弃金属盖，包括金属层和绝缘层；以及突起物，形成为与所述可弃金属盖相集成，以使所述突起物与所述可弃金属盖共享所述金属层的一部分和所述绝缘层的一部分，所述突起物使得所述金属层的所述一部分的部分被移除以形成电连接到所述可弃金属盖的匹配环。附图
描述图Ia示出了根据本发明的实施例。图Ib示出了图Ia的顶视图。图2示出了根据本发明的实施例。图3a示出了根据本发明的实施例。图3b示出了根据本发明的实施例。图3c示出了根据本发明的实施例。图4示出了根据本发明的实施例。图5示出了根据本发明的实施例。图6a示出了根据本发明实施例的匹配网络的阻抗值虚部的图。图6b示出了根据本发明实施例的匹配网络的阻抗值实部的图。
具体实施例方式根据本发明，具有可弃金属盖的容器(例如，具有金属箔盖的塑料、泡沫、金属或纸板杯)，可以通过将UHF RFID天线集成到包装中来具有RFID标签，具体是可弃金属盖120 中(参见图Ia和lb)。这些容器类型的典型消费示例为酸奶杯或脱水汤杯。如果杯110是金属的，在杯110和可弃金属盖120之间可能存在谐振，该谐振影响了作为UHF天线工作的可弃金属盖120的谐振频率。由金属制造的杯110将额外电容从可弃金属盖120引入到地， 并且在杯110和UHF RFID匹配网络310 (例如，参见图3b和3c)之间引入电感耦合。此外， 如果杯110是金属的，那么杯110的容积将典型地影响设计。应注意典型地UHF RFID匹配网络310的适当设计，并且因为用作UHF天线的可弃金属盖120的谐振典型地比根据本发明的工作频率高大约50到大约100MHz，可以减轻由金属制造的杯110的影响。集成到可弃金属盖120的UHF RFID天线从RFID读取器接收功率并且该功率用于激活UHF RFID集成电路(IC) 330 (参见图3b)。RFID读取器典型的功率输出为4瓦特的量级并且UHF RFID IC 330(参见图3b)典型地需要-ISdBm的功率电平用于在读模式中激活，并且典型地需要-15dBm的功率电平用于在写模式中激活。根据本发明的实施例典型地具有少于大约20 的Q(质量因子)值以及根据本发明的实施例工作于辐射近场区域及辐射区域。图Ia和Ib示出了根据本发明的示例实施例。图Ia示出了附着有(affixed)可弃金属盖120和金属突起物(tab) 130的杯子110的横截面。根据本发明实施例，可弃金属盖 120的直径典型是IOcm或更少。应注意，根据本发明，可弃金属盖120不需要是圆形的，可以是方形、矩形、八边形或其它适合的几何形状。金属突起物130典型地在结构上集成到可弃金属盖120中。图Ib示出了典型地隐藏在可弃金属盖120之下(见图la)的杯110的顶视图。可弃金属盖120的材料典型地包括铝。根据本发明，可弃金属盖120及突起物130 具有集成在它们中的RFID标签天线。图2示出了用于可弃金属盖120和突起物130的多层结构200的横截面。可弃金属盖120的导电层210和突起物130典型地由铝制造，典型地厚于大约5 μ m,并且使用粘接层220附着在绝缘衬底230上。根据本发明，绝缘衬底230 典型地由塑料(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))制造，也可由其它适合的绝缘体制造， 并且典型地厚于在UHF频率工作的趋肤深度(skin depth) 0当使用例如PET的塑料时，在用于创建可弃金属盖120和突起物130的层压工艺期间由可由绝缘衬底230的部分融解形成粘接层220。根据本发明，层压工艺典型地使用胶水、压力及用于控制胶水粘性及干燥或者热固键合剂的热量将金属片或金属箔(例如铝)与一种或多种其它材料(例如纸或塑料 (例如PET))相结合。用于层压铝箔的四种典型方法是湿粘合、干压或热塑粘合、挤出粘合及热融粘合。使用粘接层240将绝缘衬底230附着到杯110的边缘。绝缘衬底230的典型厚度是从大约20 μ m的量级到大约100 μ m的量级之间。粘接层240典型地是适于附着到杯110 的边缘的胶水。由于可弃金属盖130具有绝缘衬底230涂覆有导电层210的机械设计，可通过将由臂128和129形成的匹配环到切割或蚀刻突起物130的导电层210中，直接将UHF RFID匹配网络310 (见图3b)集成到可弃金属盖120中，匹配环形成了 UHF RFID匹配网络310的一部分。用于UHF RFID匹配网络310的设计的典型三维电磁仿真软件程序是可从 COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY OF AMERICA Inc.429 Old Connection Path,Suite 505,Framingham,MA 01701 获得的 CST MICROWAVE STUD IO0 UHF RFID 集成电路(IC) 330 (参见图3a)可直接附着到匹配网路310或附着在匹配网络310上的UHF RFID STRAP载体 520(参见图5)。图3a示出了突起物130上的UHF RFID匹配网络310的臂128和臂129 (参见图
53b和3c)。根据本发明，使用适合的蚀刻剂和掩膜或者使用用于金属层210的金属的其它工艺并且暴露突起物130上的绝缘衬底230的区域，精确地去除突起物130上的金属层210 的一部分以创建臂128和臂129。典型地，调整臂128和臂129包围的区域的大小，以提供希望的UHF RFID匹配网络310。应注意，蚀刻图3a中的凹口 127或者以其它方式被引入到金属层210，以提供针对UHF RFID IC 330的附着位置。如图3b所示，UHF RFID匹配网络310用作匹配UHF RFID IC 330的可弃金属盖 120的阻抗。当可弃金属盖120的输入阻抗是UHF RFID IC330 (共轭阻抗匹配)的阻抗的复共轭时，从RFID读取器传送最大功率到可弃金属盖120。例如，用于UHF RFID IC 330的典型复共轭阻抗是(10_150j) Ω。UHF RFID IC 330可以直接附着到UHF匹配网络310 (参见图4)或者是附着在匹配网络310上的UHF RFID STRAP载体520 (参见图5)。图3c示出了根据本发明实施例与等效电路模型的关系。等效电路模型360对应于可弃金属盖120，用作具有电感361、电容364及电阻366的UHF RFID天线。根据本发明，在典型是大约915MHz的工作频率处，典型的电感362值在范围大约30nH到大约50nH 之间，典型的电容值在范围大约0. 2pF到2pF之间，典型的电阻值366在范围大约5 Ω到大约100 Ω之间。等效电路模型370示出了由T匹配臂128和129与可弃金属盖120构建的“Τ匹配”配置。该“Τ匹配”配置用作阻抗变压器以匹配可弃金属盖120到UHF RFID IC 330 的阻抗。典型地通过控制由臂128和129包围的绝缘衬底230的面积(例如，使臂128和 129较宽或较窄、以及较长或较短)来调整等效电路模型370中的阻抗变压器。例如，如果臂128和129的宽度减少，则输入阻抗增加。由电感器372和374提供的阻抗提高(step up)比率取决于金属盖120及臂128和129之间的分流因子。关于“T匹配”配置的细节可见于"The art of UHF RFID antenna design impedance matching and size reduction techniques，，，Gaetano Marrocco, IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 50, No. 1, pp. 66-79，2008，在此一并作为参考。等效电路模型380分别对应于突起物130上金属臂128和129的电感382和384， 该突起物130将UHF RFID IC 330连接到可弃金属盖120。电感382和384的典型值是大约IOnH的量级。最后，等效电路模型390对应于UHF RFID IC 330的电阻392和电容394。 电阻392的典型值是大约2k Ω的量级，并且电容394的典型值是大约IpF的量级。根据本发明的实施例，图4以横截面图350示出了直接附着到臂128和129的UHF RFID IC 330 (参见图3b)，以提供UHF RFID IC 330到匹配网络310的连接。匹配网络310 通过粘接层220附着到绝缘层230。根据本发明实施例，图5以横截面图350示出了使用UHF RFID STRAP载体520将 UHF RFID IC 330连接到的匹配网络310 (参见图3b)。UHF RFID STRAP载体520附着在形成匹配环结构的臂128和129上。应注意，根据本发明，形状不需要是环形，例如可以是半矩形。臂128和129通过粘接层220附着到绝缘层230。UHF RFID IC 330典型地直接附着到 UHF RFID STRAP 载体 520。根据本发明，图6a示出了作为凹口(notch) 127处频率的函数的复阻抗的虚部值， 用于突起物130上凹口 127的中心到具有大约50mm量级直径的可弃金属盖的周界的六个不同距离(例如参见图3a)。因为所有其它值均是固定的，所以随着凹口 127的位置向内移动总共大约9. 5mm，臂128和129包围更小的面积，并且虚阻抗随着电感减少而降低。凹口连续向内移动大约1. 9mm。曲线610示出了作为凹口 127处频率的函数的虚阻抗，用于凹口距离可弃金属盖120的周界为大约15. 5mm的参考位置。曲线620示出了作为凹口 127处频率的函数的虚阻抗，其中与曲线610相比，凹口 127距离可弃金属盖120的周界近了大约 1.9mm。曲线630示出了作为凹口 127处频率的函数虚阻抗，其中与曲线620相比，凹口 127 距离可弃金属盖120的周界近了大约1. 9mm。曲线640示出了作为凹口 127处频率的函数的虚阻抗，其中与曲线630相比，凹口 127距离可弃金属盖120的周界近了大约1.9mm。曲线650示出了作为凹口 127处频率的函数的虚阻抗，其中与曲线640相比，凹口 127距离可弃金属盖120的周界近了大约1.9mm。曲线660示出了作为凹口 127处频率的函数的虚阻抗，其中与曲线650相比，凹口 127距离可弃金属盖120的周界近了大约1. 9mm,曲线660的凹口 127距离可弃金属盖120的周界大约是6mm。根据本发明，图6b示出了作为凹口 127处频率的函数的复阻抗的实部，用于突起物130上凹口 127的中心到具有近似50mm量级直径的可弃金属盖的周界的六个不同距离 (例如参见图3a)。因为所有其它值均是固定的，所以随着凹口 127的位置向内移动总共大约9. 5mm，臂128和129包围更小的面积，并且实阻抗随着电感减少而降低。凹口连续向内移动大约1. 9mm。曲线615示出了作为凹口 127处频率的函数的实阻抗，用于凹口距离可弃金属盖120的周界大约15. 5mm的参考位置。曲线625示出了作为凹口 127处频率的函数的实阻抗，其中与曲线615相比，凹口 127距离可弃金属盖120的周界近了大约1. 9mm。曲线 635示出了作为凹口 127处频率的函数的实阻抗，其中与曲线625相比，凹口 127距离可弃金属盖120的周界近了大约1. 9mm。曲线645示出了作为凹口 127处频率的函数的实阻抗， 其中与曲线635相比，凹口 127距离可弃金属盖120的周界近了大约1. 9mm。曲线655示出了作为凹口 127处频率的函数的实阻抗，与曲线645相比，凹口 127距离可弃金属盖120的周界近了大约1.9mm。曲线665示出了作为凹口 127处频率的函数的的实阻抗，与曲线655 相比，凹口 127距离可弃金属盖120的周界近了大约1.9mm，并且曲线665的凹口 127距离可弃金属盖120的距离大约是6mm。本领域技术人员显而易见的是，根据本发明可使用其它阻抗匹配技术，例如嵌套成形槽技术，该技术典型地要求针对将UHF RFID IC附着到可弃金属盖的不同位置。尽管已经结合特定实施例描述了本发明描述，显然对于本领域技术人员来说根据先前描述多种备选、修改及变体是显而易见的。因此，本发明意欲覆盖附件中权利要求书的精神和范围内所有的其它这种备选、修改及变体。
权利要求
1.一种超高频射频标识UHF RFID天线系统，包括 可弃金属盖，包括金属层和绝缘层；以及突起物，形成为与所述可弃金属盖相集成，以使所述突起物与所述可弃金属盖共享所述金属层的一部分和所述绝缘层的一部分，所述突起物使得所述金属层的所述一部分的部分被移除以形成电连接到所述可弃金属盖的匹配环。
2.如权利要求1所述的超高频射频标识UHFRFID天线系统，还包括附着到所述可弃金属盖的容器。
3.如权利要求1所述的超高频射频标识UHFRFID天线系统，其中，所述绝缘层包括PET。
4.如权利要求1所述的超高频射频标识UHFRFID天线系统，其中，所述金属盖包括铝。
5.如权利要求1所述的超高频射频标识UHFRFID天线系统，其中，所述匹配环包括第一臂和第二臂，并且所述第一臂和所述第二臂电连接并直接附着到UHF RFID IC上。
6.如权利要求1所述的超高频射频标识UHFRFID天线系统，其中，所述匹配环由第一臂和第二臂组成，并且所述第一臂和所述第二臂电连接并直接附着到UHF RFID STRAP载体上。
7.如权利要求6所述的超高频射频标识UHFRFID天线系统，其中，所述UHF RFID STRAP载体电连接到UHF RFID IC0
8.如权利要求2所述的超高频射频标识UHFRFID天线系统，其中，所述容器包括从包含泡沫、塑料、金属和纸板的组中选择的材料。
9.如权利要求1所述的超高频射频标识UHFRFID天线系统，其中，所述可弃金属盖具有总体上圆形形状。
10.一种用于制造超高频射频标识UHF RFID天线系统的方法，包括 提供包括金属层和绝缘层的可弃金属盖；以及提供形成为与所述可弃金属盖相集成的突起物，以使所述突起物与所述可弃金属盖共享所述金属层的一部分和所述绝缘层的一部分，所述突起物使得所述金属层的所述一部分的部分被移除以形成电连接到所述可弃金属盖的匹配环。
11.如权利要求10所述的方法，还包括提供容器并将所述容器附着到所述可弃金属盖上。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述绝缘层包括PET。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述金属盖包括铝。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述匹配环包括第一臂和第二臂，并且所述第一臂和所述第二臂电连接并直接附着到UHF RFID IC上。
15.如权利要求10所述的方法，其中，所述匹配环包括第一臂和第二臂，并且所述第一臂和所述第二臂电连接并直接附着到UHF RFID STRAP载体上。
16.如权利要求11所述的方法，其中，所述容器包括从包含泡沫、塑料、金属和纸板的组中选择的材料。
17.如权利要求10所述的方法，其中，所述可弃金属盖具有总体上圆形形状。
18.一种超高频射频标识UHF RFID天线系统，包括 可弃金属盖，包括金属层和绝缘层；以及突起物，形成为与所述可弃金属盖相集成，以使所述突起物与所述可弃金属盖共享所述金属层的一部分和所述绝缘层的一部分，所述突起物使得所述金属层的所述部分的部分被移除以形成第一臂和第二臂，所述第一臂和所述第二臂电连接到所述可弃金属盖。
19.如权利要求18所述的超高频射频标识UHFRFID天线系统，其中，所述第一臂和所述第二臂电连接并直接附着到UHF RFID IC上。
20.如权利要求18所述的超高频射频标识UHFRFID天线系统，其中，所述可弃金属盖包括铝。
全文摘要
一种超高频射频标识UHF RFID天线系统。将UHF RFID天线集成到泡沫、塑料、金属或纸板容器的可弃金属盖中。
文档编号H01Q1/22GK102347528SQ201110203648
公开日2012年2月8日 申请日期2011年7月20日 优先权日2010年7月21日
发明者弗拉科·科拉里奇, 杰拉尔德·维德涅格, 格柳利尔诺·曼茨 申请人:Nxp股份有限公司